Спосіб очищення води від рідких нафтопродуктів та пристрій для його реалізації (варіанти)

Изобретение относится к машиностроению и предназначено для очистки нефтесодержащих вод промышленных предприятий, очистных станций, а также судовых льяльных и балластных вод. Наиболее близким к предлагаемому является способ очистки нефтесодержащей воды, реализованный в сепараторе[1], включающий подогрев очищаемой воды и ее фильтрацию через гранулы олеофильного материала с последующим отстоем в поле гравитационных сил. Наиболее близким к предлагаемому является напорный сепаратор [2], содержащий корпус, с размещенным в нем подогревателем, фильтрующим гранулированным наполнителем, верхним и нижним гравитационным отстойниками, штуцер подвода очищаемой воды, патрубки вывода нефтепродуктов, патрубок вывода очищенной воды. Гидродинамика данного способа не обеспечивает достаточной глубины извлечения из объема очищаемой воды диспергированных нефтепродуктов, позволяющей решить проблему охраны окружающей среды в условиях увеличения объема сброса в водные акватории стоков промышленных предприятий, а также судовых льяльных и балластных вод. В данном устройстве размещение подогревателя с горизонтально расположенными поверхностями теплообмена в верхней части корпуса над фильтрующим наполнителем приводит к развитию конвективно-вихревых токов, что снижает эффект совокупного осаждения (всплытия), а следовательно исключает глубокое извлечение диспергированных нефтепродуктов, дополнительно к этому, низкий ресурс фильтрующего наполнителя не обеспечивает стабильной во времени очистки. Конструктивные особенности устройства не исключают возможности вторичного эмульгирования отсепарированных нефтепродуктов в нижних пороговых каналах фильтрующего наполнителя, что приводит к повышению гидравлического сопротивления и снижает очистную способность устройства. В основу изобретения поставлена задача в способе очистки воды от жидких нефтепродуктов путем организации гидродинамического режима течения очищаемой воды и корректировки физикохимических свойств диспергированной среды при очистке в присутствии синтетических, природных поверхностно-активных веществ и дезактиваторов, обеспечить увеличение глубины извлечения диспергированных нефтепродуктов. В основу изобретения также поставлена задача в устройстве для очистки воды от жидких нефтепродуктов путем повышения очистной способности, обеспечить стабильную во времени очистку без необходимости периодической замены фильтрующего материала и со снижением энергозатрат на единицу объема очищаемой воды. Сущность изобретения заключается в том, что в способе очистки воды от нефтепродуктов, включающем подогрев очищаемой воды и ее фильтрацию через гранулы олеофильного материала с последующим отстоем в поле гравитационных сил, подогрев осуществляют в поле центробежных сил с постоянным температурным градиентом в режиме противотока при движении воды снизу - вверх между витками вертикального змеевикового пароводяного подогревателя, размещенного в кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней обечайками корпуса, а фильтрацию производят в направлении сверху-вниз в жестко ламинизированном режиме течения доочищаемой воды через первые каналы между отдельными гранулами фильтрующего материала, представляющего собой термически закаленные стеклянные шарики, с одновременным отводом тепла к исходной нефтесодержащей воде. В присутствии поверхностно-активных, например синтетических, веществ или дезактиваторов в очищаемую воду дозируют коагулянт, например сернокислый алюминий. Сущность изобретения состоит также в том, что в устройстве для очистки воды от жидких нефтепродуктов по первому варианту, содержащем корпус, с размещенными в нем подогревателем, фильтрующим гранулированным наполнителем, верхним и нижним гравитационным отстойниками, штуцер подвода очищаемой воды, патрубки вывода нефтепродуктов, патрубок вывода очищаемой воды, отличающееся тем, что подогреватель выполнен в виде пароводяного змеевика с верхним штуцером подвода теплоносителя и нижним штуцером отвода конденсата и размещен вертикально в кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней обечайками корпуса, в нижней части фильтрующего наполнителя из термически закаленных стеклянных шариков, заполняющего объем внутренней обечайки корпуса между верхней и нижней сетчатыми кассетами до уровня, соответствующего 0,8 высоты внутренней