Устройство для перекачивания нефтяного загрязнения с поверхности водоема (варианты) и способ подготовки нефтяного загрязнения к перекачиванию с поверхности водоема

 

Изобретение относится к охране окружающей среды и предназначено для борьбы с разливами нефти на поверхности водоемов. Под нефтяным загрязнением при подготовке к его перекачиванию с поверхности водоема на участке захвата образуют слой пены, отделяющий загрязнение от воды, путем формирования пузырьков в водном потоке с разрывами сплошности, через которые в поток подают нефтепродукт и воздух. Нефтепродукт перед подачей в разрывы сплошности водного потока может быть диспергирован в воздухе. Варианты устройства сконструированы на основе роторного насоса для создания слоя пены из множества устойчивых пузырьков в оболочке из нефти и перекачивания нефтяного загрязнения, отделенного от воды слоем пены. Перекачивание нефти, отделенной слоем пены, осуществляется с минимальным забором воды. 3 с. и 3 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к экологии и предназначено, в частности, для борьбы с разливами нефти.

Известно устройство для перекачивания нефтяного загрязнения с поверхности водоема, содержащее статор с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью, цилиндрический ротор с радиальными пазами, установленный внутри статора и образующий с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости, каждая из которых имеет входное и выходное отверстия, выполненные в статоре, лопатки, подвижно размещенные в пазах ротора, трубопроводы, соединенные с входными и выходными отверстиями, упомянутых полостей, в том числе отводящую напорную магистраль [1].

Недостатки. Устройство малоэффективно для перекачивания вязкой жидкости, которой является нефть, с водной поверхности из-за большого количества воды в перекачиваемой смеси. Это обусловлено практически невозможностью стабильного забора жидкости вдоль поверхности раздела. Недостаточно развитые входное, выходное отверстия устройства снижают его КПД.

Задача. Повышение эффективности перекачивания нефтепродукта за счет формирования слоя раздела между нефтепродуктом и водной поверхностью.

Поставленная задача решается устройством для перекачивания нефтяного загрязнения с водной поверхности, содержащим статор с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью, цилиндрический ротор с радиальными пазами, установленный внутри статора и образующий с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости, каждая из которых имеет входное и выходное отверстия, выполненные в статоре, лопатки, подвижно размещенные в пазах ротора, трубопроводы, соединенные с входным и выходным отверстиями упомянутых полостей, в том числе отводящую напорную магистраль, которое согласно изобретению снабжено инжекторным соплом с кавитационной вставкой, выходное отверстие одной из полостей посредством трубопровода для подачи рабочей среды сообщено с соплом, а открытый конец трубопровода, соединенного с входным отверстием этой полости, опущен ниже входного отверстия для забора нефтяного загрязнения другой полости, выходное отверстие которой сообщено с отводящей напорной магистралью, при этом сопло направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения и сообщено трубопроводами подачи среды, формирующей пузырьки, с отводящей напорной магистралью и источником воздуха.

Кроме того, кавитационная вставка может быть выполнена в виде форсунки и в этом случае последняя должна быть соединена с трубопроводами для подачи среды, формирующей пузырьки, при этом в качестве источника воздуха используется дополнительная полость, которая образуется между ротором и внутренней поверхностью статора, а входное отверстие ее сообщено с атмосферой.

Вариант устройства для перекачивания нефтяного загрязнения с поверхности водоема содержит статор с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью, цилиндрический ротор с радиальными пазами, установленный внутри статора и образующий с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости, каждая из которых имеет входное и выходное отверстия, выполненные в статоре, лопатки, подвижно размещенные в пазах ротора, трубопроводы, соединенные с входными и выходными отверстиями упомянутых полостей, в том числе отводящую напорную магистраль, но инжекторное сопло, которым снабжено устройство, выполнено с пористым вкладышем, расположенным внутри сопла с возможностью его обтекания рабочей средой, и с решеткой, установленной на выходе из сопла, причем сопло посредством трубопровода для подачи рабочей среды соединено с выходным отверстием одной из полостей, входное отверстие которой сообщено с атмосферой, входное отверстие другой полости предназначено для забора нефтяного загрязнения с поверхности водоема, а ее выходное отверстие сообщено с отводящей напорной магистралью, которая трубопроводом соединена с соплом с возможностью орошения решетки и обращенного к последней торца пористого вкладыша, при этом сопло направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения.

Это устройство может быть снабжено воздушным соплом и/или барботером, для чего между ротором и внутренней поверхностью статора образована дополнительная полость, входное отверстие ее сообщено с атмосферой, а выходное отверстие соединено с воздушным соплом и/или барботером, при этом воздушное сопло установлено над нефтяным загрязнением и направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения, а барботер размещен на глубине в водоеме.

Перед перекачиванием нефтяного загрязнения с поверхности водоема его подготавливают. Известный способ подготовки нефтяного загрязнения к перекачиванию с поверхности водоема осуществляется за счет формирования пузырьков под участком захвата загрязнения [2].

Недостатком известного способа является то, что пузырьки формируются окруженные водной пленкой, поэтому неустойчивы. Сливаясь друг с другом, они прорывают слой загрязнения. Из таких пузырьков невозможно получить устойчивый слой раздела между нефтепродуктом и водой.

