Результат интеллектуальной деятельности: УСТАНОВКА ДЛЯ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ И СТОЧНЫХ ВОД

Изобретение относится к системам очистки воды и может быть использовано для очистки нефтесодержащих и сточных вод на нефтеперерабатывающих и нефтедобывающих комплексах, в энергетике, в пищевой промышленности и т.п.

Известно устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащее, по меньшей мере, две ступени очистки, соединенные последовательно вдоль потока очищаемой воды, каждая из которых состоит из флотореактора и флоторазделителя, насос рециркуляции, всасывающий трубопровод которого соединен с секцией очищенной воды, а напорный трубопровод через отводы соединен с флотореакторами каждой ступени, эжектор подачи воздуха, размещенный между всасывающим и напорным трубопроводами насоса рециркуляции, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды (см. Б.В. Дерягин, С.С. Духин и др. «Микрофлотация. Водоочистка, обогащение», 1986 г., с.82).

В этом устройстве вода, насыщенная воздухом с помощью эжектора, поступает в напорный бак-сатуратор, в котором осуществляется растворение воздуха, а также сепарация больших нерастворенных пузырьков, что приводит к их выделению в верхней зоне сатуратора.

Недостатком этого устройства является сложность отладки режима флотации, которая выражается в необходимости точного регулирования количества воздуха, подаваемого эжектором, и спуска избыточного воздуха из сатуратора. Следующим недостатком устройства является наличие границы насыщения воды растворенным воздухом, являющейся причиной низкой эффективности таких устройств, что определяется ограниченным диапазоном размеров флотирующих пузырьков.

В качестве ближайшего аналога принята установка для очистки нефтесодержащих сточных вод, содержащая по меньшей мере две ступени очистки, соединенные последовательно вдоль потока очищаемой воды и разделенные между собой посредством перегородок, каждая из которых состоит из флотореактора и флоторазделителя, разделенных посредством перегородки, аэрирующий узел первой ступени очистки, сообщенный через насос с придонной частью флоторазделителя последней ступени очистки, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды (см. патент РФ 2367622, МПК C02F9/00, 2009 г.).

Недостатком ближайшего аналога является низкая степень очистки нефтесодержащих и сточных вод в силу следующих факторов:

- процесс флотации осуществляется зародышевыми пузырьками одинакового среднего диаметра;

- очищенная вода после всех ступеней очистки смешивается с загрязненной водой.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в повышении эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод от тонкодисперсных примесей напорной флотацией.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод за счет следующих факторов:

- процесс флотации осуществляется зародышевыми пузырьками различного среднего диаметра;

- исключение смешивания исходной очищаемой воды с уже очищенной;

- образование и распределение зародышевых пузырьков происходит более равномерно;

- увеличение объема очищаемой воды, подвергаемой единовременной флотации.

