Спосіб відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей та пристрій для його реалізації

Винахід належить до техніки розділення сумішей і може використовуватися в галузях те хніки, де необхідно розділяти нафтопродукти і воду. Відомо про спосіб відділення нафтопродуктів з водонафтови х сумішей, реалізований у пристрої для розділення водонафтових сумішей (ВНС), що являє собою циліндричний гідроциклон, який створює обертальний рух суміші, в котру продукт розділення надходить через тангенціальний патрубок, розташований у його нижній частині. У верхній частині гідроциклон має два патрубки. Через внутрішній відбувається розвантаження легкого компонента, тобто відвід відділеної фракції. За допомогою зовнішнього розвантажується важкий компонент [Роев Г.А., Юфин В.А. "Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. - М.: Недра,1987. -С. 100]. У цьому ж джерелі наведені й інші розділові конструкції, засновані на способі розділення ВНС за допомогою створення обертального руху суміші. Є також теоретичне обґрунтування процесу, що відбувається. Але при цьому враховується тільки гідродинамічний механізм коалесценції нафтопродуктів, а така їх властивість як здатність до вторинного емульгування під час коалесценції рідких фаз не приймається до уваги. Тому ефективність розділення нафтопродуктів за таких умов невелика. Відомо також про спосіб розділення водонафтових сумішей, реалізований у пристрої для відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, що являє собою циліндричний гідроциклон, у робочій порожнині якого встановлено тверду порожнисту олеофільну насадку [див. патент № 50326 А України, опубл. 15.10.2002, бюл. №10]. Завдяки наявності такої насадки нафтові частинки (НЧ) спочатку коалесціюють на твердій олеофільній поверхні, утворюючи на ній шар нафтопродукту. Після чого коалесценція НЧ відбувається з цим шаром. У цьому способі не враховано важливу особливість, яка супроводжує коалесценцію рідинної фази при її реалізації, а саме ступінчастість. Остання приводить до збільшення кількості дрібнодисперсних крапель фази за рахунок дії на НЧ, що коалесціюють, з шаром нафтопродукту, котрий утворився на твердій олеофільній поверхні насадки, ударної хвилі, яка виникає при розриві плівки рідини середовища, що негативно впливає на якість розділення ВНС. Однак, незважаючи на зазначені недоліки, описаний спосіб прийнятий як прототип тому, що ні в якому іншому відомому способі, крім силового розділення, не створюється обертальний рух суміші, відвід розділених фракцій, а також коалесценція НЧ на твердій поверхні за рахунок контакту. Таким чином, спосіб відділення нафтопродуктів з ВНС, що включає створення обертального руху суміші, забезпечення умов для коалесценції за рахунок контакту на твердій поверхні, відвід розділених фракцій прийнятий як прототип. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення способу для відділення нафтопродуктів з ВНС, у якому завдяки створенню умов для інтенсифікації процесу коалесценції під час обробки ВНС у гідроциклоні забезпечується підвищення ефективності розділення компонентів суміші і за рахунок цього поліпшується якість очищення води від нафтопродуктів. Поставлена задача вирішується тим, що в способі відділення нафтопродуктів, який включає створення обертального руху суміші, забезпечення умов для коалесценції НЧ за рахунок контакту на твердій поверхні, відвід розділених фракцій, згідно з винаходом контактуючу поверхню модифікують деемульгатором. Відомо, що коалесценція фазової складової, котрою у ВНС є емульговані нафтопродукти, на поверхні контакту визначається явищами адгезії та змочування. Час коалесценції НЧ визначається в основному часом знищення плівки дисперсійного середовища (води) між НЧ і поверхнею розділу (контакту), причому гідродинамічний механізм коалесценції нафтопродуктів у більшості випадків є лише супутнім, а іноді й малозначущим. Основну роль тут відіграє контактний механізм [Последние достижения в области жидкостной экстракции. / Под ред. К. Хансена: Пер. с англ. - М.: Химия, 1974. - 448 с.]