Акустическое устройство для сбора тонких пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды

Изобретение предназначается для охраны окружающей среды, в частности для сбора нефти и нефтепродуктов при очистке естественных и искусственных водоемов. Изобретение может быть использовано в процессе доочистки аварийных разливов нефтепродуктов там, где требуется высокая конечная степень чистоты водной поверхности.

Известно устройство сбора нефтепродуктов, использующее акустическую технологию. Сущность изобретения: устройство содержит камеру с отводящей горловиной, соединенной с входом в сепаратор, нижняя часть которого соединена с приемной емкостью для нефтепродуктов. Камера установлена на поплавковом основании. Нижняя часть камеры выполнена перфорированной с отверстиями для прохода воды с нефтепродуктами внутрь камеры, в которой установлен выше отметки уровня газовый коллектор с отверстиями с установлением на каждом из них газоструйного излучателя ультразвука. Газовый коллектор соединен с источником подачи сжатого газа. При работе излучателя ультразвука происходит интенсивная диссипация ультразвука в поверхностной пленке нефтепродукта, приводящая к его отрыву от поверхности воды, распылению на мелкие капли и уносу их струями газа. Далее в сепараторе нефтепродукты отделяются от газа и поступают в приемную емкость (Патент РФ №2049200 от 20.02.1992 г., МПК Е02В 15/04, авторы: Бахтинов Н.А., Паклин В.А.).

Устройство имеет недостатки. Во-первых, низка производительность этого метода сбора нефтепродуктов, т.к. энергию ультразвука приходится тратить на высокоэнергозатратный процесс распыления нефти. Во-вторых, распыление повышает загрязнение воздуха углеводородами и увеличивает риск возгорания распыленных углеводородов при сборе нефтепродуктов.

Известно ультразвуковое устройство, предназначенное для ликвидации нефтяных разливов. Нефтяные разливы предлагается рассеивать на поверхности водоема путем воздействия ультразвуковой энергией для получения гомогенизированной смеси нефти и воды и последующего поглощения (растворения) нефти в общем большом объеме воды (Класс МПК: C02F 1/36. Патент US 4222868 от 16 сентября 1980 г. Автор: Artur Kuris).

В устройстве не предусмотрено сбора загрязняющей жидкости, поэтому результат процесса нельзя считать удовлетворяющим требованиям экологической безопасности флоры и фауны водоема.

Известно устройство, использующее акустические волны в воде как движущую силу для сметания загрязнений, подобных нефтяным разливам, по поверхности воды. Акустические волны излучаются устройством, расположенным ниже поверхности воды и направленным под скользящим углом к периферическому краю нефтяного разлива. Акустические волны при отражении от границы с воздухом формируют активную приповерхностную горизонтально расположенную зону, в которой формируется распределенный источник радиационной силы на краю нефтяного разлива. Этот метод использует звук в качестве силы, перемещающей (сметающей) поверхностные загрязнения вдоль поверхности воды (Класс МПК: Е02В 15/04. Патент US 4235711 от 25 ноября 1980 г. Автор: John N. Koblanski.)

Предложенное устройство предназначено для перемещения по поверхности воды пятен нефтяных разливов, ограничения площади разливов нефти, однако не решает проблему сбора загрязнений.

Известно устройство для сжигания горючих загрязнений плавающих на поверхности водяного водоема (Патент US 4576569 от 18 марта 1986 г. Автор: John N. Koblanski. Класс МПК: F23C 11/04) Устройство имеет первое тело и плавательное средство для расположения его (первого тела) вблизи поверхности воды. Первая камера расположена в первом теле. Резонансная камера фиксируется относительно поверхности первого тела и выше первой камеры и во время работы устройства располагается выше поверхности воды. Жидкость с высокой скоростью впрыскивается из первого тела в резонансную камеру, образуя ударную волну, которая направляется назад к загрязнителю (загрязняющему агенту) для распыления загрязнителя. На конечном этапе процесса распыленный загрязнитель сжигается.

Недостатком устройства является недостаточно высокая производительность и неприемлемость использования в случае тонких пленок остаточных загрязнений.

Известно устройство для сбора несмешиваемой жидкости с поверхности воды, являющееся по принципу действия пороговым нефтесборщиком (Патент РФ №2369689. Классы МПК: B01D 17/02, C02F 1/40, C02F 1/36, Е02В 15/10, Е02В 15/04, B01J 19/10. Авторы: Сенкус В.В. и др.) Изобретение может быть использовано для ликвидации аварийных разливов нефтепродуктов. Устройство содержит цилиндрическую камеру, погружной насос с поплавком, приводом, напорным трубопроводом и гибким кабелем электроснабжения, кольцевой вход в цилиндрическую камеру с защитной решеткой, поплавки, обеспечивающие плавучесть устройства. Поверхностный слой воды вместе с несмешиваемой жидкостью с плотностью ниже плотности воды аккумулируется в вертикально расположенной цилиндрической камере, нижний конец которой герметически закрыт, а верхний имеет кольцевой вход между цилиндрической камерой и ее крышкой. Жидкость из цилиндрической камеры откачивается погружным насосом, имеющим поплавок для всплытия.

