Результат интеллектуальной деятельности: Гранула фильтрующего материала для разделения эмульсий

Предложенное решение относится к области разделения несмешивающихся жидкостей контактированием с избирательно смачивающимся твердым телом, в частности к области очистки жидкостей от маслонефтепродуктов и органических веществ. Может быть использовано в нефтедобывающей, химической, нефтехимической, пищевой, фармацевтической, машиностроительной и других отраслях промышленности, а также в системах очистки сточных вод.

Известна фильтрующая загрузка для очистки воды от нефти и нефтепродуктов (а.с. СССР №1662625, МПК B01D 39/00, 1987 г.), выполненная из олеофильного пенопласта, имеющего сквозные и тупиковые поры, суммарная доля которых составляет 45-70% объема загрузки, а проходное сечение пор составляет 10-60 мкм. Недостатком известной загрузки является малый срок ее эксплуатации, поскольку регенерация загрязненной загрузки не предусмотрена.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является выполненная из пористого эластичного пенополиуретана гранула фильтрующего материала (загрузки), предназначенная для очистки жидкостей от маслонефтепродуктов (патент на изобретение RU №2202519, МПК B01D 39/18, 2001 г.). В известном решении предусмотрена регенерация загрузки посредством ее двукратного механического отжима с промежуточной промывкой слоя фильтратом, что несколько повышает срок эксплуатации загрузки.

Недостатком известного решения являются невысокие эксплуатационные свойства гранулы (т.е. низкое качество гранулы), связанные:

а) с низкой степенью регенерации гранулы, что кумулятивно снижает скорость и качество фильтрации, длительность фильтроцикла, а также срок эксплуатации гранулы;

б) с длительностью цикла регенерации (паузами в работе), включающего кроме промывки загрузки еще ее двукратный отжим;

в) с усложнением конструкции фильтра, в который вмонтировано устройство для механического отжима загрузки;

г) с дополнительными энергозатратами на механический отжим загрузки.

Технический результат предложенного решения заключается в повышении эксплуатационных свойств гранулы (т.е. ее качества) и, соответственно, эффективности ее использования в процессе разделения эмульсий.

Указанный технический результат достигается тем, что часть поверхности (не более 50%, оптимально 2-20% от общей поверхности) гранулы фильтрующего материала для разделения эмульсий выполнена несмачиваемой для дисперсной фазы в условиях фильтрации (температура, скорость фильтрации, давление), что исключает возможность налипания на эту часть поверхности гранулы дисперсной фазы, и, следовательно, облегчает и ускоряет регенерацию гранулы. Несмачиваемость части поверхности гранулы дисперсной фазой обеспечивается, в частности: а) путем формирования гранулы из смеси материалов с различными показателями смачиваемости для дисперсной фазы и дисперсионной среды; б) путем химической обработки части поверхности гранулы и пр.

Несмачиваемая для дисперсной фазы часть поверхности гранулы может представлять собой микроскопические выступы со средней высотой 1-50 мкм. Оптимально, если выступы на поверхности гранулы выполнены с острыми кромками, что может быть обеспечено, например, добавлением в гранулу частиц абразивного материала размером не более 100 мкм, в частности, диатомита. Вышеуказанные признаки затрудняют закрепление дисперсной фазы в процессе фильтрации на выступах гранулы, и обеспечивают быструю, легкую и эффективную очистку гранулы при ее регенерации обратной промывкой.

Несмачиваемость части поверхности гранулы дисперсной фазой может быть также обеспечена путем покрытия этой части поверхности дисперсионной средой, например, в виде геля. В частности, несмачиваемая для дисперсной фазы часть поверхности гранулы может иметь открытые поры, обладающие капиллярным эффектом по отношению к дисперсионной среде, и заполненные дисперсионной средой, что обеспечивает удержание дисперсионной среды на поверхности гранулы, предотвращая налипание дисперсной фазы в процессе фильтрации и ускоряя ее удаление при регенерации.

Для того чтобы предотвратить касание и прилипание капель дисперсной фазы к той части поверхности гранулы, которая не относится к несмачиваемой дисперсной фазой, среднее расстояние между выступами на поверхности гранулы должно быть меньше среднего диаметра улавливаемых капель дисперсной фазы.

При очистке воды от нефти и нефтепродуктов все вышеперечисленные признаки реализуются в грануле, по крайней мере, внешний слой которой выполнен из материала на основе диатомита (с размером частиц диатомита не более 50 мкм, при этом средняя высота выступов на поверхности гранулы составляет 1-25 мкм). Кроме того, поскольку диатомит является природным абразивом, то взаимодействие гранул в процессе обратной промывки фильтра позволяет очищать забившиеся поры.

