Способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство для его осуществления

 

Способ разделения неустойчивых эмульсий и устройство дляего осуществления. Изобретение может найти применение в различных областях техники и охраны окружающей среды. Сущность изобретения: разделяемую эмульсию предварительно подвергают центробежной сепарации и вводят ее в сепарационную емкость двумя потоками. Сверху вводится поток, обогащенный легким компонентом, снизу - поток, обогащенный тяжелым компонентом. Далее потоки движутся навстречу друг другу, встречаются, изменяют направление на противоположное. В таком порядке, однократно или многократно повторенном, потоки перемещаются к выводным патрубкам. Указанную последовательность операций осуществляют в устройстве, вводной узел которого выполнен в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком и открытыми верхним и нижним торцами. Вводной узел размещен в первой секции сепарационной емкости, разделенной перегородками. Первую секцию от последующих отделяют две перегородки, между которыми в средней зоне имеется переточный канал. Вторая секция отделена от последующей перегородкой, края которой расположены на расстоянии от верхнего края и днища емкости. Последующие секции образованы установленными в чередующемся порядке перегородками, прикрепленными к днищу, и перегородками, края которых расположены на расстоянии от верха и днища емкости. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к разделению эмульсий из двух несмешивающихся жидкостей с различной плотностью и может найти применение в различных областях техники и охраны окружающей среды, например, для регенерации масел в машиностроении, регенерации моющих растворов ремонтных предприятий на транспорте и в машиностроении, в нефтедобыче и нефтепереработке, пищевой и парфюмерной промышленности, очистке сточных вод от нефтепродуктов и жиров, очистке водоемов от нефтепродуктов.

Наиболее близким по решаемой задаче и используемым техническим средствам к предложенному является способ разделения двух жидкостей с различной плотностью и устройство для его осуществления (см. источник).

Согласно известному способу разделяемой эмульсии придают вращательное движение в виде вихря с вертикальной осью, разделяют ее за счет воздействия центробежных сил на две фракции, различающиеся по содержанию компонентов. Фракцию, обогащенную легким компонентом, выводят из приосевой зоны вихря вверх, в слой тяжелого компонента, находящегося в сепарационной емкости, через диспергирующее устройство. Фракцию, обогащенную тяжелым компонентом, отводят вниз из периферийной зоны вихря в слой тяжелого компонента, в придонную зону сепарационной емкости. В сепарационной емкости завершается процесс разделения за счет воздействия сил гравитации, и разделенные компоненты выводят из верхней и нижней зон емкости.

Известное устройство включает сепарационную емкость с патрубками вывода разделенных компонентов в верхней и нижней ее частях. В слое тяжелого компонента указанной емкости размещен узел ввода разделяемой эмульсии, выполненный в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндроконический корпус с тангенциальным входным патрубком. Верхний отвод потока, обогащенного легким компонентом, выполнен в виде расширяющейся вверх воронки с диспергирующим устройством. Нижний отвод потока, обогащенного тяжелым компонентом, выполнен в виде отверстия в нижней конической части корпуса.

Недостатками известного технического решения являются: ввод предварительно разделенных фаз только в слой тяжелого компонента, независимо от состава разделяемой эмульсии, необходимость создания в сепарационной емкости первоначального слоя тяжелого компонента такой высоты, чтобы узел ввода весь был погружен в этот слой, невысокая интенсивность гравитационного разделения.

Цель изобретения повышение эффективности разделения неустойчивых эмульсий, независимо от содержания компонентов в исходной смеси, и упрощение использования.

Это достигается в предложенном способе благодаря тому, что поток, обогащенный легким компонентом, вводят в верхнюю зону сепарационной емкости, за счет чего исчезает необходимость предварительного заполнения емкости разделенными компонентами: с самого начала процесса фазы заполняют емкость таким образом, что тяжелая фаза заполняет емкость снизу, а легкая сверху, и дальнейшее поступление потоков происходит в слой, соответствующий компоненту, находящемуся в этом потоке в повышенной концентрации; обеспечивается встречное движение предварительно разделенных фаз, что позволяет верхнему потоку быстрее освобождаться от тяжелого компонента, а нижнему от легкого. Многократное изменение направления движения потоков интенсифицирует дальнейшее освобождение потоков от примесной фазы. Ускоренное движение потока, обогащенного тяжелым компонентом, вверх способствует лучшему выделению из него легкого компонента.

