Фільтрувальний пристрій

1. Фільтрувальний пристрій, що містить вертикально встановлений корпус з розподільником потоку, розташованим у верхній частині корпусу, гранульованим завантаженням у вигляді іонообмінної смоли, поміщеної між утримуючими сітками, який відрізняється тим, що на поверхні гранул іоніту поміщено шар поліелектроліту. 2. Фільтрувальний пристрій за п. 1, який відрізняється тим, що як поліелектроліт використано флокулянт ВПК 402. (19) (21) a200512567 (22) 26.12.2005 (24) 10.08.2007 (46) 10.08.2007, Бюл. №12, 2007р. (72) Михайлюк Валерій Олександрович, Кулалаєва Наталя Валеріївна (73) НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ КОРАБЛЕБУДУВАННЯ ІМЕНІ АДМІРАЛА МАКАРОВА (56) UA 64336 A, 15.02.2004 SU 1209252 A, 07.02.1986 SU 1747125 A1, 15.07.1992 RU 472 U1, 16.06.1995 3 80056 з винахідом на поверхні гранул іоніту поміщено шар поліелектролггу. У якості останнього використано флокулянт поліелектроліт ВПК-402. Дія флокулянта визначається здатністю взаємодіяти з частинками фази, тому введення його зменшує електричний заряд, знижує агрегатну стійкість і сприяє зміцненню частинок фази на коалесцїюючому завантаженні (КЗ), підсилює ефективність дії завантаження в цілому. З безлічі матеріалів, що застосовуються для очищення води від нафтопродуктів, найбільше відповідають вимогам іоніти і, зокрема, сополімер полістиролу і дивінілбензолу (КУ-2-8) після визначеної обробки. Останнє складається в його модифікуванні флокулянтом поліелектролітом (ВПК402). Органічні синтетичні катюнпги найчастіше містять наступні іоногенні групи, здатні до обміну катіонів: сульфо- (-S03H), карбокси- (-СООН), оксифенільну- (-С6Н4ОН), фосфорнокислу- (-РО3Н2), сульфгідрильну- (-SH). [Набиванец Б.И., Мазуренко Е.А. Хроматографический анализ. - Киев. Вища школа . 1979. - 254с]. КУ-2-8 - гелевий катіоніт, який одержують сульфуванням гранульованого сополімеру стиролу і ДВБ. При набряканні іоніту його внутрішньомолекулярна структура практично не змінюється. Збільшення обсягу відбувається за рахунок розпрямлення і розсування полімерних ланцюгів. Слабка залежність ємності катіоніта КУ2-8 від рН рівноважного розчину свідчить про високий ступінь монофункціональності цього іоніту [Физическая химия дисперсных минералов / Под. ред. Ф.Д Овчаренка.- Киев, 1997.234с.]. Зміна розміру гранул іоніту за рахунок механічного здрібнювання практично не впливає на його ємність за Na+. Катіоніт КУ-2-8 відрізняється високою термічною і хімічною стійкістю. Він нерозчинний у більшості органічних розчинників, стійкий до дії концентрованих розчинів кислот і лугів, помірковано стійкий до дії окислювачів. Генеалогія КУ-2-8 як сополімеру стиролу свідчить про його високу поверхневу активність і коалесціюючі здатності, що характеризуються величиною крайового кута змочування Θ. Значення Θ використовуваних у сучасних те хнологіях виділення нафти з води перспективних гранулянтів, як і КУ-2-8, знаходяться в діапазоні 130... 170°. Аналіз динаміки процесу коалесценції свідчить, що останній проходить п'ять послідовних стадій, що включають: 1) наближення нафтової частинки (НЧ) до поверхні КЗ, що приводить до її деформації; 2) загасання коливань НЧ у поверхні; 3) утворення плівки дисперсійного середовища між НЧ і коалесціюючою поверхнею; 4) стоншення плівки дисперсійного середовища між НЧ і поверхнею КЗ, її розривання і видалення залишків плівки, тобто початок власне коалесценції; 5) перенос вмісту НЧ в об'ємну фазу, тобто злиття НЧ [Лутошкин ГС. Сбор и подготовка нефти, газа и воды. - М.: Недра, 1979.