. Процес коалесценції НЧ до поверхні контакту істотно залежить від рівня гідратації НЧ (стійкості її гідратної оболонки), енергетичного потенціалу залишкового гідратного шару на площі контакту. Чим менше гідратована НЧ, тим легше розривається її гідратна оболонка при наближенні НЧ до поверхні контакту, оскільки такий стан відповідає мінімуму енергії системи. Гідратації НЧ суттєво сприяє наявність у ВНС іонних поверхнево-активних речовин (ПАР). Тому, на підставі термодинамічного і кінетичного аналізів процесів, які відбуваються при цьому, можна зробити наступний висновок: чим менший ступінь гідратації поверхні НЧ, тим імовірніше її прилипання при зіткненні з поверхнею і тим менш потрібна сила зіткнення і час контакту. Визначальний вплив тут має величина подвійного електричного шару (ПЕШ) на границі розділу фаз. ПЕШ обумовлює виникнення енергетичного бар'єра, що перешкоджає зближенню НЧ на відстань, де діють інтенсивні сили молекулярного притягання. Зниження величини ПЕШ можливе через його стиснення шляхом зменшення кількості наявних іонів у дисперсійному шарі між поверхнями контакту. При цьому, зменшуються величина енергетичного бар'єру і, відповідно, час коалесценції. Наведене стає можливим, якщо у дисперсійному шарі води, який утворюється між поверхнею контакту та НЧ, буде бракувати іонів, оскільки за їх відсутністю зникають дифузійні електричні шари. Стабільність розбавлених емульсій пов'язана з електричними властивостями поверхонь контактуючих елементів (частинок). Частинки, що мають на поверхні електричні заряди одного знака, відштовхуються і тому їхнього злипання не відбувається. Зазначене здійснюється тому, що при наближенні контактуючи х поверхонь на дуже близьку відстань однієї від одної їхні дифузійні шари перекриваються і взаємодіють. Ця взаємодія відбувається в іонному прошарку дисперсійного середовища, що розділяє поверхні контакту. Тобто, стійкість емульсії визначається головним чином властивостями цих тонких рідких шарів. Після відповідного наближення контактуючи х елементів друг до друга з утворенням тонкого дисперсійного шару і досягнення ним критичної товщини, що далі не зменшується, стоншення його закінчується. Тоді або відбувається контакт поверхонь елементів і, відповідно, їхнє злиття, або контакту і злиття не відбувається. Останнє визначається зміною внутрішнього тиску в дисперсійному шарі. З'являється додатковий "розклинюючий" тиск, обумовлений в основному електричною взаємодією в дисперсійному шарі двох поверхонь можливого контакту. При малій товщині дисперсійного шару дифузійні електричні шари частково перекриваються й іони в них знаходяться під одночасною дією обох поверхонь можливого контакту. У результаті цього відбувається перерозподіл іонів, дифузійні шари деформуються і з'являється протидія - виникають сили відштовхування між двома поверхнями можливого контакту. Ці електричні сили виявляються в "електростатичному розклинюючому тиску" П ел . Величину П ел для області низьких потенціалів можна визначити із залежності [Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: Учебник для вузов - 2-е изд., переработ. и доп. - М.: Химия, 1988. - С.378]: П ел = 2e 0 ec 2 j2 е- ch , (1) б де: e 0 - електрична постійна, дорівнює 8,854×10-12, Ф/м; e - відносна діелектрична, Ф/м; h - товщина j дисперсійного шару, м; б - потенціал дифузної частини ПЕШ, мВ; c - величина, зворотна товщині дифузної -1 частини ПЕШ, м , характеризує властивості дисперсійного середовища і визначається із залежності: C0 c = 3,06 z e [Иванов И.Б., Платиканов Д.Н. Коллоиды. // Наука и искусство. - София, 1970. - С. 73]; z - заряд іона, Кл; C 0 - середня концентрація іонів у дисперсійному шарі, моль/мл. З залежності (1) випливає, що П ел швидко (експоненційно) зростає зі зменшенням h, тобто зі стоншенням дисперсійного шару. У той же час електростатичний "розклинюючий" тиск (Пел) зникає, якщо концентрація електроліту в цьому шарі становить C0 = 0 , тобто при C0 = 0 , c = 0 та П ел = 0 . Розглянута вище ознака, така як зменшення кількості іонів у дисперсійному шарі між поверхнями контакту, є новою і у відомій літературі не зустрічалась. Зазначена нова ознака є істотною, тому що дозволяє підвищити ефективність розділення на 15...20%. Цей процес може бути реалізованим, наприклад, за допомогою неіонних деемульгаторів, таких як, дісолван 4411, прохоліт, тощо [Гандурина Л.