Предлагаемый способ может быть применен для разделения эмульсий с очень низким содержанием одного из компонентов (менее 0,1%), если емкость предварительно заполнить этим компонентом в количестве не менее 0,05 объема емкости.

Согласно изобретению поставленная задача в предложенном устройстве решается благодаря тому, что оно снабжено вертикальными перегородками, разделяющими емкость на секции, первая из которых отделена от предыдущей двумя перегородками, одна из которых расположена у верхнего края емкости, а другая присоединена к днищу, образуя в средней зоне емкости переточный канал, вторая секция отделена от последующей перегородкой, края которой расположены на некотором расстоянии от верхнего края и днища сепарационной емкости, образуя два переточных канала один в верхней зоне емкости, для потока, обогащенного легким компонентом, а другой в придонной зоне, для потока, обогащенного тяжелым компонентом, последующие секции образованы установленными в чередующемся порядке перегородками, присоединенными к днищу, и перегородками, края которых расположены на расстоянии от верхнего края и днища емкости таким образом, что верхние края перегородок, присоединенных к днищу, расположены выше нижних краев соседних перегородок, и верхние края перегородок, установленных на некотором расстоянии от верхнего края и днища емкости, ступенчато понижаются в направлении к выводным патрубкам, при этом центробежный сепаратор размещен в первой секции, и его корпус выполнен в форме цилиндра с верхним и нижним торцами, открытыми и размещенными соответственно в верхней и придонной зонах сепарационной емкости. Перегородка, прикрепленная к днищу, располагается на расстоянии от последующей соседней перегородки, в 1,5-3 раза превышающем расстояние от этой перегородки до предыдущей соседней перегородки. Такая конструкция обеспечивает одновременный ввод эмульсии через верхний и нижний слои заполняющей сепарационную емкость жидкости. Через верхний слой вводится поток, обогащенный легким компонентом, а через нижний слой поток, обогащенный тяжелым компонентом. Обогащенный теми или иными компонентами поток поступает в емкость через тот слой, который в наилучшей мере способствует скорейшему разделению эмульсии. При этом предложенное расположение перегородок в совокупности с положением цилиндрического корпуса центробежного сепарационного узла ввода позволяет обеспечить оптимальные условия распределения эмульсии независимо от процентного содержания компонентов в эмульсии.

Если меняется состав входной смеси, то при увеличении, например, доли легкой фракции в 2 раза (с 10 до 20%), поток через верхний торец цилиндра возрастает именно на эту величину (на 10%). Поток же через нижний торец цилиндра уменьшится соответственно на 10% Более того, если исходная смесь будет состоять только из воды, то вся эта вода попадает в разделительную емкость через нижний слой жидкости, при этом через верхний слой поступления жидкости не будет, и наоборот, если исходная смесь будет содержать только масло, весь поток будет поступать только через верхний торец. Обеспечиваемая перегородками схема движения потоков позволяет использовать скорость движения потока для интенсификации гравитационного осаждения.

Выбор расстояния между перегородками позволяет на определенных участках замедлять или ускорять движение потока в том направлении, которое наилучшим образом сочетается с воздействием сил гравитационного осаждения.

На фиг. 1 изображено устройство для разделения эмульсий (вид сверху); на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Устройство содержит сепарационную емкость 1, разделенную вертикальными перегородками 2-7 на секции. В первой секции размещен узел ввода, выполненный в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндрический корпус 8 с тангенциальным входным патрубком 9, открытыми верхним 10 и нижним 11 торцами, расположенными соответственно в верхней части емкости 1 у ее днища 2. Первая секция емкости 1 отделена от последующей секции перегородкой 3, прикрепленной к днищу 12 и перегородкой 2, закрепленной у верхнего края емкости 1. Между перегородками 2 и 3 образован переточный канал 13, расположенный в средней зоне емкости 1. Вторая секция отделена от последующей секции перегородкой 4, края которой расположены на расстоянии от верхнего края емкости 1 и ее днища 12, образуя верхний 14 и нижний 15 переточные каналы. Последующие секции образованы установленными в чередующемся порядке перегородками 5, 7, присоединенными к днищу 12, и перегородкой 6, края которой расположены на некотором расстоянии от верхнего края и днища 12 емкости 1. Верхние края перегородок 3, 5 и 7 расположены выше нижних краев перегородок 4 и 6, верхние края перегородок 4 и 6 ступенчато понижаются к выводным патрубкам 16 и 17, расположенным на разном уровне и служащим для отвода соответственно тяжелого и легкого компонентов. Расстояние между перегородкой 3 и перегородкой 4, а также между перегородками 5 и 6 в 1,5-3 раза больше, чем между перегородкой 4 и перегородкой 5, а также между перегородками 6 и 7.

Предлагаемый способ осуществляется в вышеописанном устройстве следующим образом.

Поток исходной смеси через тангенциальный патрубок 9 поступает в среднюю часть цилиндрического корпуса 8 центробежного сепаратора и закручивается в виде вихря с вертикальной осью. Начинается процесс предварительной сепарации под воздействием центробежных сил. При этом энергия потока гасится, преобразуясь в вихревое движение. Легкий компонент концентрируется в приосевой зоне вихря, тяжелый в периферийной. Легкая фракция через торец 10 цилиндрического корпуса 8 переливается в сепарационную емкость 1, формируя верхний, более легкий слой. Тяжелая фракция выходит через нижний торец 11 в придонную зону емкости 1, формируя нижний, более тяжелый слой. При этом ввод эмульсии в емкость происходит без дробления струи и вторичного диспергирования, как это происходит при использовании механических отбойников. В то же время обеспечивается хороший контакт предварительно отсепарированной фракции со слоем того компонента, которым обогащена данная фракция. В сепарационной емкости (первой ее секции) предварительно разделенные фракции двумя потоками перемещаются вертикально навстречу друг другу вдоль перегородок 2 и 3. В верхнем потоке происходит слияние мелких капель тяжелого компонента и их быстрое осаждение благодаря тому, что вектор скорости и вектор гравитационных сил однонаправленны. То же самое происходит с каплями легкой фракции в нижнем потоке, при этом направление потока вверх способствует выносу капель в слой легкого компонента. Затем потоки встречаются в средней зоне емкости и через канал 13 перемещаются в среднюю зону емкости, где изменяют направление движения на противоположное. Поток, обогащенный легким компонентом, движется снизу вверх. Далее движение потоков повторяется в той же последовательности однократно или несколько раз. При этом перегородки 4 и 6 задают определенный уровень слоя, обогащенного легким компонентом, удерживают промежуточный слой и оставляют свободным проход для потока, обогащенного тяжелым компонентом. Перегородки 5 и 7 направляют поток, обогащенный тяжелым компонентом, вертикально вверх для ускоренного освобождения от капель легкого компонента. Этот эффект усиливается сужением проходного сечения между перегородками 4 и 5 и перегородками 6 и 7, т.к. скорость подъема капель легкого компонента складывается со скоростью их всплытия в тяжелом компоненте. В промежутках между перегородками 3, 4 и 5, 6 скорость потока снижается, а вертикальная компонента скорости становится еще меньше за счет того, что средняя траектория перемещения потока через увеличенное сечение секции становиться более пологой. Это позволяет всплывать мелким каплям легкого компонента, несмотря на то, что вертикальная составляющая скорости потока и выталкивающая сила направлены в противоположные стороны.

Иначе организовано течение потока, обогащенного легким компонентом. Перегородками 4 и 6 создают каскад уступов, протекая через которые, легкая фракция под действием силы тяжести стекает по перегородкам, получая ускорение вниз. Под воздействием этого ускорения капли тяжелого компонента выделяются из потока и переходят в поток, двигающийся со стороны днища, т.е. в поток, обогащенный тяжелым компонентом. Вблизи промежуточного слоя поток замедляется и изменяет направление движения. Скорость потока при этом сильно снижается, что также способствует выпадению капель тяжелого компонента. Выпуск продуктов разделения осуществляется известным способом через патрубки 16 и 17. Нижние кромки патрубков 16 и 17 расположены на уровнях, которые определяются соотношением плотностей разделяемых компонентов. Перегородка 18, расположенная перед патрубком 16 для слива тяжелого компонента, установлена на некотором расстоянии относительно днища 12. Размер зазора определяется вязкостью и объемом протекающей жидкости.

При разделении эмульсий с очень низким содержанием одного из компонентов целесообразно предварительно заполнить сепарационную емкость этим компонентом до объема, составляющего не менее 0,05 ее объема. При этом формирование разделяющего слоя компонента ускоряется, и процесс проходит эффективнее.

Извлечение из устройства твердых частиц, скапливающихся главным образом в первой секции, может быть произведено через патрубок 19 для отвода осадка или другими известными способами. Все детали устройства могут быть изготовлены из таких материалов, как сталь, нержавеющая сталь, пластмассы. Важно по крайней мере, чтобы перегородка 18 была закреплена в стенках емкости герметично. На фиг. 1 и 2 приведена лишь принципиальная схема устройства. Реальное устройство может быть снабжено перегородками, изменяющими направление движения жидкости не только в вертикальной плоскости, а практически в любых плоскостях. Тем не менее, эффект разделения достигается за счет перемещения потоков в вертикальной плоскости. Поэтому изменение направления в других плоскостях, в первую очередь горизонтальной, может использоваться для придания устройству формы, требуемой по технологии или исходя из имеющегося свободного пространства.

Экспериментальные работы, на основании и с учетом которых сделаны изложенные выше выводы, проводились на макетах установок из прозрачного органического стекла объемом от 18 до 25 л, которые позволяли наблюдать и моделировать детали процесса разделения при самых различных условиях и концентрационных составах исходных смесей.

Основной объем экспериментальных данных получен на неустойчивых эмульсиях, образованных водой и минеральным маслом типа ВМ-6, водой и дизельным топливом, раствором каустической соды в горячей воде и отработанными нефтепродуктами, образующимися при промывке деталей вагонных тележек, горячей воды и смешанных остатков промывки железнодорожных цистерн из-под мазута, масел, бензина, на жиросодержащих сточных водах и ряде других эмульсий.

Анализ всей совокупности полученных экспериментальных и теоретических исследований подтверждает, что данное техническое решение обеспечивает эффективное разделение неустойчивых эмульсий широкого спектра по составу и природе компонентов.

Формула изобретения

1. Способ разделения неустойчивых эмульсий, заключающийся в том, что эмульсии придают вращательное движение в виде вихря с вертикальной осью, разделяют ее путем воздействия центробежных сил на две фракции, отводят фракцию, обогащенную легким компонентом, из осевой зоны вихря вверх, а фракцию, обогащенную легким компонентом, - из периферийной зоны вихря вниз, фракции вводят в сепарационную емкость двумя потоками, причем фракцию, обогащенную тяжелым компонентом, вводят в придонную зону емкости, осуществляют последующее гравитационное разделение эмульсии и раздельный вывод фаз, отличающийся тем, что фракцию, обогащенную легким компонентом, вводят в верхнюю зону емкости, а гравитационное разделение производят при движении двух потоков сначала навстречу друг другу в вертикальном направлении до встречи, а затем в противоположном направлении.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что движение потоков навстречу друг другу и в противоположном направлении при гравитационном разделении повторяют несколько раз.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость движения вверх потока, обогащенного тяжелым компонентом, выше скорости его движения вниз.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что при разделении эмульсии с содержанием одного из компонентов менее 0,1% перед вводом потоков в сепарационную емкость производят предварительное заполнение не менее 0,05 объема емкости этим компонентом.

5. Устройство для разделения неустойчивых эмульсий, включающее сепарационную емкость с патрубками вывода фаз, размещенный в емкости узел ввода эмульсии, выполненный в виде центробежного сепаратора, имеющего вертикальный цилиндрический корпус с тангенциальным входным патрубком в средней части и отводами фаз в верхней и нижней частях, отличающееся тем, что оно снабжено вертикальными перегородками, разделяющими емкость на секции, первая секция отделена от последующей перегородками, одна из которых закреплена у верхнего края емкости, а другая присоединена к днищу с образованием в средней части емкости переточного канала, вторая секция отделена от последующей перегородкой, края которой расположены на расстоянии от верхнего края и днища емкости с образованием двух переточных каналов в верхней и нижней частях емкости, последующие секции образованы перегородками, установленными в чередующемся порядке, при этом верхние края перегородок, присоединенных к днищу, расположены выше нижних краев соседних перегородок, а верхние края перегородок, установленных на расстоянии от верхнего края и днища емкости, ступенчато понижаются к отводам фаз, при этом центробежный сепаратор размещен в первой секции, а корпус центробежного сеапаратора выполнен с открытыми верхним и нижним торцами, размещенными соответственно в верхней и придонной зонах емкости.

6. Устройство по п. 5, отличающееся тем, что расстояние между перегородкой, прикрепленной к днищу, и последующей перегородкой в 1,5 - 3 раза больше, чем расстояние между перегородкой, прикрепленной к днищу, и предыдущей перегородкой.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2