-319с]. При цьому відбувається перенос розчинених атомів від дрібнодисперсних зерен фази до більш великих - завантаження. Існування дифузійного потоку між зернами обумовлено різницею хімічних потенціалів, що встановлюється між поверхнями зерен відповідно до рівняння Гиббса-Томпеона, з якого випливає, 4 що хімічний потенціал плоскої поверхні розділу відрізняється від хімічного потенціалу скривленої поверхні розділу. Процес дифузії між зернами приводить до того, що дрібні зерна стають ще менше, а більш великі ростуть [Последние достижения в области жидкостной єкстракции /Под ред. К. Хансена. Пер. с англ. М., Химия, 1974.]. Варто помітити, що умови за яких відбувається 4 стадія є причиною наявності в коалесценції такої негативної властивості як ступінчастість. Необхідно також враховувати, що процес коалесценції емульгованої НЧ на поверхні завантажувального матеріалу має імовірнісний характер. У зв'язку з чим розрізняють три види наближення НЧ до поверхні матеріалу КЗ і наступної взаємодії з ним: перехоплення - пряме зіткнення НЧ із поверхнею КЗ, що приводить до злиття частинки з поверхнею матеріалу КЗ; пружне розсіювання, котре не супроводжується злиттям НЧ із матеріалом (плівкою на поверхні) КЗ; а також броунівська дифузія, при якій не відбувається ні зіткнення, ні злиття частинок з поверхнею КЗ. Таким чином, істотним є тільки пряме зіткнення частинки фази з поверхнею, тобто перехоплення. Механізм явища перехоплення, наприклад при виділенні дрібнодисперсних частинок нафтопродукту з водонафтової емульсії на полістирольному фільтруючому завантаженні, пояснюється розходженням у насиченості груп, а саме: частинки нафтопродукту мають один склад метиленових (-СН2-) і метильних (-СН3) груп, а КЗ (у якості якої використовувався полістирол) - інший, де зазначених груп присутнє набагато більше. У результаті цього виникає градієнт хімічного потенціалу, під дією якого НЧ або осаджується на КЗ або зливається з більш великою частинкою нафтопродукту, що вже знаходиться на поверхні КЗ, чи рухається в потоці [Михайлюк В.А. Влияние геометрии пористых матриц фильтроэлементов на их коалесцирующие свойства // Труды НКИ. Николаев, 1988. - 96с]. Саме явище перехоплення і характеризується ступінчастістю реалізації. При наближенні НЧ до поверхні між ними утвориться прошарок води, який все більш стоншується. Відповідно до теорії стійкості дисперсних систем ДЛФО, у тонких плоскопаралельних плівках рідини, що розділяють два тіла, виникає "розклинюючий тиск", що на додаток до гідростатичного тиску в шарі впливає на зближення обмежуючих його тіл [Роев Г. А., Юфин В.А. Очищение сточних вод и вторичное использование нефтепродуктов.М.:Недра, 1987.- 224с.]. Цей тиск має молекулярну й електростатичну природу. При досягненні критичної товщини плівки, яка залежить у першу чергу від швидкості руху НЧ, у результаті теплового руху молекул або інших збурювань сталість товщини плівки порушується, останнє може спричинити коалесценцію (реалізується явище "перехоплення" НЧ). Поняття "може" обумовлює можливість пружного розсіювання, коли коалесценції не відбувається. Вищенаведене буде мати місце, якщо при локальній зміні товщини плівки h збільшення сил притягання за значенням перевищує збільшення сил відштовхування, тобто: dpм /dh>dp3/dh + d(Dpл)/dh, 5 80056 де рм і рэ відповідно молекулярна й електростатична складові розклинюючого тиску; Dрл - локальний лапласовський перепад тиску в плівці, пов'язаний з тимчасовою її деформацією. В момент розриву тонкої плівки дисперсійного середовища, що розділяє НЧ і поверхню КЗ, виникає ударна хвиля, що поширюється в напрямку частинки фази, тому їхнє злиття сполучене з виникненням побічних ефектів, які негативно позначаються на якості очищення в цілому. Механізм дії даних ефектів такий: НЧ, втікаючи в розрив, що утворився, деформується з утворенням циліндричної шийки і під впливом виниклих хвиль від її відокремлюється вторинна (одна або декілька) частинка менших розмірів. Остання, у свою чергу, може коалесціювати з утворенням третинної частинки і т.