В., Буцева Л.Н., Штондина B.C. Совершенствование процесса обезвоживания отработанных нефтяных эмульсий. // Нефтеобработка и нефтехимия. - 1995. - №12. - С. 29]. Такі електроліти не тільки спричиняють стиснення ПЕШ, але й переводять іонні емульгатори, що сприяють гідратації НЧ, у малорозчинну у воді форму. Таким чином для якісного розділення ВНС необхідно організувати дію електроліту на НЧ, які укрупнюються на поверхні контакту. Відомо про пристрій для відділення нафтопродуктів із НВС [Лебедь Н.Г., Михайлюк В.А., Поздеев В.В. Очистка нефтесодержащих вод компактными сепарационными модулями на базе низкоскоростного циклона. // Судостроительная промышленность. Серия "Промышленная энергетика, охрана окружающей среды и энергоснабжение судов". - 1990. - Вып. 11, С. 41-47.], що містить вертикальний корпус, патрубок підведення водонафтової суміші, розташований у нижній частині корпуса, патрубок відводу нафтопродуктів, оснащений конічним захоплюючим пристроєм, а також патрубки відводу очищеної води і шламу. Робота пристрою здійснюється в такий спосіб. Водонафтова суміш через патрубок входу суміші, що очищається, надходить усередину корпуса. Внаслідок того, що цей патрубок тангенціально розташований у порожнині суміші, яка очищається, ВНС закручується. Під дією відцентрових сил відбувається перерозподіл складових компонентів потоку. Компоненти, що мають меншу масову щільність, збираються в центральній частині корпусу, а інші спрямовуються на периферію. Зібрані у центральній частині в джгут компоненти за допомогою відвідного патрубка з захоплюючим пристроєм, виводяться з робочої камери гідроциклону, а вода йде на подальше очищення. Даний пристрій забезпечує зниження скручування у джгут дрібнодисперсних нафтови х частинок тому, що навіть при їхньому зіткненні, виникнення крапель, здатних гравітаційно осісти (спливти) з потоку, проблематично внаслідок явища пружного розсіювання. Крім того, нафтові частинки з підвищеною масовою щільністю (мазут та ін.), накопичуючись на периферії, практично не можуть бути відведені за допомогою захоплюючого пристрою. Останнє впливає на ефективність розділення в цілому. Найбільш близьким технічним рішенням до пристрою для відділення нафтопродуктів із ВНС, що заявляється, є пристрій для відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей за патентом України № 50326 А, опубл. 15.10.2002, бюл. № 10. Він містить вертикальний корпус, патрубок підведення водонафтової суміші, розташований у нижній частині корпусу, патрубок відводу нафтопродуктів, оснащений конічним захоплюючим пристроєм, патрубок підведення водонафтової суміші в корпусі, під яким встановлено перегородку з твердою порожнистою олеофільною коалесціюючою насадкою, що відокремлює порожнину мехдомішок від основної порожнини, при цьому перегородку виконано з центральним і периферійними отворами, а насадку розміщено на перегородці співвісно корпусу і з зазором щодо нього. Крім того, зовнішню поверхню коалесціюючої насадки виконано конічною з гвинтовими східцями, при цьому нижню сходинку кручених сходів розміщено напроти патрубка підведення водонафтової суміші. У даному пристрої не враховуються суттєві особливості, притаманні процесу розділення рідин у відцентрових розподілювачах. По-перше, це відсутність у нього спроможності до зменшення рівня гідратації відокремлюваної фази і, відповідно, зниження величини ПЕШ, який вагомо впливає на збільшення часу, потрібного на коалесценцію. По-друге, явище, яке супроводжує коалесценцію рідин, при реалізації останньої, а саме - ступінчастість, що приводить до зміни дисперсного складу ВНС, яка розділяється у пристрої, відбувається убік збільшення кількості дрібнодисперсних НЧ. У момент розриву тонкої плівки рідини, що розділяє НЧ і поверхню іншої рідини (плівки нафтопродукту, яка утворилася на олеофільній коалесціюючій вставці), виникає ударна хвиля, котра поширюється в напрямку до коалесціюючої поверхні НЧ. Остання, втікаючи в розрив, що утворюється при цьому, деформується і під впливом виниклих хвиль від неї відокремлюється вторинна крапля менших розмірів. Вона у свою чергу коалесціює з утворенням третинної краплі, і т.