Изобретение приемлемо для сбора и откачки нефти в благоприятных условиях функционирования. Однако оно теряет свою эффективность в случаях тонких слоев собираемых загрязнений и практически непригодно при сборе сильно вязких загустевших нефтепродуктов.

Устройство не использует акустическую технологию и приведено здесь в качестве аналога вследствие схожести элементов конструкции с предлагаемым изобретением.

Известны метод и устройство для ультразвукового удаления загрязнений с поверхности воды (US 4032438 от 28 июня 1977 г. МПК B01D 37/00. Автор: John N. Koblanski).

Устройство, использующее ультразвуковой фокусирующий преобразователь, предназначенное для удаления с поверхности воды загрязняющего вещества, например нефти. Преобразователь поддерживается ниже поверхности воды, а его фокальная область совмещена с нижней поверхностью слоя загрязнения или нефти. Источник переменного тока подключен к преобразователю для генерации ультразвуковых волн, которые распространяются через воду и сходятся в фокальной области. Устройство включает в себя блок сбора загрязнений, которое собирает большую часть нефти, поднятой вверх с помощью сфокусированных ультразвуковых волн, плавательное средство, снабженное поплавками, сливную полость, гибкий шланг, насос и накопительный резервуар.

К недостаткам устройства относятся относительно малая производительность по сбору нефти, особенно в случае тонких пленок.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототипом) к изобретению является "Акустическое устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды", представленное в патенте на изобретение РФ №2599630. Авторы: Пятаков П.А., Миронов М.А., Гладилин А.В., Грудзинская И.С.

Акустическое устройство сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды выполнено в виде плавательного средства, содержащего корпус, поддерживаемый на плаву поплавками, прикрепленными к корпусу кронштейнами, и вмещающий в себя коллектор с впускным отверстием, циркуляционный насос, соединенный гибким шлангом с резервуаром для сбора нефтепродуктов, ультразвуковой генератор, питающий систему ультразвуковых излучателей, погруженных под поверхность воды, фокусирующих акустическую энергию по кругу вблизи впускного отверстия коллектора на границе слоя нефти с водой и излучающих ультразвук в скользящем к поверхности воды направлении, не выводящем индуцированную ультразвуком струю жидкости над поверхностью воды.

Недостатком устройства является неоправданно высокое энергопотребление в режиме сбора тонких пленок или в случае сильной разреженности пятен нефтепродуктов на поверхности воды.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является уменьшение затрат энергии при сборе нефтяных загрязнений с поверхности воды и увеличение эффективности сбора тонких пленок нефти.

Технический результат достигается за счет того, что в отличие от прототипа в предлагаемом устройстве предусматривается: во-первых, поддерживать кромку впускного отверстия коллектора выше уровня границы нефти с воздухом, во-вторых, использовать систему излучателей, направленных под таким углом к поверхности, который в режиме фонтана обеспечивает переброс жидкости через выступающий над поверхностью бортик впускного отверстия, в-третьих, в нижней части коллектора необходимо создать отверстие или канал, связывающий коллектор с окружающей водной средой, в-четвертых, предусмотреть откачку отстоявшейся нефти из верхней части нефтесборной полости после заполнения нефтью емкости коллектора.

Эти отличия обеспечивают существенную экономию энергетических затрат вследствие исключения из процесса сбора загрязнений целого этапа - перекачки смеси воды с малым количеством нефтепродуктов в удаленные от устройства сбора контейнеры большой емкости, где должен был бы происходить отстой и сепарация нефти. Кроме того, функционирование устройства в режиме накопления нефти в коллекторе производится с отсоединенным массивным гибким шлангом. При этом значительно увеличивается мобильность плавательного средства сбора нефти и появляется возможность оперативного перемещения устройства в локализованные места скопления загрязнений, что существенно повышает эффективность сбора нефтяных загрязнений по сравнению с прототипом.

