Гідроциклон для видалення нафтопродуктів з водонафтових сумішей

Гідроциклон для видалення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, який включає вертикальний корпус, встановлений на розподільній камері суміші, що очищається, у якій розташовано вхідний спрямовуючий апарат першого ступеня, нафтовідвідний пристрій, розміщений усередині корпусу, шламозбірник, розташований під камерою суміші, що очищається, патрубки підведення і відведення рідини, розподільний екран, закріплений у C2 2 (19) 1 3 Найбільш близьким за кількістю загальних ознак є двоступінчастий гідроциклон [Патент України № 41394, В 04 С 5/12, 2001], що включає корпус, встановлений на камері суміші, котра очищається, у якій розташовано вхідний спрямовуючий апарат, нафтовідводний пристрій, розміщений усередині корпуса, розподільний екран, закріплений у верхній частині корпуса, шламозбірник, встановлений під камерою суміші, що очищається, патрубки підведення і відведення рідини, постачений спрямовуючим апаратом другої ступені, закріпленим на розподільному екрані, при цьому останній по крайці центрального отвору з'єднаний з нафовідводним пристроєм, а по зовнішній крайці - з кожухом гідроциклону, встановленим на шламозбірнику й утворюючим із зовнішньою поверхнею корпуса гідроциклону робочу камеру другої ступені очищення, а з поверхнею розподільного екрану - порожнину нафтозбірника, причому остання за допомогою отворів, виконаних в елементах спрямовуючого апарату розподільного екрану, сполучена з робочою камерою другої ступені, котра у свою чергу сполучена зі шламозбірником за допомогою каналів. Друга ступень гідроциклону є високошвидкісною, тому спрямовуючий апарат, закріплений на розподільному екрані, служить для створення обертального руху потоку ВНС, що виходить з першої ступені очищення гідроциклону. Верхній край корпуса гідроциклону виконано перфорованим і відігнутим назовні. При цьому об'єм, обмежений відігнутою крайкою і зовнішньою поверхнею корпуса гідроциклону, представляє собою ємність для збору НЧ, що відокремилися в другій ступені очищення. Зовнішні поверхні робочої камери першої ступені гідроциклону і кожуха, котрі обмежують робочу камеру другої ступені очищення, виконано конічними, звуженими догори. Видалення компонентів, які відокремлюються з води, здійснюється: важких частинок шламу вниз по стінці більшого діаметру, а НП нагору по стінці меншого діаметру. Порожнини другої ступені очищення і шламозборника з'єднані за допомогою отворів у шламозбірнику і щілинного каналу, утвореного кожухом і бічною стінкою камери суміші, що очищається. Таким чином гідроциклон для очищення ВНС за патентом України № 41394, В 04 С 5/12, 2001 прийнято як прототип. У якості недоліку слід зауважити, що розглянутий гідроциклон не забезпечує ефективного очищення від дрібнодисперсних НЧ, оскільки в ньому не забезпечено сталості кутової швидкості ВНС у робочих камерах по висоті, тобто під час її руху у робочих камерах швидкість зменшується, відповідно зменшується і величина діючих на НЧ масових сил, за яких відбувається поділ ВНС. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення конструкції гідроциклону для видалення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, у якому шляхом запровадження оптимальних розмірів робочих камер розподільних ступеней забезпечується сталість кутової швидкості суміші, що очищається, по висоті, і таким чином досягається підвищення ефективності роботи гідроциклону. 88081 4 Поставлена задача вирішується тим, що у гідроциклоні для видалення НП з ВНС, який включає вертикальний корпус, встановлений на розподільній камері суміші, що очищається, у якій розташовано вхідний спрямовуючий апарат першої ступені, нафтовідводний пристрій, розміщений усередині корпусу, шламозбірник, розташований під камерою суміші, що очищається, патрубки підведення і відводу рідини, розподільний екран, закріплений у верхній частині корпусу і постачений спрямовуючим апаратом другої ступені, який по крайці центрального отвору з'єднаний з нафтовідводним пристроєм, а по зовнішній крайці - з кожухом гідроциклону, встановленим на шламозбірнику та утворюючим із зовнішньою поверхнею корпуса гідроциклону робочу камеру другої ступені очищення, а з поверхнею розподільного екрану порожнину нафтозбірника, причому остання за допомогою отворів, виконаних в елементах спрямовуючого апарата на розподільному екрані, сполучена з робочою камерою другої ступені, котра у свою чергу сполучена зі шламозбірником за допомогою отворів у ньому та щілинного каналу, утвореного кожухом і бічною стінкою робочої камери першої ступені, при цьому верхній край корпуса гідроциклону виконано перфорованим і відігнутим назовні, а зовнішня поверхня робочої камери першої ступені гідроциклону, і кожух, що утворюють стінки робочої камери другої ступені очищення, виконані конічними, звуженими догори, за пропозицією об'єм робочої камери першої ступені по висоті складено з трьох зрізаних конусів, причому співвідношення меншого діаметра конусу до більшого становить у середньому - 0,8 для нижнього конусу висотою 0,5h, проміжного - 0,9 висотою 0,2h та верхнього - 0,85 висотою 0,3h, де h - висота робочої камери гідроциклону. Пропонується удосконалення конструкції гідроциклону шляхом визначення оптимальних розмірів робочих камер розподільних ступеней, що забезпечують сталість кутової швидкості суміші, котра очищається, по висоті, з метою досягнення необхідної якості очищення ВНС. Виконання робочої камери у вигляді трьох зрізаних конусів обґрунтовано наступним. За рахунок того, що об'єм робочої камери по висоті складений з трьох зрізаних конусів у ньому тричі відбувається корекція швидкісних характеристик потоку ВНС. При русі в першому зрізаному конусі - від нижньої основи робочої камери першої ступені ГЦ до нижнього перетину сітки нафтозахоплюючого пристрою - за рахунок його геометричних характеристик забезпечена сталість швидкісних параметрів ВНС у діапазоні 1...2м/с. В об'ємі робочої камери першої ступені ГЦ, обмеженому по висоті нижніми перетинами сітки нафтозахоплюючого пристрою та патрубка відводу НП, сконцентрований нафтопродукт завдяки меншій щільності в порівнянні з водою, за рахунок додаткової дії сил гравітації має переваги в надходженні в патрубок його відводу. Відповідно швидкість руху водної складової ВНС гальмується. Недопущення зниження швидкості ВНС в даному об'ємі забезпечено також відповідними конструктивними характеристиками проміжного по висоті ГЦ зрізаного конусу. І на останок, в 5 об'ємі верхнього зрізаного конусу - від нижнього по висоті ГЦ перетину патрубка виводу НП до входу у спрямовуючий апарат другої ступені - відбувається подальше корегування швидкісного режиму плину ВНС. Це забезпечує ефективний розподіл ВНС на наступній ступені за рахунок підвищення її кутової швидкості до величини, необхідної для видалення НЧ з меншою середньою крупністю без їхнього дроблення. Оскільки потік рідини надходить у першу ступень гідроциклону з дотичною складовою швидкості, то під впливом відцентрових сил відбувається переміщення крапель НП до його осі. Нафтові частинки концентруються поблизу осі і видаляються через патрубок, розташований у верхній частині на осі, а через спрямовуючий апарат другої ступені попередньо очищена ВНС подається на подальшу обробку. Представимо потік рідини у вигляді гвинтового плину з кутовою швидкістю ' W , що залежить від відстані до нижньої основи робочої камери. Складова швидкості W уздовж осі z гідроциклону також змінюється зі зміною цієї відстані через зміну площі поперечного перетину його робочої камери. Будемо