д. Спостерігається до восьми таких стадій коалесценції, за якими генеруються все більш дрібні краплі [Огнева Л.Г., Платиканов Д.Н., Шальт С.Я Исследование коалесценции и устойчивости капель воды на границе раздела углеводород-вода прямым наблюдениям углеводородной пленки. // Коллоидный журнал АН СССР. - 1984. - №3.]. Наявність таких крапель негативно впливає на якість процесу сепарації взагалі у бік істотного зниження очисної здатності пристрою, оскільки їх вилучення з потоку ВНС за рахунок умов, що створюються пристроєм, практично неможливо. Однак, незважаючи на зазначені недоліки, описаний пристрій прийнято як прототип через те, що ні в якому іншому відомому пристрої не використовується порожниста насадка, у якої зовнішню поверхню виконано конічною з крученими сходами, при цьому нижню сходинку кручених сходів розміщено напроти патрубка підведення водонафтової суміші. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення пристрою для відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, у якому удосконалення конструкції вузла підведення суміші забезпечує більш ефективне відділення нафтопродуктів із суміші і за рахунок цього підвищується якість очищеної води. Поставлена задача вирішується тим, що пристрій для реалізації способу відділення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, який містить вертикальний корпус, патрубок підведення водонафтової суміші, розташований у нижній частині корпусу, патрубок відводу нафтопродуктів, оснащений конічним захоплюючим пристроєм, перегородку, встановлену під патрубком підведення водонафтової суміші з порожнистою насадкою, що відокремлює порожнину мехдомішок від основної порожнини, у якої зовнішню поверхню насадки виконано конічною з крученими сходами, а нижню сходинку кручених сходів розміщено напроти патрубка підведення нафтоводяної суміші, згідно з винаходом поверхню порожнистої насадки постачено деемульгуючою речовиною. За рахунок постачання деемульгуючої речовини поверхні надаються властивості, які сприяють зменшенню рівня гідратації відокремлюваної фази і, відповідно, зниження величини ПЕШ у дисперсійному шарі води, прилеглому до цієї поверхні, а також впливу яви ща східчастості на процес коалесценції НЧ, тобто надають поверхні деемульгуючи х властивостей. Східчаста коалесценція переходить в одностадійну, коли відношення в'язкостей обох контактуючих речовин значно відрізняється від одиниці [Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. - М.: Недра, 1987. - C. 154], наприклад, здійснюється контакт рідини із твердою поверхнею. Отже, необхідно зменшити величину адгезії нафтової плівки до контактуючої з НЧ поверхні для звільнення її від шар у нафтопродуктів, а це можливо лише за умов, якщо поверхня буде володіти гідрофільними властивостями. НЧ, що складаються з неполярних вугле водів, мають більш низький поверхневий натяг, чим полярна вода, тому практично будь-яку тверду поверхню вони будуть змочувати краще. Контактуючи з поверхнею насадки, НЧ будуть утворювати на ній плівку, яка у міру накопичення нафтопродуктів за рахунок гідрофільності поверхні прагне згорнутися у велику краплю, що під дією потоку відривається від насадки і виділяється з ВНС. Одночасно на поверхню насадки, що звільнилася від нафтової плівки, при наближенні до неї НЧ діє струм води, якій вимиває з неї неіонні деемульгатори, утворюючі електроліт у дисперсійному шарі води, що дозволяє стиснути ПЕШ, який виникає між НЧ та поверхнею контакту. Таке удосконалення конструкції пристрою прототипу дозволяє за рахунок організації оптимальних умов коалесценції НЧ досягти підвищення рівня відділення нафтопродуктів з нафтоводяних сумішей. Виходячи з наведеного можна зробити висновок, що розміщення в центральній частині пристрою, що заявляється, який вміщує вертикальний корпус, патрубок підведення нафтоводяної суміші, розташований в нижній частині корпуса, патрубок відводу нафтопродуктів, оснащений конічним захоплюючим пристроєм, твердої гідрофільної поверхні, модифікованої неіонними деемульгаторами, сприяє організації оптимальних умов для виділення дрібнодисперсних фракцій нафтопродуктів з потоку і запобіганню їх генеруванню. Розглянуті вище ознаки, такі як установка в корпусі гідроциклону під патрубком підведення