обечайки, вертикально установлен змеевиковый подогреватель-охладитель с нижним штуцером подачи очищаемой воды и верхним штуцером ее ввода в кольцевой зазор между наружной и внутренней обечайками корпуса, при этом к патрубку вывода очищаемой воды подсоединены штуцер подвода продувного воздуха и штуцер промывочной воды. В устройстве по второму варианту, содержащем корпус с размещенными в нем подогревателем, фильтрующим гранулированным наполнителем, верхним и нижним гравитационными отстойниками, штуцер подвода очищаемой воды, патрубки ввода нефтепродуктов, патрубок вывода нефтепродуктов, патрубок очищенной воды, подогреватель выполнен в виде пароводяного змеевика с верхним штуцером подвода теплоносителя и нижним штуцером отвода конденсата и размещен вертикально в кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней обечайками корпуса, а в нижней части фильтрующего наполнителя из термически закаленных стеклянных шариков, заполняющего объем внутренней обечайки корпуса, между верхней и нижней сетчатыми, кассетами, до уровня, соответствующего 0,8 высоты внутренней обечайки, вертикально установлен змеевиковый подогреватель-охладитель с нижним штуцером подачи очищаемой воды и верхним штуцером ее ввода в кольцевой зазор между наружной и внутренней обечайками корпуса, при этом нижняя сетчатая кассета выполнена двухсекционной и заполнена олеофильным фильтрующим наполнителем, гранулы которого имеют диаметр в 2 - 4 раза больший, чем диаметр гранул фильтрующего наполнителя, размещенного во внутренней обечайке корпуса, а к патрубку вывода очищенной воды подсоединены штуцер подвода продувочного воздуха и штуцер промывочной воды. В устройстве для очистки воды от жидких нефтепродуктов по третьему варианту, содержащем корпус, с размещенными в нем подогревателем, фильтрующим гранулированным наполнителем, верхним и нижним гравитационными отстойниками, штуцер подвода очищаемой воды, патрубки вывода нефтепродуктов, подогреватель выполнен в виде пароводяного змеевика с верхним штуцером подвода теплоносителя и нижним штуцером отвода конденсата и размещен вертикально в кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней обечайками корпуса, а фильтрующий наполнитель из термически закаленных стеклянных шариков, заполняет объем внутренней обечайки корпуса, ограниченный верхней и нижней сетчатыми кассетами, до уровня, соответствующего 0,8 высоты внутренней обечайки и в нижней части объема фильтрующего наполнителя на уровне расположения штуцера отвода конденсата пароводяного змеевикового подогревателя к внутренней обечайке корпуса по ее диаметру приварены радиальные ребра постоянного теплового сопротивления, при этом штуцер подвода очищаемой воды установлен непосредственно над уровнем расположения нижней сетчатой кассеты, а к патрубку вывода очищенной воды подсоединены штуцер продувочного воздуха и штуцер промывочной воды. Подогрев воды, осуществляемый в поле центробежных сил, при котором диспергированная среда (вода) оттесняется к наружной, а дисперсная среда (нефтепродукты) - к внутренней обечайкам кольцевого зазора в условиях противоточного теплообмена (теплоноситель подается сверху-вниз при движении очищаемой воды снизу ввер х по спирали между ви тками пароводяного змеевикового подогревателя), обеспечивает сохранение постоянного теплового сопротивления между греющей и нагреваемой средами и заданный температурный градиент по высоте, что позволяет исключать развитие в кольцевом зазоре конвективно-вихревых токов разделяемых сред и реализовать по высоте пароводяного змеевикового подогревателя эффект совокупного осаждения (всплытия), обеспечивающий увеличение глубины извлечения объема очищаемой воды диспергированных нефтепродуктов. Фильтрация, осуществляемая в направлении сверху-вниз при прохождении доочищаемой воды в строго ламинизированном режиме через поровые каналы между отдельными гранулами фильтрующего материала, представляющего собой термически закаленные стеклянные шарики, обладающие высокими олеофильными свойствами, обусловленными термическим перенапряжением поверхности, обеспечивает процессы ортокинетической коагуляции отдельных частиц нефтепродуктов, а также их коалесценцию с последующим выделением из объема доочищаемой воды под действием разности плотностей, Коалесценция нефтепродуктов на поверхности гранул фильтрующего материала, приводя к перекрытию поровых каналов, обеспечивает барботаж очищаемой воды