Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО 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 принято устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащее 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, насос, аэрирующие узлы, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды (см. патент РФ 2367622, МПК C02F 9/00, 2009г.).

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 и сточных вод от тонкодисперсных примесей напорной флотацией.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в повышении эффективности очистки нефтесодержащих и 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 устройстве для очистки нефтесодержащих и сточных вод, содержащем 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, насос, аэрирующие узлы, трубопровод подвода очищаемой и трубопровод отвода очищенной воды, количество насосов и количество аэрирующих узлов соответствует количеству ступеней очистки, выход трубопровода подвода очищаемой воды сообщен с придонной частью флотореактора первой ступени очистки и через насос первой ступени очистки с входом аэрирующего узла первой ступени очистки, причем входы аэрирующих узлов второй и последующих ступеней очистки сообщены через соответствующие насосы с придонными частями флоторазделителей предыдущей ступени очистки посредством трубопроводов подвода воды на аэрацию, а выход каждого из аэрирующих узлов сообщен через дросселирующий клапан с входом в соответствующий флотореактор, расположенным в нижней точке его днища, посредством трубопровода подвода 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 аэрирующие узлы выполнены с возможностью поддержания давления насыщения 0,4 МПа, 0,3 МПа и 0,2 МПа в первой, второй и третьей ступенях очистки соответственно.

Кроме того аэрирующие узлы снабжены патрубками подвода сжатого воздуха.

Кроме того вход трубопровода отвода очищенной воды находится в нижней точке днища флоторазделителя последней ступени очистки.

Кроме того устройство 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.

Признаки «количество насосов и количество аэрирующих узлов соответствует количеству ступеней очистки», «входы аэрирующих узлов второй и последующих ступеней очистки сообщены через соответствующие насосы с придонными частями флоторазделителей предыдущей ступени очистки посредством трубопроводов подвода воды на аэрацию, а выход каждого из аэрирующих узлов сообщен с входом в соответствующий флотореактор посредством трубопровода подвода аэрированной воды» позволяют осуществлять последовательную флотацию очищаемой воды при различных давлениях насыщения в каждой ступени очистки без смешивания исходной очищаемой воды с уже очищенной.

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 «выход трубопровода подвода очищаемой воды сообщен через насос первой ступени очистки с входом аэрирующего узла первой ступени очистки» обеспечивает подачу части очищаемой воды в аэрирующий узел параллельно с подачей очищаемой воды в флотореактор первой ступени очистки.

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

Признаки «выход каждого из аэрирующих узлов сообщен через дросселирующий клапан», «выход каждого дросселирующего клапана размещен у входа в соответствующий флотореактор» обеспечивает снижение давления аэрированной воды до гидростатического и предупреждает образование зародышевых пузырьков в трубопроводе подвода аэрированной воды, что позволяет снизить коалесценцию зародышевых пузырьков.

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 вода подается снизу, без создания дополнительных гидравлических сопротивлений и образования турбулентного течения.

Признаки «аэрирующие узлы выполнены с возможностью поддержания давления насыщения 0,4 МПа, 0,3 МПа и 0,2 МПа в первой, второй и третьей ступенях очистки соответственно» и «аэрирующие узлы снабжены патрубками 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/см² (Андреев С.Ю. Новая технология безрегаентной 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 находится в нижней точке днища флоторазделителя последней ступени очистки» позволяет выводить очищенную воду.

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

На фиг.1 схематически показан вертикальный разрез устройства 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, насосы 9, 10, 11 и аэрирующие узлы 12, 13, 14 первой, второй и третьей ступеней очистки соответственно, трубопровод подвода очищаемой воды 15, трубопровод отвода очищенной воды 16, верхние 17, 18, 19 и придонные 20, 21, 22 части флотореакторов 1, 2, 3, верхние 23, 24, 25 и придонные 26, 27, 28 части флоторазделителей 4, 5, 6, трубопроводы 29 подвода воды на аэрацию, дросселирующие клапаны 30, днища 31, 32, 33 флотореакторов 1, 2, 3 первой, второй и третьей ступеней очистки соответственно, трубопроводы подвода аэрированной воды 34, патрубки подвода сжатого воздуха 35, приемник флотопены 36, патрубок отвода флотопены 37.

Устройство для очистки нефтесодержащих и сточных вод выполнено 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 26, 27 флоторазделителей 4, 5 и придонных частях 21, 22 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 17, 18, 19 флотореакторов 1, 2, 3 и в верхних частях 23, 24, 25 флоторазделителей 4, 5, 6 одной ступени очистки.

Выход трубопровода подвода очищаемой воды 15 сообщен с придонной частью 20 флотореактора 1 первой ступени очистки и через насос 9 первой ступени очистки с входом аэрирующего узла 12 первой ступени очистки.

Аэрирующие узлы 12, 13, 14 могут быть реализованы согласно любому существующему способу насыщения жидкости воздухом (напорный резервуар, распыливающий абсорбер и т.д.) и снабжены патрубками подвода сжатого воздуха 35.

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.