нафтоводяної суміші гідрофільної коалесціюючої направної насадки, поверхня якої модифікована неіонними деемульгаторами, у відомій літературі не зустрічалися. Зазначені ознаки є істотними, тому що в сукупності дозволяють підвищити ефективність розділу ВНС в порівнянні з прототипом на 15...20%. На кресленні (див. Фіг.) представлено схему пристрою для реалізації способу відділення нафтопродуктів з водонафтової суміші, що заявляється, який містить вертикальний корпус 1, патрубок 2 підведення водонафтової суміші, патрубок 3 відводу нафтопродуктів, оснащений конічним захоплюючим пристроєм 4, перегородку 5 з центральним 6 і периферійними 7 отворами, що відокремлює порожнину мехдомішок 8 від основної робочої порожнини 9, на якій розміщено коалесціюючу насадку 10, осьовий отвір 11 якої збігається з осьовим отвором 6 перегородки 5 і утворює зазор з корпусом 1. У верхній частині корпуса розміщено патрубок 12 відводу очищеної води, патрубок 13 відводу нафтопродуктів, а в нижній частині корпуса 1 - патрубок 14 відводу мехдомішок. Конструктивно гідрофільна поверхня може бути реалізована у вигляді порожнистої насадки з гідрофільного матеріалу, наприклад, скла, пресованого шлаку металургійних виробництв, тощо, або за рахунок нанесення відповідного покриття, наприклад, окисленого вуглецю, модифікованого дісолваном 4411. Технічне виконання коалесціюючої насадки з модифікованою за винаходом поверхнею доступно практично будь-якому підприємству. Запропонований пристрій для відділення нафтопродуктів з ВНС у якому реалізується спосіб, що заявляється, працює так. Суміш води і нафтопродуктів за допомогою патрубка 2 надходить у циліндричний корпус 1 у нижній частині, далі - на нижню сходинку кручених сходів коалесціюючої насадки 10. При русі суміші по гвинтовій поверхні цієї насадки 10 відбувається закручування потоку. Під дією відцентрових сил відбувається перерозподіл складових компонентів потоку. Компоненти, що мають меншу масову щільність (в основному легкі сорти нафтопродуктів), збираються в центральній частині корпуса, а інші (вода, важкі сорти нафтопродуктів, наприклад, мазути і т. ін.) спрямовуються на периферію. Зібрані в центральній частині нафтові крапельки частково коалесціюють між собою, утворюють нафтовий джгут, а частково (дрібнодисперсні фракції) взаємодіють з коалесціюючою насадкою 10, укрупнюються на ній і теж потрапляють в об'єм джгута, що під дією сил гравітації спливає в нафтовідводний патрубок 3. На конічній частині порожнистої насадки 10, що сприяє орієнтуванню напрямку руху потоку і являє розвинену поверхню насадки, модифіковану неіонним деемульгатором, наприклад, дісолваном 4411, що активізує укрупнення НЧ на поверхні контакту за рахунок стиснення ПЕШ, виникаючого між НЧ та поверхнею насадки, шляхом зменшення кількості іонів в їхньому дисперсійному шарі, оскільки за відсутністю іонів зникають дифузійні електричні шари, зменшується відшто вхувальний "розклинюючий" тиск, збільшується швидкість контакту, а це сприяє укрупненню до 15...20% нафтопродуктів. Ті краплі нафтопродуктів, що знаходяться поза нафтовим джгутом, який утворився в центральній частині корпуса 1, уло влюються захоплюючим пристроєм 4. Нафтові частинки важких фракцій зі щільністю більш 1,0...1,1кг/м 3 групуються на периферії, осаджуються через отвори 7 перегородки 5 у порожнину мехдомішок 8, що відокремлює порожнину мехдомішок 8 від основної робочої порожнини і на якій розміщено коалесціюючу насадку 10, накопичуються в ній і за рахунок спрямованого струму суміші через насадку 10, через її осьовий отвір 11 і центральний отвір 6 перегородки 7, потрапляють в основну робочу порожнину 9 пристрою, відкіля за допомогою патрубка 12 спрямовуються на подальшу обробку: мехдомішки через патрубок 14, а нафтопродукти через патрубок 13 - за межі пристрою. Переваги пропонованого пристрою у порівнянні з прототипом полягають у забезпеченні можливості видалення дрібнодисперсних частинок і важких фракцій нафтопродуктів за допомогою встановлення коалесціюючої насадки зазначеного типу з модифікованою поверхнею, за рахунок поліпшення організації відділення нафтопродукту. Це дає можливість поліпшити очисну здатність існуючих сепараторів ВНС на 15...20%.