Поставленная задача решается тем, что в установке для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащей по меньшей мере две ступени очистки, соединенные последовательно вдоль потока очищаемой воды и разделенные между собой посредством перегородок, каждая из которых состоит из флотореактора и флоторазделителя, разделенных посредством перегородки, аэрирующий узел первой ступени очистки, сообщенный через насос с придонной частью флоторазделителя последней ступени очистки, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды, выход трубопровода подвода очищаемой воды сообщен с придонной частью флотореактора первой ступени очистки, вход аэрирующего узла сообщен через насос с придонной частью флоторазделителя последней ступени очистки посредством трубопровода подвода воды на аэрацию, первый выход аэрирующего узла сообщен через дросселирующий клапан с входом в флотореактор первой ступени очистки, расположенным в нижней точке его днища, посредством трубопровода подвода аэрированной воды, кроме того, вторая и последующая ступени очистки снабжены деаэрирующими узлами, причем выход каждого из них расположен в днище и сообщен через дросселирующий клапан с входом в соответствующий флотореактор, расположенным в нижней точке его днища посредством трубопровода подвода деаэрированной воды, и через регулятор давления с входом в верхнюю часть деаэрирующего узла следующей ступени очистки посредством трубопровода подвода воды на деаэрацию, при этом второй выход аэрирующего узла сообщен через регулятор давления с входом в верхнюю часть деаэрирующего узла второй ступени очистки посредством трубопровода отвода аэрированной воды, кроме того, выход каждого дросселирующего клапана размещен у входа в соответствующий флотореактор, причем площадь поперечного сечения днища каждого флотореактора равномерно уменьшается по направлению сверху вниз, кроме того, площадь поперечного сечения флоторазделителя не меньше площади поперечного сечения соответствующего флотореактора, кроме того, перегородки, разделяющие флотореакторы от флоторазделителей, выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в верхних частях флотореакторов и флоторазделителей одной ступени очистки, а перегородки, разделяющие ступени очистки, выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в придонных частях флоторазделителей и флотореакторов различных ступеней очистки, кроме того, аэрирующий узел выполнен с возможностью поддержания давления насыщения 0,3-0,6 МПа, а деаэрирующие узлы выполнены с возможностью поддержания давления насыщения 0,1-0,3 МПа.

Кроме того, аэрирующий узел снабжен патрубком подвода сжатого воздуха.

Кроме того, деаэрирующие узлы снабжены патрубками отвода выделившегося воздуха с предохранительными сбросными клапанами.

Кроме того, деаэрирующие узлы выполнены в виде замкнутых резервуаров, в полости которых, в верхней части, установлены форсунки, направленные к днищу.

Кроме того, вход, выход и форсунка каждого деарирующего узла расположены вдоль продольной оси резервуара.

Кроме того, вход трубопровода отвода очищенной воды сообщен с трубопроводом подвода воды на аэрацию.

Кроме того, установка для очистки нефтесодержащих и сточных вод дополнительно содержит приемник флотопены, снабженный патрубком ее отвода.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию «новизна».

При этом отличительные признаки формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признак «выход трубопровода подвода очищаемой воды сообщен с придонной частью флотореактора первой ступени очистки» обеспечивает более эффективную очистку в первой ступени, т.к. увеличивается объем очищаемой воды, подвергаемой единовременной флотации.

Признак «вход аэрирующего узла сообщен через насос с придонной частью флоторазделителя последней ступени очистки посредством трубопровода подвода воды на аэрацию» обеспечивает подачу части уже очищенной воды в аэрирующий узел, тем самым исключая смешивание исходной очищаемой воды с уже очищенной

Признаки «первый выход аэрирующего узла сообщен… с входом в флотореактор первой ступени очистки, посредством трубопровода подвода аэрированной воды» позволяет подавать в флотореактор первой ступени очистки воду с большим пересыщением, что позволяет получить зародышевые пузырьки максимального среднего диаметра.

Признаки «вторая и последующая ступени очистки снабжены деаэрирующими узлами» обеспечивают возможность уменьшения давления насыщения в каждой последующей ступени очистки.

Признаки «выход каждого [деаэрирующего узла] сообщен… с входом в соответствующий флотореактор посредством трубопровода подвода деаэрированной воды и через регулятор давления с входом в… деаэрирующий узел следующей ступени очистки, посредством трубопровода подвода воды на деаэрацию, при этом второй выход аэрирующего узла сообщен через регулятор давления с входом… в деаэрирующий узел второй ступени очистки посредством трубопровода отвода аэрированной воды» обеспечивают снижение давления очищаемой воды после аэрирующего узла и позволяют подавать в флотореакторы каждой следующей ступени очистки воду с меньшим пересыщением, что приводит к образованию зародышевых пузырьков меньшего среднего диаметра.