Поэтому давление насыщения в аэрирующем узле 12 первой ступени очистки составляет 0,4 МПа, в аэрирующем узле 13 второй ступени очистки - 0,3 МПа, а в аэрирующем узле 14 третьей ступени очистки 0,2 МПа.

Входы аэрирующих узлов 13 и 14 второй и третьей ступеней очистки сообщены через насосы 10 и 11 с придонными частями 26 и 27 флоторазделителей 4 и 5 первой и второй ступеней очистки соответственно посредством трубопроводов подвода воды на аэрацию 29.

Выходы аэрирующих узлов 12, 13, 14 сообщены через дросселирующие клапаны 30 с входами в флотореакторы 1, 2, 3, расположенными в нижней точке их днищ 31, 32, 33, посредством трубопроводов подвода аэрированной воды 34.

Выходы дросселирующих клапанов 30 размещены у входов во флотореакторы 1, 2, 3, расположенных в нижней точке их днищ 31, 32, 33.

Площадь поперечного сечения днищ 31, 32, 33 флотореакторов 1, 2, 3 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Вход трубопровода отвода очищенной воды 16 находится в нижней точке днища флоторазделителя 6.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Очищаемую воду подают в устройство по трубопроводу подвода очищаемой воды 15. При этом часть очищаемой воды попадает с помощью насоса 9 в аэрирующий узел 12 первой ступени очистки, а оставшаяся часть очищаемой воды подается в придонную часть 20 флотореактора 1 первой ступени очистки.

В аэрирующем узле 12 происходит, согласно любому известному способу, насыщение жидкости воздухом при давлении 0,4 МПа, для чего к аэрирующему узлу 12 предусмотрен подвод сжатого воздуха через патрубок 35.

Аэрированная вода поступает через дросселирующий клапан 30 во вход в флотореактор 1, расположенный в нижней точке его днища 31, по трубопроводу подвода аэрированной воды 34. Причем при прохождении аэрированной воды через дросселирующий клапан 30 ее давление снижается до гидростатического и в трубопроводе подвода аэрированной воды 34 не образуются зародышевые пузырьки, что позволяет снизить их коалесценцию. Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 31 флотореактора 1, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 31 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 пресыщения жидкости увеличиваются, и при давлении 0,4 МПа средний диаметр зародышевых пузырьков составляет 70 мкм, при давлении 0,3 МПа - 57 мкм, а при давлении 0,2 МПа - 45 мкм.

Всплывая от придонной 20 к верхней 17 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 17 флотореактора 1 поступает в верхнюю часть 23 флоторазделителя 4 и далее движется к его придонной части 26.

Из придонной части 26 флоторазделителя 4 часть воды подается насосом 10 по трубопроводу 29 подвода воды на аэрацию в аэрирующий узел 13 второй ступени очистки.

В аэрирующем узле 13 происходит насыщение жидкости воздухом при давлении 0,3 МПа, для чего к аэрирующему узлу 13 предусмотрен подвод сжатого воздуха через патрубок 35.

Далее аэрированная вода поступает через дросселирующий клапан 30 во вход в флотореактор 2, расположенный в нижней точке его днища 32, по трубопроводу подвода аэрированной воды 34. Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 32 флотореактора 2, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 32 флотореактора 2 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Всплывая от придонной 21 к верхней 18 части флотореактора 2, зародышевые пузырьки со средним диаметром 57 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 18 флотореактора 2 поступает в верхнюю часть 24 флоторазделителя 5 и далее движется к его придонной части 27.

Из придонной части 27 флоторазделителя 5 часть воды подается насосом 11 по трубопроводу 29 подвода воды на аэрацию в аэрирующий узел 14 третьей ступени очистки.

В аэрирующем узле 14 происходит насыщение жидкости воздухом при давлении 0,2 МПа, для чего к аэрирующему узлу 14 предусмотрен подвод сжатого воздуха через патрубок 35.

Далее аэрированная вода поступает через дросселирующий клапан 30 во вход в флотореактор 3, расположенный в нижней точке его днища 33, по трубопроводу подвода аэрированной воды 34. Как следствие, зародышевые пузырьки образуются и равномерно распределяются по днищу 33 флотореактора 3, за счет того, что площадь поперечного сечения днища 33 флотореактора 3 равномерно уменьшается по направлению сверху вниз.

Всплывая от придонной 22 к верхней 19 части флотореактора 3, зародышевые пузырьки со средним диаметром 45 мкм захватывают наиболее мелкие частицы загрязнений и выносят их на поверхность воды в виде флотопены.

После окончания обработки зародышевыми пузырьками во флотореакторе 3, вода из верхней части 19 флотореактора 3 поступает в верхнюю часть 25 флоторазделителя 6 и далее движется к его придонной части 28.

Далее очищенная вода выводится из устройства по трубопроводу отвода очищенной воды 16, а частицы загрязнений всех ступеней очистки, скопившиеся на поверхности воды в виде флотопены, собирают в приемник флотопены 36 и удаляют через патрубок отвода флотопены 37.

Далее цикл повторяется.

Заявляемое техническое решение обеспечивает повышение эффективности очистки нефтесодержащих и сточных вод.