Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ОЧИСТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЖИДКОСТИ ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ И ПЛАВАЮЩЕЙ ЖИДКОЙ СРЕДЫ

Изобретение относится к области очистки технологических жидкостей, например воды, загрязненной осаждающимися механическими примесями, например дисперсными твердыми частицами, плотность материала которых выше плотности технологической жидкости, и плавающей жидкой средой, плотность которой ниже плотности технологической жидкости, например нефти в воде, и может быть использовано в любой отрасли промышленности, где возникает такая необходимость.

Известно техническое решение, в котором используют способ очистки нефтесодержащих сточных вод, заключающийся в том, что над слоем нефти распыляют очищаемую воду, а очистка загрязненной воды происходит при прохождении загрязненной воды сквозь слой нефти за счет улавливания содержащейся в очищаемой воде нефти гидрофобным слоем нефти при перемещении более плотной очищенной воды вниз, ниже уровня слоя нефти (патент РФ №2133222, кл. С02F 1/40, опубл. 07.20.1999).

Недостатком этого способа является недостаточно эффективное смешение загрязненной воды с нефтью. При распылении нефтесодержащих сточных вод образуются капли различной степени дисперсности. В результате этого процесса падающие с достаточно большой скоростью крупные капли нефтесодержащей сточной воды, проникая в слой нефти, частично дробят ее на мелкие капли нефти и увлекают эти капли нефти за собой вниз. В результате этого процесса в вертикальном направлении в отстойниках всплывает не только нефть, содержащаяся в нефтесодержащих сточных водах, но и нефть, увлекаемая каплями нефтесодержащих сточных вод из слоя нефти. В этом случае объемная концентрация нефти, в сравнении с ее исходным содержанием в нефтесодержащих сточных воды, возрастает, а значит, скорость всплытия капель нефти уменьшается, тем более, что они перемещаются в противотоке с потоком очищаемой сточной воды, перемещающейся сверху вниз. Указанное обстоятельство требует более продолжительного времени для очищения сточной воды от нефтяных загрязнений при их большом содержании, что снижает производительность установки по объемному расходу нефтесодержащих сточных вод или использованию сточных вод с низким содержанием нефтяных загрязнений.

Известно техническое решение, в котором используют способ очистки технологической жидкости (воды) от механических примесей (тяжелых загрязняющих компонент) и плавающей жидкой среды (легких загрязняющих компонент), согласно которому в горизонтальный проточный отстойник по патрубку направляют поток очищаемой технологической жидкости, который при растекании преобразуется в движущийся плоский слоя небольшой толщины очищаемой технологической жидкости, при продольном перемещении которого происходит осаждение механических примесей, а плавающая жидкая среда всплывая, перемещается в верхнюю часть движущегося плоского слоя очищаемой технологической жидкости (воды) (патент РФ №2176619, кл. С02F 1/40 // С02F, 103: 34, опубл. 10.12.2001).

Наиболее существенным технологическим недостатком рассматриваемого способа очистки загрязненной технологической жидкости является неэффективная организация подачи очищаемой технологической жидкости в отстойник, поскольку при установившемся режиме работы в зоне трансформации выходящей из патрубка струи в плоский слой образуется застойная зона, в которой процессы очистки от загрязнений практически не происходят, что снижает техническую эффективность известного технического решения.

Наиболее близок к предлагаемому техническому решению способ очистки технологической жидкости (сточных вод) от механических примесей и плавающей жидкой среды (нефтепродуктов), в котором очищаемую технологическую жидкость (сточные воды) направляют в проточный отстойник, а очистка потока технологической жидкости от обоих загрязняющих компонент производится путем гравитационного осаждения механических примесей и всплытия плавающей жидкой среды из тонкого слоя движущейся смеси очищаемой технологической жидкости и части очищенной технологической жидкости, подаваемой путем распылением над поверхностью центральной части потока очищаемой технологической жидкости (патент РФ №2118197, кл. В01D 17/028, С02F 1/40, С02F, 103:34, опубл. 27.08.98).