Признаки «первый выход [аэрирующего узла] сообщен через дросселирующий клапан», «выход каждого [деаэрирующего узла] сообщен через дросселирующий клапан», «выход каждого дросселирующего клапана размещен у входа в соответствующий флотореактор» обеспечивают снижение давления воды до гидростатического и предупреждают образование зародышевых пузырьков в трубопроводах, что позволяет снизить коалесценцию зародышевых пузырьков.

Признаки «выход каждого [деаэрирующего узла] расположен в днище… и сообщен… с входом в верхнюю часть деаэрирующего узла следующей ступени очистки», «второй выход аэрирующего узла сообщен… с входом в верхнюю часть деаэрирующего узла второй ступени очистки», «деаэрирующие узлы снабжены патрубками отвода выделившегося воздуха с предохранительными сбросными клапанами», «деаэрирующие узлы выполнены в виде замкнутых резервуаров, в полости которых, в верхней части, установлены форсунки, направленные к днищу», «выход и форсунка каждого деаэрирующего узла расположены вдоль продольной оси резервуара» обеспечивают распыл очищаемой жидкости при давлении меньшем, чем давление ее насыщения, что позволяет эффективно удалить из воды растворенный в ней воздух и отвести его в атмосферу.

Признаки «вход в соответствующий флотореактор расположен в нижней точке его днища», «площадь поперечного сечения днища каждого флотореактора равномерно уменьшается по направлению сверху вниз» обеспечивают равномерное распределение подаваемой воды по дну каждого флотореактора.

Признаки «площадь поперечного сечения флоторазделителя не меньше площади поперечного сечения соответствующего флотореактора, кроме того, перегородки, разделяющие флотореакторы от флоторазделителей, выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в верхних частях флотореакторов и флоторазделителей одной ступени очистки, а перегородки, разделяющие ступени очистки, выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в придонных частях флоторазделителей и флотореакторов различных ступеней очистки» обеспечивают равномерное движение потока очищаемой воды, при котором флотопена всплывает вверх, а аэрированная и деаэрированная вода подается снизу, без создания дополнительных гидравлических сопротивлений и образования турбулентного течения.

Признаки «аэрирующий узел выполнен с возможностью поддержания давления насыщения 0,3-0,6 МПа, а деаэрирующие узлы выполнены с возможностью поддержания давления насыщения 0,1-0,3 МПа» и «аэрирующий узел снабжен патрубком подвода сжатого воздуха» обеспечивают оптимальное значение среднего диаметра зародышевых пузырьков в каждой ступени очистки, уменьшение которого по мере продвижения потока очищаемой воды повышает эффективность извлечения более мелких частиц.

Известно, что при очистке сточных вод напорной флотацией эффективность очистки максимальна при определенном давлении насыщения, которое лежит в диапазоне 2-3 кгс/cм² (Андреев С.Ю. Новая технология безреагентной флотационной очистки сточных вод, содержащих нефтепродукты / Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Алексеева Т.В., Ширшин И.Б.// Региональная архитектура и строительство, 2011. № 1. С. 148-152). Если давление насыщения выше указанного диапазона, то средний диаметр зародышевых пузырьков будет выше (см. Андреев С.Ю. Использование методов напорной и безнапорной флотации при очистке сточных вод от нефтепродуктов / Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Шистеров А.С., Давыдов Г.П., Кулапин В.И., Колдов А.С. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 350-353), что в свою очередь снизит эффективность очистки, т.к. меньший средний диаметр пузырьков способствует их закреплению на флокулах (Алексеев М.И. Технический справочник по обработке воды : в 2 т. Т.1: пер с фр. - СПб.: Новый журнал, 2007. стр. 239). Если давление насыщения ниже указанного диапазона, то пузырьки имеют малый диаметр, однако их количество снижено, что связано с меньшим количеством растворяемого воздуха.

Признак «вход трубопровода отвода очищенной воды сообщен с трубопроводом подвода воды на аэрацию» позволяет выводить часть очищенной воды с параллельной ее подачей в аэрирующий узел.

