Багатоступінчастий різношвидкісний гідроциклон

1. Багатоступінчастий різношвидкісний гідроциклон, що включає розташовані в загальному корпусі різношвидкісні ступені очищення, у якому перший ступінь виконано з окремих паралельно розташованих секцій, укладених у загальний корпус і оснащених розміщеними на бічних поверхнях верхніми та нижніми вікнами, котрі сполучають робочі порожнини гідроциклона відповідно з приймальною камерою суміші, що очищається, та C2 2 88185 1 3 v2 t . Rg Ця залежність з'єднує радіальну vp і тангенціальну ντ складові швидкості руху нафтової частинки (НЧ) на визначеному радіусі обертання Rg зі швидкістю осадження її voc в гравітаційному полі. З цієї залежності випливає, що чим більша тангенціальна швидкість потоку і чим менший радіус траєкторії руху НЧ, тим більша її радіальна швидкість, тобто швидкість відцентрового поділу. З вищенаведеного отримуємо, що для одноступінчастих гідроциклонів найбільш ефективною швидкістю відцентрового розподілу буде vp=3,0...4,5м/с. Але при цьому не враховується така властивість нафтопродуктів, як здатність їх до вторинного емульгування. Тому ефективність розподілу водонафтових сумішей у таких умовах дуже мала. Співпадаючими з пристроєм, що заявляється, ознаками є: гідроциклон з тангенціальним патрубком, що підводить ВНС, розташованим у нижній його частині, патрубки відводу нафтопродуктів й очищеної води. Даний пристрій не забезпечує видалення дрібнодисперсних НЧ через те, що обертальні швидкості ВНС, котрі створюються в ньому, знаходяться в межах 4-5м/с, спричиняють емульгування НЧ, тобто ВНС, що очищається, насичується дрібнодисперсними НЧ, внаслідок чого не забезпечується висока ступень її очищення. Відомо також про різношвидкісний двоступінчастий гідроциклон для очищення ВНС за патентом України №41394 (опубл. 17.09.2001, бюл. №8). В цьому пристрої ступені очищення розміщені на одному рівні в єдиному вертикальному корпусі, встановленому на приймальній камері суміші, що очищається, у якій розміщено вхідний спрямовуючий апарат. До складу гідроциклону також входять нафтовідвідний пристрій, шламозбірник, трубопроводи підведення і відводу рідини, розподільний екран, спрямовуючий апарат другого ступеня, конічний сітчастий захоплюючий пристрій. Перший ступінь - циліндричний гідроциклон, зовнішня поверхня корпусу якого виконана конічною, розміщений у кожусі також конічної форми із звуженням догори. Внутрішня поверхня кожуху і зовнішня поверхня корпуса першого ступеня утворюють кільцеву робочу порожнину другого ступеня очищення. Обидва ступені з'єднані між собою за допомогою розподільного екрану і вхідного спрямовуючого апарата другого ступеня, через які і здійснюється подача попередньо очищеної води на кінцеву обробку. Другий ступінь гідроциклону є високошвидкісним, тому спрямовуючий апарат, що закріплено на розподільчому екрані, призначено для створення відповідної швидкості обертального руху потоку ВНС в кільцевому щілинному каналі між кожухом і зовнішньою поверхнею корпуса першого ступеня. Підвищення ефективності розподілу компонентів суміші досягається тим, що спочатку в першому ступені забезпечується vp в межах 1...2м/с, при якій не відбувається емульгування крупних крапель НП, а на наступному ступені очищення збільшення швидкості до 4...5м/с дозволяє відділити дрібні краплі НП, що залишилися в суміші. Наявність захоплюючого конуса з металевої сітки також v p = v oc 88185 4 підвищує ефективність роботи гідроциклона за рахунок того, що краплі НП, потрапляючи на металеву сітку, коалесціюють на ній, захоплюються і спрямовуються у