д. Спостерігається до восьми таких ступіней коалесценції, на кожній з який послідовно генеруються дрібні частинки фази. Наступне виділення таких частинок із НВВ представляє серйозне утруднення, оскільки зі зменшенням їхніх розмірів збільшуються сили поверхневого натягу, що перешкоджають коалесценції. З вищевикладеного випливає, що в апаратах фільтрувапьно-коалесціюючого типу поряд з коалесценцією в процесі обробки, зберігаються частинки фази, що не піддаються коалесценції, дисперсної фази НВВ (результат пружного розсіювання і броунівської дифузії) і, крім того, є присутнім дроблення коалесціюючих частинок на більш дрібні. Таким чином, забезпечення глибокого очищення НВВ тільки за рахунок використання процесу коалесценції у фільтрувапьно-коалесціюючих роздільниках не уявляється можливим. Звідси для підвищення якості очищення НВВ необхідно додати матеріалу КЗ додаткові специфічні властивості. Останні будуть сприяти не тільки ефективній адгезії частинок фази з коалесціюючою поверхнею завантаження та нейтралізації явища ступінчастості коалесценції, але і зниженню імовірності прояву негативних ефектів, властиви х процесу коалесценції, що відповідно підвищить якість очищення НВВ. Підвищення ефективності процесу концентрування катіонними іонітами нафтопродуктів із НВВ може бути досягнуте шляхом стиснення подвійного електричного шару (ПЕШ), що виникає між твердою поверхнею контакту (катіонітом) і рідиннофазовою складовою. Одним з перспективних методів його реалізації є модифікування поверхонь гранулянтів поліелектролггами (флокулянтами) [ДП Украйни №64336А Способ отделения нефтепродуктов с водонефтяных смесей и устройство для его реализации / Н.В. Кулалаева. - Опубл. 16.02.2004. Бюл. №2]. До поліелектролітів відносяться полімери, молекули яких містять фупи з кислотними або основними властивостями: СООН; SO 2OH; -PO(OH)2 ; -NH; -NR2; -NR3OH; NHR2OH і ін. У залежності від характеру цих гр уп поліелектроліти являють собою сильні чи слабкі кислоти та основи або їхні солі. При дисоціації поліелектролітів утворюються високомолекулярні полівалентні і прості низьковалентні іони. За знаком заряду високомолекулярних іонів розрізняють аніонні та катіонні флокулянти, макроіони яких заряджені відповідно негативно і позитивно. При 6 кладами катіонного флокулянта є препарат ВПК402, аніонного - поліакриламід (ПАА). Флокулянти спричиняють агрегацію частинок дисперсної фази внаслідок хімічної взаємодії. Флокулянти, змінюючи властивості агрегатів частинок, що знаходяться у воді, впливають на процес фільтрування. Проведені різними авторами досліди [Вейцер Ю.И., Минц Д.М. Високомолекулярные флокулянты в процессах очищения природных и сточних вод. -2е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1984. - 200 с] показали, що флокулянти поліпшують первинний процес адгезії емульгованих частинок до гранул фільтруючого завантаження і дають фільтрат кращої якості. Однією з причин сприятливої дії високомолекулярних речовин (BMP) є зменшення сил, що перешкоджають адгезії емульгованих частинок на твердій поверхні: нейтралізація заряду при використанні катіонних BMP і посилення ліофільності завантаження в результаті адсорбції BMP на її зернах та емульгованій фазі агрегатів. Подібна зміна властивостей емульгованих частинок полегшує Тхній підхід і закріплення на гранулах фільтруючого завантаження шляхом інерції і зачеплення. Вивчення динаміки фільтрування на фільтрах великої висоти показало, що введення флокулянтів крім поліпшення якості