Признак «установка для очистки нефтесодержащих и сточных вод дополнительно содержит приемник флотопены, снабженный патрубком ее отвода», позволяет удалять флотопену.

На чертеже схематически показан вертикальный разрез установки с тремя ступенями очистки.

На чертеже показаны флотореакторы 1, 2, 3 и флоторазделители 4, 5, 6 первой, второй и третьей ступеней очистки соответственно, перегородки 7 между ступенями очистки, перегородки 8, разделяющие флотореакторы 1, 2, 3 от флоторазделителей 4, 5, 6, насос 9, аэрирующий узел 10 первой ступени очистки, трубопровод подвода очищаемой воды 11, трубопровод отвода очищенной воды 12, верхние 13, 14, 15 и придонные 16, 17, 18 части флотореакторов 1, 2, 3, верхние 19, 20, 21 и придонные 22, 23, 24 части флоторазделителей 4, 5, 6, трубопровод подвода воды на аэрацию 25, дросселирующие клапаны 26, днища 27, 28, 29 флотореакторов 1, 2, 3, трубопровод подвода аэрированной воды 30, деаэрирующие узлы 31, 32 второй и третьей ступеней очистки соответственно, днища 33, 34 деаэрирующих узлов 31, 32 соответственно, регуляторы давления 35, верхние части 36, 37 деаэрирующих узлов 31, 32 соответственно, трубопровод подвода деаэрированной воды 38, трубопровод подвода воды на деаэрацию 39, трубопровод отвода аэрированной воды 40, патрубок подвода сжатого воздуха 41, патрубки отвода выделившегося воздуха 42 с предохранительными сбросными клапанами 43, форсунки 44, 45 и продольные оси 46, 47 деаэрирующих узлов 31, 32 соответственно, приемник флотопены 48, патрубок отвода флотопены 49.

Установка для очистки нефтесодержащих и сточных вод выполнена в виде горизонтально ориентированной емкости, которая разделена посредством перегородок 7 на последовательно соединенные вдоль потока очищаемой воды ступени очистки.

При этом перегородки 7 выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в придонных частях 22, 23 флоторазделителей 4, 5 и придонных частях 17, 18 флотореакторов 2, 3 различных ступеней очистки.

Каждая из ступеней состоит из флотореактора 1, 2, 3 и флоторазделителя 4, 5, 6, разделенных посредством перегородок 8, причем площадь поперечного сечения флоторазделителей 4, 5, 6 не меньше площади поперечного сечения соответствующих флотореакторов 1, 2, 3.

При этом перегородки 8 выполнены с возможностью свободного перемещения потока очищаемой воды в верхних частях 13, 14, 15 флотореакторов 1, 2, 3 и в верхних частях 19, 20, 21 флоторазделителей 4, 5, 6 одной ступени очистки.

Выход трубопровода подвода очищаемой воды 11 сообщен с придонной частью 16 флотореактора 1 первой ступени очистки.

Аэрирующий узел 10 может быть реализован согласно любому существующему способу насыщения жидкости воздухом (напорный резервуар, распыливающий абсорбер и т.д.) и снабжен патрубком подвода сжатого воздуха 41.

Вход аэрирующего узла 10 сообщен через насос 9 с придонной частью 24 флоторазделителя 6 посредством трубопровода подвода воды на аэрацию 25.

Первый выход аэрирующего узла 10 сообщен через дросселирующий клапан 26 с входом в флотореактор 1 первой ступени очистки, расположенным в нижней точке его днища 27, посредством трубопровода подвода аэрированной воды 30.

Вторая и последующая ступени очистки снабжены деаэрирующими узлами 31, 32 второй и третьей ступени очистки соответственно, которые снабжены патрубками отвода выделившегося воздуха 42 с предохранительными сбросными клапанами 43.

Деаэрирующие узлы 31, 32 выполнены в виде замкнутых резервуаров, в полости которых, в верхних частях 36, 37 установлены форсунки 44, 45, направленные к их днищам 33, 34.

