Результат интеллектуальной деятельности: ОСМОТИЧЕСКАЯ ЭНЕРГОУСТАНОВКА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Изобретение относится к гидравлическим насосам, агрегатированным с двигателями особого типа, в частности с энергопреобразователем, использующим энергию осмоса (энергию смешения разноминерализованных растворов через полупроницаемую мембрану), и может быть использовано для закачки и перекачки высокоминерализованных растворов, например попутных вод нефтегазодобычи или отходов гидроминерального производства.

Известно устройство - осмотический насос, использующее элемент с полупроницаемой мембраной, преобразующей энергию осмоса в механическую энергию потока жидкости (US Patent №0052279608 А 61 М 5/14 date of patent Jan. 18, 1994).

Поскольку данное устройство рассчитано на малые потоки жидкости и разовый характер действия, оно не способно обеспечить непрерывный и высокопроизводительный осмотический процесс.

Известно устройство, способное выполнить функцию гидронасоса, использующее элементы с полупроницаемыми мембранами и механизм, поддерживающий рабочее состояние устройства (А.с. СССР №1521911, F 04 В 43/00, В 01 D 61/06, опубл. 15.11.89).

По причине конструктивных особенностей мембранных элементов и периодического режима работы, обеспечиваемого возвратно-поступательным механизмом, это устройство не в состоянии обеспечить большую производительность по потоку.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является генератор энергии, снабженный камерой с полупроницаемой мембраной, генерирующей осмотическую энергию, и устройством, поддерживающим непрерывность работы генератора (А.с. №720852, B01D 61/06, F03 В 17/00, опубл. 30.03.84). В известном устройстве дополнительные пять камер с половолоконными мембранами поддерживают постоянство рабочей концентрации в генераторной камере.

Вследствие непроточного режима работы половолоконных мембран данного устройства (замена жидкости внутренних объемов полых волокон не предусмотрена) происходит повышение концентрации солей во внутренней полости волокон, что в конечном итоге приводит к остановке процесса прямого осмоса. Дополнительные гидронасосы, работающие за счет сторонних источников энергии и подающие высокоминерализованный раствор и пресную воду в пять камер генератора, а также образование в этих камерах отхода в виде разбавленного раствора, требующего специальной утилизации, не позволяют обеспечить высокую эффективность процесса.

Техническая задача предлагаемого изобретения - реализация высокопроизводительного, самостоятельно поддерживающего непрерывность режима прямоосмотического процесса без использования сторонней энергии и без образования каких-либо сред, требующих специальной утилизации.

Технический результат достигается тем, что представленная осмотическая энергоустановка для закачки жидких отходов гидроминерального производства и попутных промышленных вод нефтегазодобычи содержит резервуар, мембранный аппарат, выполненный в виде комплекта модулей половолоконной конструкции, насос для подачи высокоминерализованного раствора к мембранному аппарату с гидросистемой обвязки с запорно-регулирующей аппаратурой и трубопроводом подачи пресной воды или низкоминерализованного раствора. Резервуар представляет собой напорную емкость со сливным, входным и выходным патрубком, подключенным к насосу, включенному в узел турбонасосного преобразователя, состоящего также из пускового механизма, согласующего редуктора и турбины, подключенной к мембранному аппарату и внешнему трубопроводу.

Изобретение иллюстрируется графическим материалом, где на чертеже представлена схема осмотической энергоустановки непрерывного действия. Установка содержит следующие основные узлы: буферный резервуар, турбинно-насосный преобразователь с пусковым механизмом, мембранный аппарат, гидросистему обвязки узлов с запорно-регулирующими и регистрирующими элементами.

Буферный резервуар (2) представляет собой напорную емкость, изготовленную из прочного, коррозионно-стойкого материала, снабженную сбросным клапаном (20) и манометром (1), регистрирующим давления в газовой подушке.

Узел турбинно-насосного преобразователя состоит из: насосной части (15); турбинной части (7); согласующего редуктора (8) и пускового механизма (16).