патрубок відводу НП. Однак цей пристрій також, поруч з перевагами над іншими відомими конструкціями, має обмеження витратної характеристики у межах 1...1,5м3/год. Крім цього, конструктивні особливості робочої порожнини другого ступеня несприятливі для видалення НП, оскільки напрямок руху ВНС, що очищається (униз), та НП, що видаляється (уверх) - протилежні, внаслідок чого частина НП захоплюється очищеною водою. Для стабільної роботи пристрою також важливе те, що робоча порожнина другого ступеня, котра має вигляд щілинної кільцевої камери, буде спричиняти суттєве гальмування потоку рідини внаслідок тертя о дві стінки - зовнішню і внутрішню. Найбільш близьким за сутністю і кількістю загальних ознак є багатоступінчастий різношвидкісний гідроциклон (БРГЦ) для відокремлення нафтопродуктів з ВНС за патентом України №77031 (опубл. 16.10.2006, бюл. №10) МПК7 В04С5/12, котрий прийнято як прототип. В цьому пристрої удосконалюється спосіб відділення нафтопродуктів з суміші за рахунок застосування швидкості відцентрового розподілу vp в межах 1-2м/с в першому ступені (при цьому не відбувається емульгації великих крапель НП), і підвищення швидкості до 4-5м/с в наступних ступенях, що дозволяє виділити з суміші дрібні краплі НП (15...25мкм). Суттєво, що другий ступінь розташовано над корпусом першого ступеня очищення і з'єднано з ним послідовно за допомогою спеціальної кришки з спрямовуючими каналами для переходу ВНС з першого ступеня в другий. Аналогічно кожен наступний ступінь також розташовується над корпусом попереднього. Розподіл компонентів суміші в ступенях очищення (як і в розглянутих вище прикладах) відбувається за рахунок створення її обертального руху, що призводить до виникнення відцентрових сил, які по-різному впливають на компоненти ВНС внаслідок різниці їх густини. Перший ступінь пристрою складається з 3...5 секцій, кожна з яких є окремим низькошвидкісним циліндричним гідроциклоном, об'єднаних у загальному корпусі. ВНС надходить з прийомної камери суміші, що очищається, до робочої порожнини кожної секції першого ступеня через нижні вікна в циліндрах секцій. Попередньо очищена вода через верхні вікна секцій поступає в камеру попередньо очищеної води, з якої далі спрямовується до другого ступеня очищення. Легка фракція НП уловлюється конічною сітчастою воронкою і через отвір у кришці секції поступає до нафтовідвідного пристрою. Другий ступінь очищення розташовано над корпусом першого ступеня і з'єднано з ним кришками. Попередньо очищена вода в другий ступінь потрапляє з камери попередньо очищеної води через спеціальні канали в нижній кришці корпуса другого ступеня, за допомогою яких здійснюється тангенціальне введення рідини в другий ступінь і збільшення швидкості обертального руху потоку. Це дозволяє відокремити в другому ступені нафтові частинки малого розміру, які неможливо було 5 виділити в першому ступені через незначний вплив на них відцентрових сил (внаслідок невеликої швидкості потоку). Використаний у якості прототипу силовий розподільник, поряд з очевидними перевагами, має обмеження величини робочого тиску на вході в гідроциклон в межах 1,0...1,5кПа. Збільшення робочого тиску на вході приведе до втрати стійкості та диспергування НЧ в потоці ВНС, оскільки не існує гідродинамічної подібності поводження розведених емульсій при різних характеристиках потоку, що суттєво знижує очисну здатність апарата. В свою чергу, обмеження тиску рідини на вході поруч з конструктивними особливостями цього пристрою (головне з яких - те, що напрям потоку рідини здійснюється вгору, з попереднього ступеня - в наступний, а загальна висота підйому рідини складається з сумарної висоти послідовних ступенів гідроциклону) призводить до суттєвих втрат напору в пристрої. Наслідком цього є порушення стабільності роботи наступних після першого ступенів БРГЦ і обмеження можливої їх кількості. В основу винаходу поставлено задачу удосконалення багатоступінчастого різношвидкісного гідроциклону, в якому зміна конструкцій першого та наступного (другого) ступенів дозволила оптимізувати процес розподілу, за рахунок чого досягається підвищення якості відокремлення нафти з ВНС. Поставлена задача вирішується тим, що у багатоступінчастому різношвидкісному гідроциклоні, котрий включає розташовані в загальному корпусі різношвидкісні ступені очищення, у якому перший ступінь виконано з окремих паралельно розташованих секцій, укладених у загальний корпус і постачених розміщеними на бічних поверхнях верхніми та нижніми вікнами, котрі сполучають робочі порожнини гідроциклона відповідно з камерою суміші, що очищається, та камерою попередньо очищеної води, при цьому у ступені передбачено відвід нафти у нафтозбірник, який об'єднує виходи нафтовідвідних пристроїв першого ступеня; загальний корпус встановлено на приймальній камері суміші, що очищається, усередині якої розміщений вхідний спрямовуючий апарат; шламозбірник, розташований під прийомною камерою суміші, що очищається, трубопроводи підведення і відводу рідини, а наступні ступені містять вхідний спрямовуючий апарат та корпус з нафтовідвідним пристроєм і трубопроводами відводу розділених фракцій, згідно з винаходом, наступні ступені розміщено у загальному корпусі на рівні або нижче секцій попереднього ступеня, при цьому камеру попередньо очищеної води з'єднано зі спрямовуючим пристроєм для подання попередньо очищеної води у наступний ступінь очистки. Камери очищеної води наступних ступенів розміщені в районі їх верхніх вікон, а нафтовідвідні пристрої виконано у вигляді отворів у кришках їх корпусів. Кількість ступенів гідроциклона може бути більше двох. Повні втрати тиску у пристрої, що взято за прототип, для кожного окремого ступеня складаються з: 88185 6 - втрат тиску на тертя рідини на стінках циліндричної частини; - місцевих втрат: на вході (при розширенні каналу), при зміні напряму потоку (в даному випадку поворот потоку відбувається двічі) і на виході (звуження потоку); - оскільки потік рідини в циліндричній частині здійснюється у вертикальному напрямку (знизу вверх), то ще додаються втрати тиску на подолання гідростатичного тиску стовпа рідини - рgН, де Η - висота циліндричної частини гідроциклону. Відмітимо, що в загальному випадку ця величина може бути зі знаком "+", якщо потік має напрям вгору, і зі знаком "-", якщо він має напрям вниз; - втрат тиску з рідиною при видаленні нафтопродукту і шламу. Оцінимо величину втрат тиску на першому ступені гідроциклону, який складається з чотирьох окремих секцій - ΔΡІ ГЦ: ΔΡІ ГЦ=4(ΔΡтр/місц.+ΔΡг/ст.+ΔΡзл.), кПа, де ΔΡтр/місц.+ΔΡг/ст.+ΔΡзл., кПа - втрати тиску на одній секції. Для розрахунків використаємо вихідні дані експериментального гідроциклону, створеного в НУК за патентом України №77031 (опубл. 16.10.2006, бюл. №10): D=0,055м; dвх=0,017м; dвих=0,017м; Н=0,5м; Р0=2кПа; Q0=6м3/год. ΔΡтр/місц.=16Q02(10,33·2g·36002p2)-1(ξвхD-4+ξповD4 +lфΗD-5+0,752ξповdвих-4+0,752ξвихdвих-4), кПа (Поздеев В.В. Эффективность разделения судовых нефтесодержащих вод в низкоскоростном гидроциклоне. Дисс. ... канд. техн. наук. - Николаев: НКИ.1991 - 138с.), - втрати тиску на тертя і місцеві втрати. Для прийнятих D, dвх, dвих, H ΔΡтр/місц.