Для повышения степени очистки необходимо, чтобы давление насыщения в каждой последующей ступени было меньше, чем в предыдущей, в этом случае уменьшается средний диаметр зародышевых пузырьков, и они способны захватывать более мелкие частицы загрязнений.

Для возможности увеличения количества растворенного воздуха и, как следствие, количества зародышевых пузырьков, подаваемых в первую ступень очистки, давление насыщения в аэрирующем узле 10 составляет 0,3-0,6 МПа, а давление насыщения в деаэрирующих узлах 31, 32 составляет 0,1-0,3 МПа.

При этом входы в верхние части 36, 37, выходы, расположенные на днищах 33, 34, и форсунки 44, 45 расположены вдоль продольных осей 46, 47 деаэрирующих узлов 31, 32 соответственно.

Выходы деаэрирующих узлов 31, 32 сообщены через дросселирующие клапаны 26 с входами в флотореакторы 2, 3, расположенные в нижних точках их днищ 28, 29 посредством трубопровода подвода деаэрированной воды 38.

Кроме того, выход деаэрирующего узла 31 второй ступени очистки сообщен через регулятор давления 35 с входом в верхнюю часть 37 деаэрирующего узла 32 третьей ступени очистки, посредством трубопровода подвода воды на деаэрацию 39.

Второй выход аэрирующего узла 10 сообщен через регулятор давления 35 с входом в верхнюю часть 36 деаэрирующего узла 31 второй ступени очистки посредством трубопровода отвода аэрированной воды 40.

Выходы дросселирующих клапанов 26 размещены у входов во флотореакторы 1, 2, 3, расположенных в нижней точке их днищ 27, 28, 29.

Площадь поперечного сечения днищ 27, 28, 29 флотореакторов 1, 2, 3 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Вход трубопровода отвода очищенной воды 12 сообщен с трубопроводом подвода воды на аэрацию 25.

Заявленная установка работает следующим образом.

Очищаемую воду подают в придонную часть 16 флотореактора 1 первой ступени очистки по трубопроводу подвода очищаемой воды 11.

Очищенную воду из придонной части 24 флоторазделителя 6 третьей ступени очистки подают с помощью насоса 9 в аэрирующий узел 10.

В аэрирующем узле 10 происходит, согласно любому известному способу, насыщение жидкости воздухом при давлении 0,3-0,6 МПа, для чего к аэрирующему узлу 10 предусмотрен подвод сжатого воздуха через патрубок 41.

Часть аэрированной воды поступает через дросселирующий клапан 26 во вход в флотореактор 1, расположенный в нижней точке его днища 27, по трубопроводу подвода аэрированной воды 30. Причем при прохождении аэрированной воды через дросселирующий клапан 26 ее давление снижается до гидростатического и в трубопроводе подвода аэрированной воды 30 не образуются зародышевые пузырьки, что позволяет снизить их коалесценцию. Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 27 флотореактора 1, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 27 флотореактора 1 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Согласно экспериментальным исследованиям по определению среднего диаметра пузырька в зависимости от давления (см. Андреев С.Ю., Гришин Б.М., Шистеров А.С., Давыдов Г.П., Кулапин В.И., Колдов А.С. // Труды международного симпозиума Надежность и качество. 2011. Т. 1. С. 350-353), среднестатистические размеры пузырьков с увеличением пересыщения жидкости увеличиваются, и при давлении 0,4 МПа средний диаметр зародышевых пузырьков составляет 70мкм, при давлении 0,6 МПа - 95 мкм, 0,3 МПа - 57 мкм, при давлении 0,2 МПа - 45 мкм, а при давлении 0,1 МПа - 30 мкм.

Всплывая от придонной 16 к верхней 13 части флотореактора 1, зародышевые пузырьки со средним диаметром 70 мкм захватывают наиболее крупные частицы загрязнений и выносят их на поверхность воды в виде флотопены.