Основные элементы конструкции и суть процесса сбора нефти поясняет рисунок. Акустическое устройство для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды представляет собой плавательное средство, которое содержит корпус 1, состоящий из коллектора 2 с впускным отверстием 3 и герметичной полости 4, расположенной вокруг коллектора и вмещающей в себя источник питания 5 и ультразвуковой генератор 6. Верхняя кромка впускного отверстия располагается над поверхностью водоема на определенной высоте (см. ниже). На дне полости коллектора расположено выходное отверстие 7, связывающее коллектор с окружающей водной средой. Выпускной патрубок 8 расположен в верхней части коллектора. На верхней крышке коллектора вокруг впускного отверстия 3 размещена система ультразвуковых излучателей 9. Корпус 1 поддерживается на плаву тремя или четырьмя поплавками 10, прикрепленными к корпусу 1 с помощью кронштейнов 11. Внизу под корпусом располагается груз 12, устанавливающий нужную глубину погружения устройства. Гибкий шланг 13 подсоединяется к патрубку в конце фазы накопления и отстоя нефти в коллекторе 2 для эвакуации с помощью насоса 14 отстоявшейся нефти в резервуар для сбора нефтепродуктов 15, расположенный на берегу 16 водоема, со слоем нефтяного загрязнения 17. Источник питания соединен с ультразвуковым генератором 6. Ультразвуковой генератор 5 соединен с системой ультразвуковых излучателей 9.

Акустическое устройство для сбора тонких пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды работает следующим образом. Согнав боновым ограждением попавшие на водную поверхность нефть или нефтепродукты и произведя первичную очистку поверхности от нефтепродуктов, акустическое устройство для сбора тонких пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды помещают в загрязненную зону водоема. Перед началом работы необходимо отрегулировать глубину погружения устройства, так чтобы кромка впускного отверстия 3 коллектора 2 располагалась выше границы раздела нефти с воздухом на величину h₀=L(1-ρ_н/ρ_в), где ρ_н, ρ_в - плотности нефти и воды соответственно, L - размер по вертикали от верхней кромки впускного отверстия до дна коллектора. Плавучесть всего акустического устройства сбора нефти обеспечивается тремя или четырьмя поплавками 10, прикрепленными к корпусу 1 с помощью кронштейнов 11. Регулировка глубины погружения производится подвешиванием груза 12 подходящей массы.

Поддержание определенного положения верхней кромки впускного отверстия по отношению к границе раздела слоя нефти с воздухом имеет большое значение для обеспечения полного заполнения полости коллектора нефтью.

Работа устройства сбора начинается при включении ультразвукового генератора 6, работающего от источника питания 5. В качестве источника питания 5 служит электрический аккумулятор. Возможны также варианты электрического питания с берега водоема 15 или с борта специализированного судна, осуществляемого по гибкому электрическому кабелю. Высокочастотное электрическое напряжение частотой 0,5-2 МГц от ультразвукового генератора 6 подается на систему ультразвуковых излучателей 9. При этом системой ультразвуковых излучателей 9, находящихся ниже поверхности воды, возбуждаются ультразвуковые волны в радиальных направлениях по отношению к впускному отверстию 3 и направленных под таким углом к поверхности воды, который обеспечивает образование акустических фонтанов и заброс в коллектор 2 нефтесодержащей жидкости поверх выступающего над поверхностью водоема бортика впускного отверстия 3. Эти ультразвуковые волны индуцируют поток жидкости (смеси нефти и воды) в коллектор 2. Ультразвуковые излучатели должны быть фокусирующего типа. Интенсивность ультразвука в фокусе должна быть достаточно большой, чтобы обеспечить формирование акустических фонтанов, способных перебросить нефтесодержащую жидкость через бортик впускного отверстия 3. Процесс наполнения коллектора нефтью вследствие малой толщины пленок, покрывающих поверхность воды, достаточно медленный. Скорость сбора должна быть согласована со скоростью самопроизвольного расслоения при отстое на фракции нефти и воды. Плотность нефти меньше плотности воды, поэтому при отстое нефть собирается в верхней части коллектора 2, вода через выходное отверстие 7 выливается в окружающую водную среду, и нефть при сборе постепенно заполняет весь объем коллектора 2. На этом заканчивается этап накопления нефти. После окончания фазы накопления к выпускному патрубку 8 присоединяют гибкий шланг 13 и насосом 14 эвакуируют собранную нефть в резервуар для сбора нефтепродуктов 15, расположенный на берегу 16 водоема. Освобожденное от нефти акустическое устройство для сбора тонких пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды после отсоединения гибкого шланга 13 готово для дальнейшего процесса очистки поверхности воды от нефтяных загрязнений.

Эффект энергосбережения возникает вследствие отсутствия необходимости перекачивания всей массы жидкости с малым содержанием нефти в удаленный резервуар для сбора нефтепродуктов. В случае тонких пленок отстоявшаяся и накопленная в коллекторе нефть, которую требуется однократно перекачать, по массе составляет лишь малую долю от массы всей жидкости, прошедшей через коллектор.

Возможность работы в фазе накопления без присоединенного массивного гибкого шланга приводит к повышению эффективности сбора по сравнению с прототипом, так как при этом значительно увеличивается мобильность плавательного средства сбора нефти и появляется возможность оперативного перемещения устройства в локализованные места скопления загрязнений.