=0,015Q02, кПа. При Qi=Q0/4=1,5м3/год маємо ΔΡтр/місц.=0,015·1,52=0,034кПа. ΔΡг/ст.=pgH=0,05кПа. ΔΡзл. - пропорційні витратам рідини на видалення нафтопродукту і шламу. Тому, маючи на увазі, що для першого ступеня Q0=Qчв+Онп+шл, а відношення О0/Очв=1,1...1,4 для напорних низькошвидкісних гідроциклонів для відокремлення нафтопродуктів. Для Q0/Qчв=1,25 маємо ΔΡзл.=0,125кПа. Тоді сумарні втрати тиску на першому ступені складуть ΔΡІ ГЦ=4(0,034+0,05+0,125)=0,84кПа. Як видно, на виході з першого ступеня залишається всього 1,16кПа. Таким чином, втрати тиску складають 42% від Р0, з них втрати на подолання гідростатичного тиску стовпа рідини в цілиндричній частині складають 0,2кПа або 23% від загальних втрат. Аналогічні втрати будуть мати місце і в другому ступені (крім цього, додаються ще втрати у вхідному спрямовуючому апараті другого ступеня). Тому дуже важливо для забезпечення стійкої роботи другого ступеня (і взагалі, щоб мати можливість застосувати наступні після другого ступені очищення) зменшити втрати тиску у пристрої. Цього можна досягти, змінивши напрям потоку рідини у другому ступені вниз. Якщо застосувати в другому ступені конічний гідроциклон, в який попередньо очищена вода поступає через верхні вікна, спускається в конічну частину, відби 7 вається від неї і піднімається вгору. Тоді складова рgН втрат тиску у другому ступені буде рівна 0 (потік спочатку опускається, а потім піднімається приблизно на однакову висоту) і таким чином втрати тиску в другому ступені можна зменшити на 0,1кПа в порівнянні з пристроєм, в якому напрям потоку в наступних ступенях не змінюється. Це суттєво, тому що складає близько 9% від 1,16кПа, які залишилися після проходження ВНС через перший ступінь очищення. Внутрішнім поверхням робочих порожнин гідроциклонів для відокремлення ВНС властиве таке явище, як налипання на них важких фракцій НП (асфальтени, нафтени та ін.). З часом це може привести до забивання отворів для відведення шламу і викликати необхідність промивки пристрою. Для запобіганню цьому процесу достатньо надати внутрішнім поверхням гідрофільних властивостей, тоді між поверхнею і НП буде утворюватися захисний шар води, що перешкоджатиме контакту і прилипанню НП. Цього можна досягти, застосувавши, наприклад, скловуглець, який наносять останнім шаром у багатошаровому захисному покритті на внутрішні робочі поверхні. Це дозволить в процесі експлуатації пристрою не допускати залипання нафтозалишками шламовідвідних отворів і виключити (або зменшити) необхідність промивок. Як було зазначено вище, емульгування нафтових частинок зменшує ефективність розподілу ВНС в гідроциклоні. Позбавитись цього явища зовсім неможливо, але можна зменшити його наслідки, по-перше, забезпеченням оптимальної відцентрової швидкості розподілу, при якій емульгування найменше, по-друге, створенням сприятливих умов в робочій порожнині для протилежного процесу - коалесценції нафтових частинок. Для цього в верхній частині робочих порожнин розміщено захоплюючі конуси з металевої сітки, на якій коалесціюють краплі НП, а в нижній частині робочих порожнин секцій першого ступеня встановлено конусоподібні гідрофобні коалесціюючі насадки. Завдяки наявності такої насадки (з гідрофобно-олеофільними властивостями) НЧ при зіткненні з її твердою олеофільною поверхнею, спочатку коалесціюють на цій поверхні, утворюючи на ній шар НП, після чого коалесценція НЧ відбувається вже з цим шаром. Таким чином, створюються сприятливі умови для коалесценції НЧ за рахунок контакту з поверхнею вставки. Як найпростіший варіант багатоступінчастого