После окончания обработки зародышевыми пузырьками во флотореакторе 1, вода из верхней части 13 флотореактора 1 поступает в верхнюю часть 19 флоторазделителя 4 и далее движется к его придонной части 22.

Из аэрирующего узла 10 часть воды по трубопроводу отвода аэрированной воды 40 через первый регулятор давления 35 поступает в верхнюю часть 36 деаэрирующего узла 31 второй ступени очистки.

При прохождении воды через первый регулятор давления 35 происходит снижение давления насыщения до средней величины (0,3-0,2 МПа) и из очищаемой воды начинает выделяться часть растворенного в ней воздуха. При распыле очищаемой жидкости в полости деаэрирующего узла 31 с помощью форсунки 44 происходит интенсификация процесса десорбции, при этом выделившийся воздух выводится по патрубку отвода 42 через предохранительно сбросной клапан 43, настроенный на ту же величину избыточного давления, что и регулятор давления 35, а деаэрированная вода скапливается в придонной части деаэрирующего узла 31.

Часть воды, прошедшей деаэрацию в деаэрирующем узле 31, по трубопроводу подвода деаэрированной воды 38 поступает через дросселирующий клапан 26 во вход в флотореактор 2, расположенный в нижней точке его днища 28.

Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 28 флотореактора 2, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 28 флотореактора 2 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Всплывая от придонной 17 к верхней 14 части флотореактора 2, зародышевые пузырьки со средним диаметром 57-45 мкм захватывают более мелкие, по сравнению с первой ступенью очистки, частицы загрязнений и выносят их на поверхность воды в виде флотопены.

После окончания обработки зародышевыми пузырьками во флотореакторе 2, вода из верхней части 14 флотореактора 2 поступает в верхнюю часть 20 флоторазделителя 5 и далее движется к его придонной части 23.

Другая часть жидкости, прошедшей деаэрацию в деаэрирующем узле 31, по трубопроводу подвода воды на деаэрацию 39 через второй регулятор давления 35 поступает в верхнюю часть 37 деаэрирующего узла 32 третьей ступени очистки.

При прохождении воды через второй регулятор давления 35 происходит снижение давления насыщения до минимальной величины (0,2-0,1 МПа) и из очищаемой воды начинает выделяться часть растворенного в ней воздуха. При распыле очищаемой жидкости в полости деаэрирующего узла 32 с помощью форсунки 45 происходит интенсификация процесса десорбции, при этом выделившийся воздух выводится по патрубку отвода 42 через предохранительно сбросной клапан 43, настроенный на ту же величину избыточного давления, что и второй регулятор давления 35, а деаэрированная вода скапливается в придонной части деаэрирующего узла 32.

Часть жидкости, прошедшей деаэрацию в деаэрирующем узле 32, по трубопроводу подвода деаэрированной воды 38 поступает через дросселирующий клапан 26 во вход в флотореактор 3, расположенный в нижней точке его днища 29.

Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 29 флотореактора 3, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 29 флотореактора 3 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Всплывая от придонной 18 к верхней 15 части флотореактора 3, зародышевые пузырьки со средним диаметром 45-30 мкм захватывают самые мелкие частицы загрязнений и выносят их на поверхность воды в виде флотопены.

После окончания обработки зародышевыми пузырьками во флотореакторе 3, вода из верхней части 15 флотореактора 3 поступает в верхнюю часть 21 флоторазделителя 6 и далее движется к его придонной части 24.

Далее часть очищенной воды выводится из установки по трубопроводу отвода очищенной воды 12, часть подается в аэрирующий узел 10 с помощью насоса 9 по трубопроводу подвода воды на аэрацию 25, а частицы загрязнений всех ступеней очистки, скопившиеся на поверхности воды в виде флотопены, собирают в приемник флотопены 47 и удаляют через патрубок отвода флотопены 48.

Далее цикл повторяется.

Заявляемое техническое решение обеспечивает повышение эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод.