Разделение аэрозолей

В методах отстоя наибольшее распространение получили устройства, в кото­рых осаждение частиц происходит вследствие резкого изменения направления или скорости газового потока.

Рис.2.8. Схема радиального отстойника:

1 – подводящий лоток; 2 – плавающая доска; 3 –сборник лёгкой фазы;

4 – лоток для от­вода очищенной воды; 5, 7 – отводы для легкой и тяжелой фаз;

6 – скребки; 8 – подача пара; 9 – от­вод конденсата; 10 – электродвигатель;

11 – вал скребкового механизма

Это прежде всего различные газовые сепараторы и ци­клоны. В них при незначительном гидравлическом сопротивлении (порядка 0,5-1,5 кПа) улавливаются сравнительно крупные частицы с размерами, равными или пре­вышающими 5 мкм. Причём эффективность циклонов выше, и для частиц с разме­рами 5 мкм степень извлечения достигает 40-70 %, а для частиц 20 мкм – 97-99 %. При этом газовые сепараторы используются преимущественно А видов: а) гравитационные – они наиболее просты, но в то же время наиболее металлоемки и габаритны; б) инерционные – в них под действием сил инерции поток посредством металлических отбойников разделяется на очищенный газ и частицы. Они болееэффективны и компактны; в) жалюзийные – они снабжены наборами профилированных пластин; г) центробежные сепараторы.

Типичным примером служит так называемая пылеосадительная камера (рис.2.9).

I

II

Рис. 2.9.Схема пылеосадительной камеры:

1 – камера; 2 – перегородки;

потоки: I – запыленный газ; II – очищенный газ

Для увеличения поверхности осаждения в аппарате установлены горизон­тальные или наклонные перегородки. Такие пылеотстойные камеры имеют сравни­тельно большие габариты и используются для удаления наиболее крупных частиц пыли при предварительной очистке газа.

Разделение туманов

Впромышленности применяют несколько типов каплеуловителей.

Работа гравитационных аппаратов (осадительных ёмкостей, расширитель­ных камер, аппаратов Вентури, ловушек и т.п.) основана на осаждении капель пре­имущественно под действием сил тяжести. Их используют для отделения капель размером более 500 мкм.

II

I

III

В инерционных каплеуловителях осаждение капель происходит под воздей­ствием инерционных сил, возникающих при резком изменении направления газо­жидкостного потока, который движется со скоростью 2-10 м/с. Наиболее распро­странены жалюзийные аппараты, состоящие из набора профилированных пластин (волнообразные, уголки и др.), установленных вертикально или наклонно по отно­шению к газожидкостному потоку и часто имеющих разрывы или карманы-ловуш­ки для стока уловленной жидкости. На рис.2.10 представлен так называемый круговой каплеуловитель, в котором скорость газожидкостного потока составляет 4-5 м/с. Жидкость, отделившаяся от очищаемого потока, выводится из аппарата через шту­цер 3, а также через отверстия 2 в цилиндрической стенке каплеуловителя. Канавки для отвода жидкости с пластин располагаются перпендикулярно направлению движения газожидкостного потока.

II

I

III

Рис.2.10.Схема кругового каплеуловителя:

1 – наклонные пластины; 2 – отверстия;

потоки: I – исходный газ; II – очищенный газ; III – вывод жидкости

Угол αнаклона пластин может находиться в пределах от 0 до 45°.

Кроме жалюзийных аппаратов, часто применяют отражательные каплеуловители, которые содержат несколько рядов плотно размещенных уголков, труб, стержней различного сечения, швеллеров и т.д.; слои из насадок (кольцевидных – Рашига, Палля, с перегородками, седловидных – Берля и др.) дробленой породы (например, кокса, кварца), стружки, крупноячеистой сетки и т.п., расположенных вертикально либо горизонтально к потоку.