через сами нефтепродукты в поровых каналах. Отвод тепла в процессе фильтрации к исходной очищаемой воде позволяя снизить температуру разделяемых сред, уменьшает возможность вторичного эмульгирования сгенерированных нефтепродуктов и снижает энергозатраты на единицу объема очищаемой воды. Во всех трех вариантах устройства для реализации способа очистки воды от жидких нефтепродуктов общим является то, что выполнение подогревателя в виде пароводяного змеевика с верхним штуцером подвода теплоносителя и нижним штуцером отвода конденсата и размещение его в кольцевом зазоре, образованном наружной и внутренней обечайками корпуса устройства обеспечивает постепенный нагрев очищаемой воды при ее движении по спирали снизу-вверх в поле центробежных сил (эффект гидроциклона) в условиях постоянного теплового сопротивления между греющими и нагреваемой средами с сохранением постоянного температурного градиента по высоте, что обеспечивает за счет повышения эффекта совокупного осаждения (всплытия) по высоте пароводяного змеевикового подогревателя увеличение глубины извлечения из объема очищаемой воды диспергированных нефтепродуктов. Использование в качестве фильтрующего наполнителя термически закаленных стеклянных шариков с высокими олеофильными свойствами, размещаемых в объеме внутренней обечайки корпуса до 0,8 ее высоты между верхней и нижней сетчатыми кассетами, позволяет обеспечить процессы ортокинетической коагуляции и коалесценции отдельных частиц нефтепродуктов и исключает необходимость периодической замены фильтрующего материала, обеспечивая стабильную во времени очистку и возможность периодической очистки наполнителя от механических взвесей продувкой его объема воздухом в направлении снизу-вверх с последующей доотмывкой чистой водой в том же направлении. Размещение в нижней части объема фильтрующего материала змеевикового подогревателя-охладителя (по первому и второму вариантам) или реальных ребер постоянного теплового сопротивления (по третьему варианту) позволяет за счет снижения температуры фильтрующей среды (нефть-вода) уменьшить вторичную эм ульгацию отсепарированных нефтепродуктов, как следствие уменьшить гидравлическое сопротивление и повысить очистную способность, а также снизить энергозатраты на подогрев исходной очищаемой воды. Во втором варианте устройства выполнение нижней сетчатой кассеты двухсекционной с заполнением ее олеофильным фильтрующим материалом, гранулы которого имеют диаметр в 2 4 раза большей, чем диаметр гранул фильтрующего наполнителя, размещенного во внутренний обечайке корпуса, позволяет в условиях качки исключить влияние наклона установки в любой плоскости на толщину слоя отсепарированных нефтепродуктов, через которые барботируется доочищаемая после фильтрации вода, что обеспечивает повышение очистной способности устройства. Заявляемые конструктивные особенности устройства в их совокупности обеспечивают во всех тре х вариантах выполнения минимальные масс-габаритные характеристики устройства в целом. Способ осуществляется следующим образом. Очищаемая вода, поступив в кольцевой зазор, образованный наружной и внутренней обечайками корпуса, прокачивается между витками парового змеевикового подогревателя. При движении очищаемой воды снизу вверх, теплоноситель передается в пароводяной змеевиковый подогреватель сверху-вниз. В результате постепенного подогрева очищаемой воды, осуществляемого в поле центробежных сил с сохранением постоянного теплового сопротивления между греющей и нагреваемыми средами с обеспечением заданного температурного градиента по высоте пароводяного змеевика, реализуется эффект совокупного осаждения (всплытия), при котором крупные частицы дисперсной фазы вместе с присоединенной массой диспергированной среды, увлекают мелкодисперсные частицы, повышают вероятность их столкновения с последующим взаимным слиянием до размеров, при которых возможно их выделение из объема воды под действием только разности плотностей разделяемых сред. Подогретая и предварительно отсепарированная от крупных частиц нефтепродуктов вода поступает в гравитационный отстойник, в объеме которого частицы нефтепродуктов коагулируют и выводятся по мере их накопления. Доочистка воды от мелкодисперсной фазы нефтепродуктов осуществляется в процессе ее фильтрации через поровые каналы между гранулами фильтрующего материала представляющего собой термически закаленные стеклянные шарики, обладающие наведенными олеофильными свойствами, обусловленными термическим перенапряжением их поверхности. При фильтрации через поровые каналы между гранулами наполнителя доочищаемой воды при скоростях, отвечающи х жестко ламинизированную режиму течения, дисперсные частицы нефтепродуктов, переходя в последовательно расположенные поры, притягиваются к поверхности гранул наполнителя, смачивают их, а затем растекаются по их поверхности с накоплением толщины пленки из самых нефтепродуктов. Перекрытие поровых каналов нефтепродуктами обеспечивает барботаж очищаемой воды через фильтрующий слой, представляющий собой естественно поддерживаемый композит: гранулы фильтрующего наполнителя - нефтепродукт. При превышении насыщенности поровых каналов избыточная масса нефтепродуктов за счет возрастания перепада давления потоком дисперсионной среды смывается с поверхности гранул в виде отдельных капель грушевидной формы, которые сливаясь между собой в процессе коалесценции выводятся из объема гранулированного наполнителя с последующим их выделением из объема доочищаемой воды в гравитационном отстойнике под действием сил Ар химеда (за счет разности плотностей разделяемых сред). Во избежание вторичной эмульгации уже отсепарированных нефтепродуктов фильтрацию осуществляют с отводом тепла от фильтруемой среды к исходной очищаемой воде. В присутствии синтетических, природных поверхностно-активных веществ или дезактиваторов для исключения эмульгации дисперсной фазы нефтепродуктов в объем исходной воды дозируют коагулянт в концентрации до 100мг/мл. На фиг.1 представлен общий вид устройства для очистки воды от жидких нефтепродуктов, первый вариант; на фиг.2 - то же, второй вариант; на фиг.3 - то же, третий вариант; на фиг.4 сечение А - А на фиг.3. Устройство по первому варианту (фиг.1) содержит корпус, имеющий наружную обечайку 1 и внутреннюю обечайку 2, образующие кольцевой зазор 3, в котором вертикально размещен пароводяной змеевиковый подогреватель 4, фильтрующий гранулированный наполнитель 5, размещенный в объеме внутренней обечайки 2 до 0,8 ее высоты между верхней сетчатой кассетой 6 и нижней сетчатой кассетой 7, штуцер 8 подвода теплоносителя, штуцер 9 отвода конденсата, штуцер 10 подвода очищаемой воды в змеевиковый подогреватель-охладитель 11, размещенный в нижней части объема гранулированного наполнителя 5, снабженный штуцером 12 ввода очищаемой воды в кольцевой зазор 3, патрубок 13 вывода нефтепродуктов из верхнего гравитационного отстойника 14, патрубок 15 вывода нефтепродуктов из нижнего гравитационного отстойника 16, патрубок 17 вывода очищенной воды. Очищаемая вода подается в штуцер 10 перекачивающим насосом 18, соединенным с насосом-дозатором 19 коагулянта. При этом к патрубку 17 подсоединены штуцера продувочного воздуха 20 и отмывочной воды 21. Устройство по второму варианту (фиг.2), содержит корпус, имеющий наружную обечайку 1 и внутреннюю обечайку 2, образующие кольцевой зазор 3, в котором размещен пароводяной змеевиковый подогреватель 4, фильтрующий наполнитель 5, размещенный в объеме внутренней обечайки 2 до 0,8 ее высоты между верхней сетчатой кассетой 6 и нижней двухсекционной сетчатой кассетой 7, штуцер 8 подвода теплоносителя, штуцер 9 отвода конденсата, штуцер 10 подвода очищаемой воды в змеевиковый подогреватель-охладитель 11, размещенный в нижней части объема фильтрующего наполнителя 5 и снабженный штуцером 12 ввода очищаемой воды в кольцевой зазор 8, патрубок 13 вывода нефтепродуктов из верхнего гравитационного отстойника 14, патрубок 15 вывода нефтепродуктов из нижнего гравитационного отстойника 16, патрубок 17 вывода очищенной воды. Очищаемая вода подается на штуцер 10 перекачивающим насосом 18соединенные с насосом-дозатором 19 коагулянта. Двухсекционная кассета 7 заполнена фильтрующим наполнителем 20, а к патрубку 17 вывода очищенной воды подсоединены штуцера продувающего воздуха 21 и отмывочной воды 22. Устройство по третьему варианту (фиг.3) содержит корпус, имеющий наружную обечайку 1 и внутреннюю обечайку 2, образующие кольцевой зазор 3, в котором вертикально размещен пароводяной змеевиковый подогреватель 4, фильтрующий гранулированный наполнитель 5, размещенный в объеме внутренней обечайки 2 до 0,8 ее высоты между верхней сетчатой кассетой 6 и нижней сетчатой кассетой 7, штуцер 8 подвода теплоносителя, штуцер 9 отвода конденсата, штуцер 10 подвода очищаемой воды, радиальные ребра 11 постоянного теплового сопротивления, патрубок 12 вывода нефтепродуктов из верхнего гравитационного отстойника 13, патрубок 14 вывода нефтепродуктов из нижнего гравитационного отстойника 15, патрубок 16 вывода очищенной воды. Очищаемая вода подается в штуцер 10 перекачивающим насосом 17, соединенным с насосом-дозатором 18 коагулянта, К патрубку 16 вывода очищенной воды подсоединен штуцер 19 продувочного воздуха и штуцер 20 отмывочной воды. Устройство по первому и второму вариантам работает следующим образом. Очищаемая вода насосом 18 через штуцер 10 подается на змеевиковый подогревательохладитель 11, расположенный в нижней части объема наполнителя 5, в котором предварительно подогревается за счет объема теплоты от доочищаемой воды, фильтруемой через наполнитель 5. Из змеевикового подогревателяохладителя 11 вода через патрубок 12 поступает в кольцевой зазор 3, образованный наружной обечайкой 1 и внутренней обечайкой 2 корпуса и прокачивается в направлении снизу-вверх, нагреватель в процессе движения по спирали между витками пароводяного змеевикового подогревателя 4. Подача теплоносителя в подогреватель 4 осуществляется сверху-вниз через верхний штуцер 8, а отвод конденсата производится через нижний штуцер 9. Подогретая и предварительно отсепарированная от крупных частиц нефтепродуктов вода поступает в вер хнюю часть корпуса устройства, являющуюся верхним гравитационным отстойником 14, в объеме которого укрепленные частицы нефтепродуктов, сливаются между собой, коагулируют и выводятся по мере их накопления через патрубок 13. Далее частично очищенная от нефтепродуктов вода через верхнюю сетчатую кассету 6 поступает в объем фильтрующего гранулированного наполнителя 5, где фильтруется через поровые каналы между отдельными гранулами в процессе жестко ламинизированного течения. Процесс фильтрации сопровождается отводом тепла от фильтруемой среда, что обеспечивается змеевиковым нагревателем-охладителем 11. После змеевикового подогревателяохладителя 11 уже разделенные вода и нефтепродукты проходят через нижнюю сетчатую кассету 7. Так как плотность нефтепродуктов меньше плотности воды, то последняя, освобождаясь от нефтепродуктов в процессе барботажа через слой отсепарированных нефтепродуктов, скапливающихся под нижней кассетой 7, поступает в нижний гравитационный отстойник 16 и выводится из него через патрубок 17. Избыток нефтепродуктов из нижнего гравитационного отстойника 16 выводится через патрубок 15. Устройство по третьему варианту работает следующим образом. Очищаемая вода насосом 17 через штуцер 10 подается в нижнюю часть кольцевого зазора 3 между наружной 1 и внутренней 2 обечайками, где предварительно подогревается за счет съема теплоты через радиальные ребра постоянного теплового сопротивления 11 от доочищаемой воды, фильтруемой через накопитель 5, и далее прокачивается в направлении снизу-вверх, нагреватель в процессе движения по спирали между витками пароводяного змеевикового подогревателя 4. Подача теплоносителя в змеевиковый подогреватель 4 осуществляется через верхний штуцер 8, а отвод конденсата -через нижний штуцер 9. Подогретая и предварительно отсепарированная от крупных частиц нефтепродуктов пода поступаете верхний гравитационный отстойник 13, в объеме которого укрупненные частицы нефтепродуктов коагулируют и, по мере их накопления, выводятся через патрубок 12. Частично очищенная от нефтепродуктов вода через верхнюю сетчатую кассету 6 поступает сверху-вниз в объем гранулированного наполнителя 5, при этом происходит ее фильтрация через поровые каналы между отдельными гранулами в процессе жестко лиминизированного течения. Во избежание вторичной эмульгации отсепарированных нефтепродуктов, отвод тепла от фильтрующей среды обеспечивают радиальные ребра 11 постоянного теплового сопротивления, расположенные в нижней части объема фильтрующего наполнителя 5. Освобождаясь от нефтепродуктов в процессе барботажа через слой отсепарированных нефтепродуктов, скапливающихся под нижней сетчатой кассетой 7, вода поступает в нижний гравитационный отстойник 16 и выводится из него через патрубок 16. Избыток нефтепродуктов из отстойника 15 выводится через патрубок 14. Изобретение обеспечивает остаточную концентрацию нефтепродуктов в очищенной воде менее 1,0млн -1 при допустимом значении до 15,0млн -1, что полностью соответствуе т требованиям МЕРС 60(33) ИМО по очистке воды в нефтеводяных сепарационных установках.