Основной недостаток известного способа связан с низкой эффективностью подачи части очищенной технологической жидкости с помощью распылителя над центральной зоной тонкого плоского слоя очищаемой технологической жидкости, где происходит одновременно (параллельно) осаждение механических примесей и всплытие нефтепродуктов. В тексте патента прямо указывается, что «падающие капли чистой воды с достаточной скоростью проникают в слой жидкости, увлекая с собой мелкие частицы механических примесей», при этом в действительности в равной степени эти капли увлекают с собой вниз и капли нефтепродуктов, ухудшая условие их последующего отделения (всплытия). Кроме того, всплывшие нефтепродукты образуют на поверхности слоя жидкости нефтяную пленку, которая в первую очередь и в максимальной степени подвергается воздействию капель чистой воды, что в еще большей степени препятствует всплытию нефтепродуктов. Использование подачи чистой воды с помощью капельного распылителя (душа) способствует осаждению механических примесей и препятствует отделению (всплытию) нефтепродуктов. Поскольку «захват» каплями чистой воды нефтяных капель и механических примесей пропорционален их объемным долям, то на единицу массы отводимого загрязнителя (нефтепродукта или механических примесей) больше будет «захватываться» капель нефтепродукта, поскольку они имеют меньшую плотность. По существу, проведение распыления части чистой воды над поверхностью, где происходит отделение нефтепродуктов и механических примесей, становится наиболее эффективным при малом объемном содержании нефтепродуктов, в пределе нулевом, и большом объемном содержании механических примесей. В известном способе не учтено также, что капельная подача чистой воды увеличивает толщину тонкого слоя движущейся смеси сточной воды и чистой воды и, при сохранении суммарного объемного расхода, приведет к сокращению объемного расхода по очищаемой сточной воде.

Задачей настоящего технического предложения является повышение эффективности технологического процесса очистки загрязненной технологической жидкости, обеспечивающее снижение эксплуатационных затрат.

Технический результат, который ведет к решению поставленной задачи, это повышение эффективности очистки технологической жидкости путем повышения степени смешения загрязненной технологической жидкости с частью очищенной технологической жидкости и создания условий для более эффективного гравитационного разделения полученной смеси от загрязняющих компонентов.

Указанный технический эффект достигается тем, что в известном способе очистки технологической жидкости от загрязняющих механических примесей и плавающей жидкой среды, в котором очищаемую технологическую жидкость направляют в проточный отстойник, а очистка технологической жидкости от механических примесей и плавающей жидкой среды производится путем гравитационного осаждения механических примесей и всплытия плавающей жидкой среды из тонкого плоского слоя, образованного движущейся смесью очищаемой технологической жидкости и части очищенной технологической жидкости, при этом оба компонента смеси предварительно подают в смеситель (гомогенизатор), в котором струи очищаемой и части чистой технологической жидкости направлены навстречу друг другу с равным поперечным сечением в месте столкновения струй, а затем полученную смесь подают в проточный отстойник через горизонтальный щелевой диффузор с шириной, равной внутренней ширине отстойника, и с высотой, обеспечивающей ламинарный режим течения тонкого плоского слоя.

Смеситель (гомогенизатор) обеспечивает равномерное перемешивание обоих сред, поскольку в смесителе струи очищаемой и части чистой технологической жидкости направлены навстречу друг другу с равным поперечным сечением в месте столкновения струй. Предварительное смешение очищаемой технологической жидкости и части очищенной технологической жидкости понижает объемное содержание обоих видов загрязняющих компонентов (механических примесей и плавающей жидкой среды), что увеличивает скорости гравитационного осаждения механических примесей и гравитационного всплытия капель плавающей жидкой среды.

Подача смеси очищаемой технологической жидкости и части очищенной технологической жидкости в проточный отстойник через горизонтальный щелевой диффузор с шириной, равной внутренней ширине отстойника, и с высотой, обеспечивающей ламинарный режим течения потока, обеспечивает начало процессов гравитационного разделения (осаждения и всплытия) сразу при поступления смеси в проточный отстойник при максимальной площади поверхности смеси, то есть с максимальной эффективностью. При турбулентном режиме течения тонкого плоского слоя смеси загрязненной и части очищенной технологической жидкости процессы осаждения и всплытия существенно замедляются, поскольку турбулентное движение ослабляет процессы гравитационного расслоения.

Научно-техническое обоснование предложенного технологического решения определяется следующими факторами.

Скорость свободного осаждения или скорость всплытия частиц сферической формы определяется выражением (Химическая гидродинамика: Справочное пособие / В.М. Кутепов, А.Д. Полянин, З.Д. Запрянов и др. М.: Бюро Квантум. - 1996. - 336 с. - с.49):

V₀=d²g(1-ρ_p/ρ_f)/(6ν_f)(1+β)/(2+3β),

где d - диаметр частицы;

g - ускорение силы тяжести;

ρ_р и ρ_f - плотность вещества частиц и жидкости соответственно;

ν_f - кинематическая вязкость жидкости;

β=μ_р/μ_f - безразмерный коэффициент;

μ_р и μ_f - динамические вязкости вещества частиц и жидкости.