Работа центробежных каплеуловителей основана на сепарации капель под действием центробежных сил, которые возникают в результате быстрого спирально-поступательного движения газожидкостного потока вдоль ограничивающей по­верхности аппарата. К ним относятся циклоны, например, с разрывом в выхлопной трубе, циклонные сепараторы с лопастными или иными завихрителями, аппараты с верхним либо нижним отводом очищенного газа. Так, один из распространенных ти­пов циклонных сепараторов (рис. 2.11) снабжен внутренним 1 и внешним 3 патруб­ками, завихрителем 2 и расширительным конусом 4. Проходя через завихритель, газожидкостной поток приобретает вращательное движение. Возникающая при этом центробежная сила отбрасывает капли жидкости к внутренней поверхности патруб­ка 1. Образуется пленка жидкости, движущаяся винтообразно вверх. По достижении верхнего торца патрубка 1 жидкость отбрасывается на внутреннюю поверх­ность патрубка 3, теряет скорость, под действием силы тяжести опускается вниз и отводится через гидрозатвор.

Рис.2.11. Схема циклонного сепаратора:

1 – внутренний патруб­ок; 2 –завихритель;

3 – внешний патрубо­к; 4 – расширительный конус

Освобожденный от капель жидкости газовый поток выходит через конус.

Эффективность сепарации капель, которые крупнее 10 мкм, в инерционных и центробежных каплеуловителях составляет 80-99 % при гидравлическом сопро­тивлении 0,015-1,5 кПа. Аппараты обоих типов часто устанавливают перед туманоуловителями с целью снижения нагрузки последних по жидкости, а также встраи­вают в другие аппараты, например абсорберы.

2.1.2. Центробежные аппараты

Для реализации подобного метода используют гидроциклоны и центрифуги, служащие в основном для удаления из исходной сточной воды механических при­месей.

Гидроциклоны принято подразделять на открытые и напорные.

Открытые гидроциклоны, по сравнению с напорными, имеют большую про­изводительность,достигающую сотен кубометров в час и небольшую потерю напо­ра (не более 0,5 м), но они способны выделить из воды лишь механические примеси с гидравлической крупностью не менее 20 мкм. Наиболее удачная конструкция открытого гидроциклона с внутренней цилиндрической перегородкой (рис.2.12) не нуждается в пояснениях.

Напорные гидроциклоны принято подразделять на аппараты грубой и тонкой очистки. Вторые получили название мультигидроциклонов. Друг от друга они отли­чаются прежде всего наружным диаметром и внутренним устройством. Так, гидро­циклоны всегда имеют диаметр более 100 мм, а мультигидроциклоны – менее 100 мм. Мультигидроциклоны, наиболее глубоко очищающие сточную воду (остаточное содержа­ние нефти не более 50-80 мг/л, а механических примесей не более 15 мг/л), получи­ли название ультрамультигидроциклонов. Их диаметр не превышает 15-30 мм. Для придания напорным гидроциклонам необходимой производительности (до 3500 м³ в сутки при потере давления до 3 атм.) их, как правило, объединяют в блоки, посте­пенно повышая качество подготовки воды. При этом количество параллельных це­почек может достигать 15 и более.

шлам

вода

Вода

Шлам

Рис. 2.12. Схема открытого гидроциклона:

1 – полупогружная кольцевая стенка; 2 – водосборный кольцевой поток; 3 – коническая диафрагма; 4 – цилиндрическая перегородка; 5 – водоподводящая труба

Конструкция простейшего напорного гидроциклона приведена на рис.2.13.

Вода сточная

Вода сточная

Вода очищенная

Шлам

A

A - A

A

Рис.2.13. Схема напорного гидроциклона:

1 – водопроводящая труба;

2 – патрубок для отвода осветленной воды;

3 – труба подводящая

Конструкция типичного мультигидроциклона (МУР-3500, создан в ВНИИСПТнефть) приведена на рис.2.14.

Рис. 2.14. Схема мультигидроциклона:

1 – задвижка; 2 – трубопровод; 3 – отстойник; 4 – сливная камера; 5 – распределительная ка­мера; 6 – гидроциклон; 7 – камера для очищенной воды; 8 – сливная камера; 9 – промежуточная ка­мера; 10 – сливная труба; 11 – камера для газа нефтяной смеси; 12 – ввод промышленных стоков; 13 – люк-лаз; 14 – штуцер; 15 – шламосборник; 16, 17 – штуцеры

В этой конструкции вода через штуцер 14, имеющий тангенциальный ввод и распределительную камеру 5, подаётся на гидроциклоны 6. На них происходит гру­бая очистка воды от крупных механических примесей, которые по трубопроводу 2 с помощью задвижки 1 периодически сбрасываются в шламосборник 15. Вода затем поступает в сливную камеру 4, а водонефтяная смесь через сливную трубу 10 отво­дится в камеру сбора 11. Очищенная вода попадает в отстойник 3 и далее подаётся в общую камеру очищенной воды 7. Очищенная вода выводится через штуцер 16, а водонефтяная смесь – 17. Вода, отстоявшаяся в шламосборнике 15 и в промежуточ­ном пространстве между шламосборником и промежуточной камерой 9, отсасыва­ется через трубку 8 в центральную часть гидрооциклона. Накопившийся в шламос­борнике осадок раз в сутки откачивается через штуцер 12. Шламосборник оборудо­ван люком-лазом 13.

Особенно широко напорные циклоны применяют для очистки буровых сточ­ных вод. Для этих целей используют конструкции ВНИИНефтемаша, например 1 ПГК (рис.2.15); сооружения ВНИИТНефти, например, ЧСГУ-2, а также импорт­ные аппараты фирм ГОЛФ и СВАКС.

Рис. 2.15. Циклон конструкции ВНИИНефтемаша:

1 – соединительная трубка; 2 – батарея гидроциклонов;
3 – вертикальный шламовый насос; 4 – рeзepвyap

Неплохие результаты показывают также отечественные установки ЭГУ-1, УИP-2 и УР-1.Но особо хорошо себя зарекомендовали многоярусные напорные гидроциклоны (рис.2.16).

Рис.2.16.Многоярусный низконапорный гидроциклон:

1 – шламосборная труба; 2 – коническая диафрагма; 3 – лопасти; 4 – водосборный желоб;

5 – полупогружная кольцевая стенка; 6 – камеры; 7 – ярусы; 8 –шламоотбойные козырьки;
9 – водоподающие трубы; 10 – трубы для удаления всплывающих веществ;

11 – трубы для удаления шлама; 12 – распределительные лопатки

Что касается использования центрифуг для очистки сточной воды, то приня­то различать так называемое центробежное фильтрование и центробежное осажде­ние. Для очистки промышленных сточных вод чаще используются либо аппараты второго типа, либо непрерывно действующие отстойные илоосадительные шнековые центрифуги типа ОГШ (НОГШ)с пропускной способностью до 300 м³/ч (рис.2.17), либо, наконец, комбинированные центрифуги, использующие оба принци­па разделения.

Преимущество центрифуг – высокая эффективность очистки независимо от начального содержания нефти, ПАВ, рН и температуры воды. Однако в практике очистки промышленных сточных вод центрифуги не нашли широкого применения, если не считать установки для регенерации утяжелителя и регулирования содержа­ния глины в промывной жидкости для бурения скважин типа ГТН-200(рис.2.18), которая состоит из комбинации центрифуги и гидроциклона.

Рис. 2.17. Схема центрифуги ОГШ:

1 – защитное устройство редуктора; 2 – окна выгрузки осадка; 3 – кожух; 4 – питающая тру­ба;

5 – сливные окна; 6 – опоры центрифуги; 7 – штуцер отвода фугата; 8 – шнек; 9 – ротор;

10 – шту­цер нагрузки осадка; 11 – планетарный редуктор

В

O

В

Рис. 2.18. Гидроциклон ГТН-200

1 – гидроциклон; 2 – трубки; 3 – винтовая лента; 4 – загрузочная воронка;

5 – перфорирован­ная перегородка; 6 – отверстие; 7 – корпус; 8 – сливной патрубок;

9 – горловина; 10 – отверстие; 11 – воронка

2.1.3. Коагуляция, флокуляция и осветление
во взвешенном слое осадка

Суть метода сводится к введению в сточную воду специальных реагентов, которые с одной стороны обволакивают взвешенные частицы, полностью меняя их поверхностные свойства и нейтрализуя их заряд. В результате, происходит их сли­пание в крупные агломераты, имеющие большую скорость осаждения. С другой стороны, гидролизуясь, реагенты образуют малорастворимые продукты в виде хлопьев с высокоразвитой поверхностью, которые, оседая, увлекают за собой авизи­рованные загрязнения, находившиеся ранее в коллоидном и даже частично растворенном состоянии.

Подобные методы эффективны при условии содержания в исходной сточной воде не более 100-150 мг/л нефти. Остаточное содержание нефти в очищенной во­де составляет 15-20 мг/л.

Если для реализации метода используются минеральные реагенты, то они на­зываются коагулянтами, а процесс, соответственно, коагуляцией. Наиболее широ­ко в качестве коагулянтов используют сульфат алюминия, глинозём, алюминат натрия, хлорид железа и железный купорос.

Применение минеральных реагентов не способных кгидролизу (глинозем) называется осветлением, асам процесс, соответственно, осветлением во взвешен­ном слое осадка. Большинство коагулянтов работает в достаточно узком диапазоне рН. Например, для сульфата алюминия это диапазон значений 6,8-7,5. Поэтому рНисходной сточной воды приходится регулировать, для чего используется известь, кислота серная или соляная, а также каустическая сода. К недостаткам коагуляции и осветления следует отнести.

1. Большие дозы реагентов (например, для сульфата алюминия 100-150 мг/л).

2. Образование больших объёмов осадков большой влажности, трудно поддающихся обезвоживанию.

3. Повышенное содержание ионов SO^-2 и Сl^-1 (кроме осветления), что ведёт к сильной коррозии.

В настоящее время минеральные коагулянты заменяют высокомолекулярны­ми флокулянтами органического и неорганического происхождения. Данные реа­генты создают крупные и прочные хлопья, прилипая к которым, загрязнения образу­ют сетчатую структуру, взаимодействуя друг с другом через молекулы флокулянта. В этом и состоит их отличие от коагулянтов.

Известно более сотни флокулянтов, которые подразделяются на ионогенные и неиоиогенные. Наибольший интерес представляют синтетические органические флокулянты – полимеры, которые можно изготовить с любой заданной молекуляр­ной массой, структурой молекулы и электрическими свойствами. В настоящее время получили распространение полиакриламид, нолиоксиэтилен, полиэтиленамин, натриевые соли и эфиры полиакриловой и полиметакриловой кислот, поливинилпиридин, сополимеры малеинового ангидрида и винилацетата, полимеры на основе стирола.

Наиболее широкое применение получил неионогенный флокулянт полиакриламид (ПАА),оптимальная дозировка которого находится в пределах 0,75-1,5 мг/л сточной воды. Его эффективность может быть существенно повышена при совмест­ном применении минеральных коагулянтов, чаще всего сульфата алюминия. Хи­мически модифицируя ПАА можно получить широкий спектр ионогенных флокулянтов, таких как, например, катионные полиэлектролиты марок КФ-4, КФ-6, ОКФи др. Однако эффективность действия флокулянтов данного класса не превышает 60 % (при исходном содержании нефти в сточной воде порядка 200 мг/л).

Применение же комбинации полиэтиленимина (ПЭИ) – 0,5-2 мг/л и суль­фата алюминия 4-12 мг/л обеспечивает степень очистки сточных вод от нефти на уровне 97-99 %, что вполне сравнимо с биологической очисткой.

Флокулянты на основе винилпиридинов (ВА-2, ВПС-И, ВПС-47, ВПК-101 и др.) по эффективности очистки занимают промежуточное значение (70-75 % по нефти и 80-93 % по взвешенным веществам).

Конструктивно подобные установки состоят из реагентного хозяйства, сме­сителей, камер хлопьеобразования и отстойных систем.

Реагентное хозяйство начинается с растворных баков, в которые подается во­допроводная или очищенная вода, а также сам реагент. Баки должны иметь комиче­ское днище для облегчения удаления осадка. Перемешивание осуществляют либо мешалкой, либо воздухом. Высокомолекулярные флокулянты, например ПАА, до подачи в растворные баки предварительно диспергируют в небольшом количестве воды в отдельной ёмкости с помощью высокоскоростных пропеллерных мешалок. Объём растворного бака 0,5-1,0 суточного потребления. Концентрация полученно­го раствора 15-40 %.

Раствор реагента из растворного бака перекачивается (перепускается) в расходный резервуар, где его концентрация доводится до 3-7 % для коагулянта и 0,1 0,5 % для флокулянта. С помощью гидроциклона Ø75 мм полностью удаляют час­тицы осадка с размерами больше 20 мкм. Объём расходного бака 10-20 миним. потребности.

Понижение концентрации реагента повышает надёжность его равномерного распределения в сточной воде.

Приготовленные растворы подаются в исходную сточную воду дозировоч­ными насосами в специальные смесители. Различают безнапорные и напорные сме­сители. К первым относят ершовые смесители, лотки Паршаля, резервуары с прину­дительным перемешиванием, а также распределительные чаши с турбулентным ре­жимом. Ко вторым относят трубы Вентури, эжекторы, диафрагмы, статические сме­сители и т.п.

Что касается камер хлопьеобразования, то наибольшее распространение по­лучили камеры следующих типов: перегородчатые, вихревые, водоворотные и лопа­стные.

Перегородчатые камеры представляют собой резервуар, разделённый пере­городками на ряд коридоров, последовательно проходимых водным потоком. Одно­временно камеры выполняют и отстойную функцию.

Вихревые камеры представляют собой конусное сооружение, в нижнюю часть которого, как правило, тангенциально вводится исходная смесь, поднимаю­щаяся в верхнюю часть сооружения к выходной трубе по спирали. Отстойную функцию камера выполнять не может.

В водоворотной камере исходная смесь опускается по спирали сверху вниз во внутреннем цилиндрическом аппарате, имеющем конусное днище для сбора и вы­вода осадка, а затем, сменив направление движения, поднимается вверх к выводно­му устройству по кольцевому зазору между внутренним и внешним цилиндром.

Основным достоинством рассмотренных камер является полное отсутствие перемешивающих механизмов. Но зато турбулентные потоки быстро затухают, а стоит увеличить скорость ввода и в начальных зонах аппаратов хлопья перестают образовываться.

Поэтому в зарубежной практике более широкое распространение получили камеры хлопьеобразования с механическим перемешиванием лопастными мешалка­ми на горизонтальном или вертикальном валу (рис.2.19 – 2.21). Более того, эти каме­ры, как правило, соединены с отстойными системами.

а

б

Рис.2.19. Схема камер хлопьеобразования с механическими мешалками:

а) на горизонтальном валу; б) на вертикальном валу:

1 – подача исходной смеси; 2 –подача реагента; 3 – смеситель; 4 – лопасти механической мешалки;

5 –редуктор с приводом; 6 – отстойник; 7 – отвод прокоагулированной воды

В

В

О

1,2

Рис.2.20. Схема тонкослойных отстойников, совмещенных

скамерами хлопье­образования (фирмы Синко-Пфаудлер, Япония):

1 – камера смешения; 2 – камера хлопьеобразования; 3 – водосборное устройство;