Гранула имеет округлую форму, что снижает склонность гранул к агломерации и разрушению, а также снижает унос материала при обратной промывке. Округлая форма гранул улучшает сыпучесть и порционирование материала, облегчает его поверхностную обработку, обеспечивает более высокую плотность упаковки и стабильность гранулометрического состава продукта по высоте при засыпке в больших объемах. Более равномерные зазоры между гранулами повышают скорость фильтрации и время работы фильтра до регенерации (которую проводят при снижении производительности ниже минимальной величины). Уменьшается гидравлическое сопротивление фильтра и количество застойных зон, снижается износ (истираемость) гранул, т.к. в первую очередь разрушаются выступающие части гранул. При обратной промывке фильтра увеличивается подвижность гранул и очистка их поверхности, уменьшается время регенерации и давление, необходимое для взвешивания слоя.

Эквивалентный диаметр гранулы должен находиться в интервале от 0,1 мм до 6,0 мм. При меньшем эквивалентном диаметре гранулы не поддаются регенерации, т.к. вымываются в процессе обратной промывки. Кроме того, при эквивалентном диаметре гранул меньше 0,1 мм каналы между гранулами очень быстро заполняются дисперсной фазой, что приводит к ее периодическому «проскоку». При эквивалентном диаметре гранул больше 6,0 мм между гранулами образуются слишком большие каналы, и фильтр перестает выполнять свою функцию.

Примеры конкретного выполнения

Гранулы фильтрующего материала для разделения эмульсий, эквивалентный диаметр которых находится в интервале от 0,1 до 6,0 мм, формируют из измельченных частиц диатомита и обжигают при температуре 700-1000°С, что обеспечивает спекание частиц диатомита между собой при сохранении имеющихся между частицами пор.

Диатомит хорошо смачивается как водой, так и нефтью. Однако он имеет пористую структуру, и если его поры заполнить (пропитать гранулу) одной из этих жидкостей, то в местах выхода пор на поверхность гранулы создаются зоны несмачиваемые для другой жидкости. Поэтому при очистке воды от нефти фильтровальную засыпку предварительно заливают чистой водой, которая заполняет поры гранул, создав в местах выхода пор на поверхность гранулы зоны несмачиваемые для нефти (дисперсной фазы). Только после этого приступают к фильтрации водонефтяной эмульсии через слой диатомитовых гранул.

Поскольку в ходе фильтрации в пирамидоподобных полостях между гранулами скорость потока резко снижается, то дисперсная фаза, удерживаемая от прилипания к гранулам выступами на их поверхностях, начинает оседать в пирамидоподобных полостях между гранулами (в первую очередь, в боковых полостях), постепенно заполняя эти полости полностью. При обратной промывке гранулы смещаются, пространственная структура полостей разрушается, а дисперсная фаза, накопленная в пирамидоподобных полостях, уносится промывочной жидкостью. Кроме того, гранулы фильтрующего материала, при обратной промывке трутся друг о друга, удаляя со своей поверхности возможные загрязнения. После регенерации гранулы содержат не более 1% вес. нефти, которая вытеснив воду из пор, находящихся в выступах, закрепилась в этих порах. При этом остаточное количество нефти в гранулах не зависит от количества проведенных с ней регенераций, т.е. кумулятивный эффект накопления дисперсной фазы в гранулах отсутствует.

Пример 1. Фильтровальная засыпка из диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм при высоте фильтровального слоя 120 см (увеличивающегося при псевдоожижении в ходе обратной промывки на 60 см) использовалась для очистки воды от нефти. Скорость фильтрации составляла 15 м/ч, а скорость обратной промывки - 30 м/ч. Температура эмульсии находилась в интервале 74-76°С. Давление перед фильтром составляло 1,6 кг/см². Содержание нефти в водонефтяной эмульсии до фильтрации было 30 мг/л, а после однократного прохода через фильтр - 0,5-0,8 мг/л.

Пример 2. Фильтровальная засыпка из диатомитовых гранул с эквивалентным диаметром 0,7-1,7 мм при высоте фильтровального слоя 200 см (увеличивающегося при псевдоожижении в ходе обратной промывки на 100 см) использовалась для очистки воды от нефти. Скорость фильтрации составляла 20 м/ч, а скорость обратной промывки - 35 м/ч. Температура эмульсии находилась в интервале 12-15°С. Давление перед фильтром составляло 1,6 кг/см². Содержание нефти в водонефтяной эмульсии до фильтрации было 300 мг/л, а после однократного прохода через фильтр - 0,8 мг/л.

Предложенное решение может быть, в частности, использовано для обезвоживания нефти на промыслах, обезвоживания нефтяных отходов и отработанного масла перед их утилизацией, регулирования жирности молока и сливок, обезвоживания трансформаторного и турбинного масла, для очистки сточных вод от маслонефтепродуктов и пр.