вважати, що розглянута робоча камера гідроциклону представляє осесиметричне тіло з радіусом поперечного перетину, котрий залежить від її висоти (Фіг.3). Припустимо, що W постійна за поперечним перетином, крім приграничного шару біля стінки, і товщина цього шару мала в порівнянні з радіусом, а в поперечному перетині ВНС обертається навколо осі з кутовою швидкістю W, крім приграничного шару біля стінки. Товщина цього шару в порівнянні з радіусом робочої камери досить мала, постійна уздовж усієї поверхні стінки і дорівнює d. Введемо циліндричну систему координат х, z, j. Вісь oz спрямуємо уздовж осі гідроциклону, а вісь ох - уздовж його радіуса. Відстань від осі до бічної стінки робочої порожнини гідроциклону інтерпретуємо, як деяку залежність R(z). Якщо об'ємна витрата рідини дорівнює Q, то, визнаючи, що товщина приграничного шару мала, Q і W(z) будуть пов'язані наступною залежністю: W (z )pR 2 ( z ) = Q. Звідси визначимо залежність компоненти швидкості W. Покладемо, що у вхідному перетині робочої порожнини гідроциклону кутова швидкість дорівнює W0. Для встановлення залежності кутової швидкості від місця знаходження перетину на осі z, виділимо на висоті z горизонтальний шар товщиною Dz. Розглянемо сталий режим плину, у цьому випадку момент імпульсу цього шару залишається незмінним. Отже, кількість моменту імпульсу, що надходить за час Dt через нижній розріз за винятком того, що виноситься через верхній розріз, компенсує момент сил тертя на бічній стінці, помножений на інтервал часу Dt, тобто: R1 R2 0 0 ò W (z )r2pxW(z)x × xDtdx - ò W (z + Dz )r2pW(z + Dz )x × xDtdt = Fтр ×RDt, (1) де R » R1, якщо вважати величину Dz малою в порівнянні з R1. Силу тертя визначимо виходячи з відомої товщини приграничного шару d, за умови, що градієнт доти 88081 6 чної швидкості поблизу границі дорівнює WR/d, отже: WR Fтр = m 2pRDl, d де m - коефіцієнт динамічної в'язкості рідини, Па.с; DІ - довжина ділянки уздовж стінки для шару висотою Dz, м; r- щільність рідини, кг/м3. Для DІ можна записати: 2 æ dR ö Dl = Dz2 + DR2 = 1 + ç ÷ × Dz è dz ø Підставимо ці вираження в (1) і другий інтеграл в ньому перетворимо на два з інтервалами від 0 до R1 і від R1 до R2, тоді з урахуванням, що WpR2 =Q =const, отримаємо: rR2Q dW W dR æ dR ö - 2WRQ W = m 2pR3 1 + ç ÷ d 2 dz dz è dz ø 2 аб0 dW dR 2 4 dz = - dz - 4pn R 1 + æ dR ö , ç ÷ W dQ R è dz ø де n = m коефіцієнт кінематичної в'язкості рідини, r м2/с. Оскільки концентрація частини НП у ВНС досить мала, тому що досліджувана ВНС належить до сильно розведених водонафтових емульсій, то в'язкість і щільність ВНС для розрахунків можна (у попередньому наближенні) вважати рівними в'язкості і щільності води. Для простоти аналізу розглянемо випадок, коли R залежить від z лінійно, тобто R=Ro+az , де a - деякий коефіцієнт, тоді: dW dz = - 4a - 4pn (R + az ) 1 + a 2 , 0 W (R + dz ) dQ ln W = -4 ln(R0 + az ) W= 4 W0R0 (R0 + az) 4 e æ 4pn az 2 ö ÷+C 1 + a 2 ç R0 z + ç dQ 2 ÷ è ø 4 pn 1+ a 2 ( R 0 z + dQ az 2 2 . Зокрема, якщо радіус не змінюється, тобто a=0, то W зменшується з висотою за законом: 4 pn dQ R W = W 0e 0z Визначимо умову зміни R від z у деякому перетині гідроциклону для того, щоб забезпечити dW повинна бути сталість W . Для цього похідна dz ³0, з урахуванням, що для малої зміни z залежність R від z можна вважати лінійною, умова запишеться як: 4a 4 pn R 1 + a 2 ³ 0, R dQ a R 2 + pn 1 + a 2 £ 0, dQ a 1+ a 2 £ pn R2 dQ 7 Оскільки a повинно бути негативним Þ для a можна записати 2 æ pnR2 ö ÷ , якщо a £ 0 то ³ç 1 + IaI 2 ç dQ ÷ è ø I aI 2 æ p2n 2R4 ö p2d2R4 ÷³ a 2 ç1 , ç d2R2 ÷ d2Q2 è ø то a£ pnR2 2 d Q 2 1 × 1 p2n 2R 4 d2Q2 Звідси бачимо, що зростання W забезпечується при: pnR2 dQ á1, або Rá . dQ pn dQ . pn Якщо радіус R³Rкр то величина W буде зменшуватися із зростанням z. Якщо R