гідроциклон для відокремлення нафтопродуктів з водонафтових сумішей, що включає два різношвидкісні ступеня, представлений на рисунках (Фіг.1-2). Фіг.1 - загальний вид (перетин вертикальною площиною), Фіг.2 - перетин горизонтальною площиною по А-А. Перший ступінь містить 6-7 однакових закритих циліндричних секцій 1 з необхідними отворами і пристроями, поміщеними в загальний циліндричний корпус 2, що фактично являє собою батарею низькошвидкісних гідроциклонів - мультициклон. Знизу до циліндрів 1 прикріплений шламозбірник 3 з трубопроводом відводу шламу 4. Порожнина шламозбірника 3 зв'язана з порожнинами цилінд 88185 8 рів 1 за допомогою щілин, виконаних на периферії днищ циліндрів 1. У нижній частині кожного циліндра 1, на їх циліндровій стінці, виконані вікна 5, які за допомогою спрямовуючого апарата, розміщеного в приймальній камері 6, з'єднують внутрішню порожнину кожного циліндра 1 з внутрішньою порожниною загального корпусу 2 і з порожниною кільцевої приймальної камери 6, забезпеченою для прийому води трубопроводом 7 суміші, що очищається. Щілини на периферії олеофільної вставки 8 сполучають внутрішню порожнину циліндрів 1 з порожниною шламозбірника, виконаною в днищі 9. Зверху циліндри 1 закриті кришкою 10. У верхній частині кожного циліндра 1 виконані отвори, що з'єднують порожнини циліндрів 1 з камерою попередньо очищеної води 11, яка постачена трубопроводом подачі суміші на другий ступінь очищення 12. У кришці 10 також виконані отвори, співвісні відповідним циліндрам 1, в яких встановлені конічні захоплюючі пристрої 13, призначені для з'єднання робочої порожнини кожного циліндра 1 з порожниною нафтозбірника 14 першого ступеня гідроциклона, розміщеного над кришкою 10. Нафтозбірник 14 забезпечений трубопроводом 15 для приєднання до місткості для збору нафтопродуктів. Камера попередньо очищеної води забезпечує підведення попередньо очищеної води з порожнин циліндрів 1 до робочої порожнини другого ступеня 16 за допомогою трубопроводу 12. При цьому трубопровід 12 сполучений із вхідним отвором робочої порожнини 16 другого ступеня. Корпус 14 другого ступеня має циліндро-конічну форму з трубопроводом відводу шламу 17, і закріплений на днищі 9. Трубопровід відводу шламу з Другого ступеня 17 може бути приєднаний до місткості для збору шламу. У верхній частині корпуса 2 другого ступеня є вікно 18, сполучене з трубопроводом відводу очищеної води 19. Зверху корпус 2 закритий кришкою 10 із співвісним отвором, що сполучає внутрішню порожнину корпуса 2 з нафтовідвідним трубопроводом 20. Усередині кожного циліндра, як першого, так і другого ступеня розміщені нафтовідвідні конічні сітчасті пристрої 13. В якості покриття внутрішніх робочих поверхонь, як зазначалось раніше, можна використати скловуглець (див. деклараційний патент України №43034А опубл. 15.11.2001, бюл. №10). А в якості коалесціюючих вставок - застосувати конусоподібні гідрофобні насадки за патентом України №77524 С2 опубл. 15.12.2006, бюл. №12. Багатоступінчатий різношвидкісний гідроциклон працює таким чином. Водонафтова суміш (ВНС) через трубопровід 7 подається в кільцеву приймальну камеру 6 і в порожнину загального циліндра 2, забезпечену спрямовуючим апаратом. Каналами спрямовуючого апарата потік ВНС закручується в горизонтальній площині і поступає через вікна 5 у внутрішні порожнини закритих циліндрів 1, поміщених в загальний циліндр 2. Усередині кожного циліндра 1 потік ВНС, продовжуючи обертатися зі швидкістю 1...2м/с, піднімається вгору. Під дією відцентрових сил, що виникають при обертанні, в потоці відбувається перерозподіл