4 – блоки с тонкослойными элементами; 5 – дырчатые перегородки

С

О

Рис.2.21.Схема отстойника с камерой хлопьеобразования

гидроциклонного типа:

1 – отвод осадка; 2 – кольцевой водосборный лоток; 3 –водосборные трубы;

4 – полупо­гружная перегородка; 5 –подача исходной смеси;

6 – скребковая форма; 7 – камера хлопьеобразова­ния

Дальнейшее совершенствование процесса коагуляции связано с образовани­ем свежего раствора коагулянта непосредственно в камере смешения или осаждения при электролизе сточных вод за счёт растворения Аl или Fe – анода. Конструкциятипичного электрокоагуляционного аппарата приведена на рис.2.22.

В

В

Воздух

Воздух

Рис.2.22. Схема электрокоагулятора:

– камера подачи воды; 2 – перфорированный катод; 3 – перфорированный анод;

4 –асбестовые перегородки; 5 –камера отвода воды

Сточная вода через камеру подачи воды 1 проходит перфорированный катод 2 и ряд перфорированных анодов 3, изготовленных из двух частей, соединённых между собой механически и электрически.

Одна из частей (катод) изготавливается из графита, вторая (анод) – из железа или алюминия. Электроды разделены асбестовыми перегородками 4. Такая конст­рукция позволяет за счет растворения анода получить раствор с высокой концентра­цией коагулянта, который через камеру отвода воды направляется в отстойник. Интенсифицировать очистку сточных вод в таких устройствах можно, продувая воз­духом межэлектродное пространство, что предотвращает пассивацию электродов и образование осадка на их поверхности. Более того, часть осадка из отстойника мож­но возвращать в процесс, подавая его в сточную воду перед электрокоагулятором, что снижает электропотребление примерно на 25 %. Наибольшее распространение получили электрокоагуляторы, изготавливаемые «Гипровостокнефть» и «ВНИИПКНефтехим». Эти аппараты способны понижать концентрацию взвешенных частиц в сточной воде от 500-8000 до 15-550 мг/л, а нефти – от 300-7500 до 5-25 мг/л. Из импортных установок можно назвать продукцию американской фирмы «Форд Моторс».

2.2. ТРЁХФАЗНЫЕ ОТСТОЙНИКИ

2.2.1. Аппараты для разделения системы газ - нефть - вода

Автоматизированная концевая совмещенная сепарационная установ­ка (КССУ) ОФ ВНИИКАнефтегаза

Аппараты данной серии (рис.2.23) предназначены для разгазирования и час­тичного (до 5-20 % остаточной воды) обезвоживания нефти перед подачей ее на установку подготовки.

Г

Газ

Н

Нефть

Вода

В

ГЖС

Горячая вода

Рис.2.23.Схема автоматизированной концевой совмещенной

сепарационной установки (КССУ) ОФ ВНИИКАнефтегаза:

1 – сепаратор; 2 – брызгоулавливатель; 3 – счетчик газа; 4 – отвод нефти; 5 – распределитель;

6 – смеситель; 7 – счетчик жидкости; 8 – насадок; 9 – регулятор уровня

Установка работает следующим образом. Сырая нефть с обводнённостью 30 %и более, прошедшая первую ступень сепарации, содержащая остаточный газ в количестве 2-10 м³/м³ смешивается с горячей дренажной водой установки подготовки нефти. Затем смесь поступает в сепаратор через распределитель под уровень воды, который поддерживается на высоте 1-2 м. В сепараторе происходят дегазация и частичное обезвоживание нефти до остаточного содержания воды 10-20 % при температуре 25-30°С без применения реагента – деэмульгатора. При объеме аппа­рата 80 м³ производительность установки по сырой нефти составила 2000 т/сут. Автоматическое регулирование уровней осуществляется пневматическими регуляторами. Количество частично обезвоженной нефти, дренируемой и рециркулируемой воды измеряется турбинными счётчиками жидкости, а количество отсепарированного газа – счетчиками типа РГ.