Если принять, что плотность плавающей жидкой среды (нефтепродуктов) ρ_р=850 кг/м³, величина β=10, плотность тяжелых компонентов (частиц песка) ρ_р=2500 кг/м³, а величина β→∞, т.к. μ_p>>μ_f, то при одинаковых размерах частиц получим, что скорость осаждения тяжелых компонентов примерно в 10 раз выше скорости всплытия легких компонентов. По этой причине гравитационное разделение, обеспечивающее очистку загрязненной технологической жидкости от тяжелых механических примесей, может не обеспечить очистку от загрязняющей плавучей жидкой среды, поскольку процесс ее удаления из тонкого слоя очищаемой технологической жидкости может остаться незавершенным.

Скорость стесненного осаждения твердых частиц V_s может рассчитываться, например, по эмпирической формуле Ричардсона и Заки (Richardson J.F., Zaki W.N. Sedimentation and fluidization: Part I // Tran. Ind. Chem. Eng. 1954. V. 32. No 1. P. 35-53):

V_s=V₀(1-ϕ)ⁿ,

где V_s - скорость стесненного осаждения частицы;

ϕ - объемная доля твердой фазы;

n - эмпирический показатель степени (2,39≤n≤4,6), зависящий от числа Рейнольдса Re₀=V₀d/ν_f. Значение n=4,6 относится к низкому значению числа Рейнольдса Re₀=0,2, соответствующего ламинарному режиму осаждения частиц.

Из последней формулы следует, что при смешении очищаемой технологической жидкости с частью очищенной технологической жидкости объемное содержание твердых частиц в смеси уменьшается, а значит, скорость стесненного осаждения возрастает. Это различие возрастает с ростом исходного объемного содержания твердых частиц. Расчеты по последней формуле показывают, что наиболее рациональной областью использования предлагаемого способа является очистка технологических жидкостей с большой степенью загрязнения.

Движение очищаемой смеси тонким слоем над поверхностью перегородок в многосекционном отсеке гравитационного отстоя должно производиться со скоростью ниже критической скорости движения трехфазных потоков, выше которой при турбулентном режиме течения содержащиеся в потоке примеси практически не отделяются от несущей жидкости, образуя гомогенную, почти не расслаивающую среду. При ламинарном режиме течения в тонком слое, при котором реализуется механизм гравитационного осаждения или всплытия, нижнее критическое число Рейнольдса равно (Богомолов А.И., Михайлов К.А. Гидравлика. М.: Стройиздат. - 1972. - 648 с. - С. 84):

Re_кр=Uh/ν_p=300,

где U - средняя скорость;

h - толщина слоя;

ν_p - кинематическая вязкость смеси, рассчитываемая по эмпирической зависимости (Жданов В.Г., Старков В.М. Определение эффективной вязкости концентрированных суспензий // Коллоидный журн. Т. 60. - №6. - 1998. - с. 771-774):

ν_p=ν_f(1-ϕ/ϕ_mах)^-1,65,

где ϕ_mах=0,65 - максимальная объемная доля твердых частиц.

Выражение для критического числа Рейнольдса позволяет определить максимальное значение средней скорости U, при котором с наибольшей эффективностью, протекает процесс гравитационного разделения смеси.

Приведенная совокупность расчетных выражений позволяет определить технологические параметры способа при очистке от механических примесей. В общем случае, движение плоского слоя технологической жидкости, загрязненной твердыми частицами механических примесей и каплями плавающей жидкой среды, потребует предварительного экспериментального определения подобных параметров.

Оптимальное количество подаваемой части очищенной технологической жидкости определяют из условия, что утолщение слоя жидкости за счет добавки ее части не приведет к увеличению времени удаления из воды загрязняющих компонентов в сравнении со временем удаления этих компонентов без добавления чистой технологической жидкости.

Предлагаемый способ очищения загрязненной технологической жидкости с высокой степенью загрязнений является достаточно простым и экономичным способом эффективного разделения сред различной плавучести (плотности), поскольку использует гравитационный способ разделения, не требующий специальных капитало- и энергоемких устройств.