фазових складових. При 9 цьому в центрі, поблизу осей циліндрів 1, виявляються нафтопродукти (з меншою питомою вагою), а ближче до стінок циліндрів - вода і механічні домішки. Нафтопродукти з циліндрів 1 відводяться через центральні отвори в кришці 10, обладнані конічними захоплюючими пристроями, в порожнину нафтозбірника 14 першого ступеня і далі через трубопровід 15 - в збірну місткість. Завдяки організації низьких швидкостей оброблюваного потоку, дроблення частинок НП при цьому - мінімальне, а конічні гідрофобні насадки 8 сприяють коалесценції дрібних крапель НП і концентрації НП в централь ній частині секцій першого ступеня. Розміщені усередині циліндрів 1 нафтозахоплюючі пристрої 13 відомих конструкцій, мають сітчасті конуси, ячейки яких пропускають через себе воду, затримуючи НЧ, що коалесціюють на сітці і потім під дією потоку і архімедових сил спрямовуються у нафтовідвідний пристрій. Попередньо очищена в секціях 1 першого ступеня вода відводиться через верхні вікна 21 відведення попередньо очищеної води у камеру попередньо очищеної води 11, з якої через трубопровід 12 подачі ВНС на другий ступінь очищення 2 поступає у вхідний спрямовуючий апарат другого ступеня. У каналах спрямовуючого апарату вода, що очищається, закручується, набуває швидкості 3...5м/с і з цією швидкістю поступає в робочу порожнину циліндра другого ступеня 16 через вікно 22. В результаті дії відцентрових сил відбувається виділення з води нафтопродуктів меншого розміру, тобто тих, які не виділилися в першому ступені внаслідок дії незначних зусиль. Вода, що потрапила в робочу порожнину другого ступеня, під дією відцентрових сил набуває обертального руху і спускається в конічну частину корпуса другого ступеня 23, відбивається від неї і піднімається вгору. Сконцентровані в осьовій області нафтопродукти з робочої порож 88185 10 нини циліндра другого ступеня 16 відводяться в збірник нафтопродуктів через центральний отвір в кришці 10, обладнаний конусним нафтозахоплюючим пристроєм 13 і через відвідний трубопровід 20 виводяться за межі гідроциклона. Очищена в другому ступені вода через вікно 18, розташоване у верхній частині корпуса другого ступеня 23 і трубопровід відведення очищеної води 19, відводиться за межі гідроциклона. Механічні домішки, що виділилися в першому ступені гідроциклона, видаляються через щілини в днищах секцій першого ступеня 1 і порожнину в днищі 9 в шламозбірник 3, а з останнього по трубі 4 - в окрему ємність. Механічні домішки, що виділилися в другому ступені, за допомогою трубопроводу 17 виводяться із гідроциклона. Таким чином, застосування декількох ступенів очищення забезпечує зменшення концентрації НП у ВНС, що очищається, на 7...10%. Завдяки розміщенню наступних ступенів у загальному корпусі на рівні або нижче секцій попереднього ступеня, досягається зменшення загальних втрат тиску у пристрої на 7...12% в порівнянні з прототипом, що позитивно впливає на роботу наступних ступенів очищення. Покриття внутрішніх поверхонь робочих порожнин матеріалом з гідрофільними властивостями запобігає налипанню важких фракцій НП і забиванню щілин для відведення шламу, а оснащення очисних секцій гідрофобними вставками створює сприятливі умови для коалесценції дрібних крапель НП, що підвищує ефективність розподілу ВНС на 5...7%. В цілому ж пропоновані зміни до конструкції гідроциклона надають можливість підвищити ефективність очищення в новому пристрої до 10...15% в порівнянні з прототипом. 11 Комп’ютерна верстка О. Рябко 88185 Підписне 12 Тираж 28 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601