Пусковым механизмом может служить маховик с ручным приводом, подключенный легкоразъемным соединением к насосной части преобразователя (при условии использования предлагаемого устройства в труднодоступной местности), или электродвигатель соответствующей мощности.

Мембранный аппарат образуется путем обвязки гидравлической системой комплекта модулей половолоконной конструкции (9). Общее количество модулей по суммарной величине оптимальной производительности должно согласовываться с выходными характеристиками насосной части турбонасосного преобразователя.

Гидравлическая система обвязки узлов устройства представляет собой трубопроводную систему, выполненную из коррозионно-стойких материалов и состоящую из низконапорной и высоконапорной частей. Высоконапорная часть включает: входной трубопровод концентрированного солевого раствора (3); входной (4) и выходной (18) патрубки буферного резервуара с запорными устройствами; расходомер (17); высоконапорную часть гидросистемы обвязки мембранных аппаратов (21), а также трубопровод подачи смеси в турбинную часть преобразователя. Низконапорная часть в свою очередь состоит из: входного трубопровода пресной воды (19); патрубка с задвижной (14); расходомера (13); низконапорной части гидросистемы обвязки мембранных аппаратов (22) с моновакуумметром (12); сборного патрубка с задвижкой (10) и сливного трубопровода (11). В качестве коррозионно-стойкого материала низконапорной части используется полипропилен, а высоконапорной части - нержавеющая сталь, например, марки 12Х18Н10Т. Конечными элементами гидравлической системы устройства служат патрубок с задвижкой (5) и выходной трубопровод (6).

Действие предлагаемого устройства осуществляется следующим образом: исходный высокоминерализованный раствор из внешнего транспортного трубопровода (3) через задвижку (4) поступает в буферный резервуар (2), где при закрытой задвижке (18) в газовой подушке создается определенное давление подпора. Регистрация величины этого давления осуществляется манометром (1), а сброс излишков - через сбросной клапан (20). После открытия задвижки (18) исходный раствор через расходомер (17) подается в насосную часть (15) турбонасосного преобразователя. Затем пусковым механизмом (16) осуществляется вращение ведущего вала насосной части преобразователя, что приводит к заполнению напорных камер комплекта половолоконных модулей (9). Одновременно из внешнего трубопровода пресной воды (19) через задвижку (14) и расходомер (13) в полости полых волокон мембранных модулей подают второй компонент осмотического процесса смешения - пресную воду или низкоминерализованный раствор. В результате автоматически начинается осмотический процесс смешения исходного концентрированного раствора с фильтратом, поступающим в напорную камеру через мембранную поверхность полых волокон. Образующийся избыток объема жидкости с установившимися через некоторое время величинами подачи, контролируемыми по расходомерам (17,13), и напора через турбинную часть преобразователя (7) и задвижку (5) поступает во внешний трубопровод (6).

В процессе протекания жидкости через турбинную часть преобразователя происходит съем части энергии потока путем преобразования ее в энергию вращения турбины, которая выходным валом через согласующий редуктор (8) передается ведущему валу насосной части (15) преобразователя, например, центральному винту трехвинтового насоса типа А1 3В 1/100 1,8/100, выбранного как наиболее производительный с учетом кинематической вязкости исходного раствора. В дальнейшем установившийся режим работы турбонасосного преобразователя обеспечивает запорное противодавление и смену рабочего высокоминерализованного раствора в смесительных камерах мембранных аппаратов.

Для сохранения низкого уровня концентрации пресной воды или низкоминерализованного раствора во внутренних объемах полых волокон (предотвращение концентрационной поляризации) периодически осуществляется принудительный проточный режим их работы путем открытия задвижки патрубка (10).

Преимущество предлагаемого устройства по отношению к известным аналогам заключается в возможности значительно увеличить объемы перерабатываемой жидкости и обеспечить автоматический, самоподдерживающий режим непрерывности работы устройства с использованием его собственных энергетических возможностей.