фільтрату приводить до збільшення брудомісткості завантаження і часу захисної дії. Введення флокулянтів здійснювалося методом їхньої сорбції на поверхні КУ-2-8 з водяного сольового розчину. Для цього застосовували розчин флокулянта ВПК-402 з концентрацією 1%, виготовлений з 25% промислової емульсії (ТУ6-01-2-88 "СЗП AT "Каустик"). Сорбцію проводили в статичному режимі в термостаті відкритого типу "ELPAN-357я при 20±0,5°С, з механічним вібратором (частота 150 циклів у хв.), протягом 30хв. при рН = 3. Робочі концентрації ВПК-402 задавалися з урахуванням як іонізаційних властивостей поліелектроліту, так і кислотно основних характеристик іоногенних гр уп сополімеру полістиролу і дивініл бензолу. Зазначене дало можливість на 15...20% підвищити ефективність очищення НВВ. На рисунку представлений фільтрувальний пристрій у зборі, поперечний розріз. Фільтрувальний пристрій містить циліндричний корпус 1 з верхнім 2 і нижнім 3 основами, патрубками підведення 4,5 води і відводу води 6 і нафтопродуктів 7 відповідно. У корпусі 1 встановлено розподільник потоку 8, проміжні плити 9,10, постачені отворами 11з щілинними ковпачками 12, між якими розміщене завантаження 13. У верхній основі 2,утворюючої із сіткою 14 нафтозбірник 15, встановлена лійка 16. Фільтрувальний пристрій працює в такий спосіб. Оброблювана вода через патрубок 4 подається у верхню основу 2 корпусу 1 і через розподільний пристрій 8, отвори 11 у верхній проміжній плиті 9 та щілинні ковпачки 12 надходить на завантаження 13, де реалізується відділення нафтопродуктів за допомогою флокуляційно-коалесціюючого впливу на НВВ. При цьому відбувається хімічна взаємодія флокулянтів, адсорбованих на поверхні КЗ та емульгованих НЧ, яка призводить до стис 7 80056 нення ПЕШ між КЗ та НЧ, що полегшує їхній підхід та закріплення на гранулах КЗ. НЧ, укрупнилися, гравітаційно спливають у нафтозбірник 15, утворений верхньою основою 2 і сіткою 14, відкіля за допомогою лійки 16 і патрубка 7 виводяться за межі фільтрувального пристрою. Очищена вода, пройшовши через щілинні ковпачки 12 і отвори 11 у нижній проміжній плиті 10, за допомогою патрубка 6 виводиться з пристрою. За допомогою патрубків 5, 7 періодично здійснюється промивання фільтрувального пристрою зворотним струмом води. При наближенні дрібнодисперсних НЧ до сегментів поліелектроліту відбувається їхнє перехоплення останніми. Відповідно до теорії адсорбції полімерів [Полимерсодержащие дисперсные системи/ Баран А.А. - Киев: Наук. Думка, 1986.- 204с] макромолекули поліелектроліту на носії (гранулах іоніту) розташовуються у вигляді «петель» і окремих «хвостів». Присутність поліелектроліту в таких формах на поверхні носія (іоніту), розвиває цю Комп’ютерна в ерстка В. Клюкін 8 поверхню, при цьому руйнується гідратна оболонка на поверхні НЧ, компенсується заряд частинок дисперсної фази (НЧ), що сприяє стисненню ПЭШ. Використання пропонованого винаходу дозволить досягти за рахунок організації оптимальних умов коалесценції в перовому просторі КЗ значного підвищення очисної здатності пропонованого фільтрувального пристрою. Розглянуті ви ще ознаки, такі як розміщення на поверхні гранул іоніту шару поліелектроліту, у якості якого використано флокулянт ВПК-402, дозволяє підвищити інтенсивність процесів поділу у фільтрувальному пристрої, що заявляється, у відомій літературі не зустрічалися. Зазначені ознаки є істотними, тому що дозволяють на 15...20% підвищити ефективність очищення НВВ. Технічне виконання процесу нанесення електроліту на гранули іоніту доступне практично будьякому підприємству виготовлювачу іонітних завантажень для фільтрувальних пристроїв. Підписне Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601