При разработке изобретения ставилась задача повышения эффективности перекачивания нефтепродукта за счет подготовки устойчивого слоя раздела по границе с водной поверхностью.

Эта задача осуществлена с помощью способа подготовки нефтяного загрязнения к перекачиванию с поверхности водоема, включающего формирование пузырьков под участком захвата загрязнения, при этом под нефтяным загрязнением на участке его захвата образуют слой пены, отделяющий его от воды, путем формирования пузырьков в водном потоке с разрывом сплошности, через который в поток подают нефтепродукт и воздух.

Целесообразно, когда перед подачей в разрывы сплошности водного потока нефтепродукт диспергируют в воздухе.

На фиг.1 изображено устройство для перекачивания нефтяного загрязнения с водной поверхности, снабженное инжекционным соплом с кавитационной вставкой; на фиг.2 - устройство, в котором кавитационная вставка выполнена в виде форсунки; на фиг.3 - устройство двойного действия для перекачивания нефти; на фиг.4 - устройство-вариант.

Устройство для перекачивания нефтепродукта 1 с водной поверхности 2 содержит статор 3 с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью 4 - зеркалом сложной кривизны, цилиндрический ротор 5 с радиальными пазами под лопатки 6. Ротор 5 установлен внутри статора 3 и образует с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости 7, 8, 9, соответствующие изменениям кривизны внутренней поверхности 4 от кругового очертания, каждая из которых имеет входное 10, 11, 12 и выходное 13, 14, 15 отверстие. В устройстве двойного действия имеются две полости 7 и 8 (фиг.3), а в устройстве тройного действия - три полости 7, 8, 9 (фиг.1, 2, 4) и т.д. Для повышения эффективности перекачивания вязкой жидкости, которой является нефть и другие нефтепродукты, входные и выходные отверстия полостей, по крайней мере предназначенных для перекачивания нефти, снабжены уширениями 16. Уширения 16 выполнены в виде ниш в стенке с внутренней стороны статора. Между нишами в пределах каждой полости и между полостями остаются перемычки 17, обеспечивающие сохранение работоспособности устройства.

Устройство снабжено инжекторным соплом 18 с кавитационной вставкой 19 для производства пузырьков воздуха. Кавитационная вставка может быть выполнена как форсунка (см.фиг.2, поз.20). Для производства пузырьков может быть также использован пористый вкладыш 21 (фиг.4). В качестве активной среды для сопла 18 используется вода, подаваемая по трубопроводу 22 от одной из полостей устройства. На фиг.1 и 3 изображены устройства, в которых для нагнетания воды в сопло используется полость 7, вследствие чего входное отверстие в полость сообщено с водоемом трубопроводом 23. Причем трубопровод 23 заглублен в водоем ниже входного отверстия 11 полости 8, через которую осуществляется всас (забор) нефти. Трубопровод 22, подающий воду в сопло 18, может быть присоединен и к другой полости, например к полости 9 (фиг.2). В этом случае трубопровод 23 связывает водоем с входным отверстием 12 полости 9. В зависимости от количества полостей заборное отверстие 11 для нефти может быть сообщено с одной, двумя и т.д. полостями. Например, на фиг.1 изображено устройство, в котором полости 8 и 9 сообщены с заборным отверстием 11: заборное отверстие выполнено от полости 8 и сообщено обводным каналом 24 с полостью 9. Напорная отводящая магистраль 25 от отвода перекачиваемой нефти сообщено с соответствующими полостями: с выходными отверстиями 14, 15 полостей 8 и 9 (см.фиг.1) или с выходным отверстием 14 одной полости 8 устройства на фиг.2, 3, 4.

Поток жидкости с разрывом сплошности 26 (каверной) начинается в сопле 18. Пассивные среды, формирующие пузырьки (нефть и газ), подают в сопло по трубопроводам для подачи сред 27 и 28 соответственно. Трубопроводом 27 сопло сообщено с отводящей напорной магистралью 25, например через дроссель 29 (фиг.3). Трубопровод 28 сообщает сопло 18 с источником воздуха: с атмосферой или одной из полостей, вследствие чего входное отверстие в эту полость должно быть сообщено с атмосферой (см.фиг.2 полость 7).

Для интенсификации производства пузырьков кавитационная вставка может быть выполнена в виде форсунки 20 (см.фиг.2). Среды, формирующие пузырьки (нефть и газ), подают по трубопроводам 27 и 28 в сопло 18 через форсунку 20, при этом активной средой для форсунки является воздух. В качестве источника воздуха использована дополнительная полость. Согласно фиг.2 это полость 7.

В другом варианте устройства пузырьки в оболочке из нефти производят с помощью пористого вкладыша 21. Для инжекторного сопла с пористым вкладышем 21 активной средой является воздух, а пассивной средой - нефть. Пористый вкладыш 21 может быть выполнен из множества капиллярных трубок. С зазором относительно торца пористого вкладыша 21 установлена решетка 30. Пористый элемент установлен на расстоянии от отверстия трубопровода 28, подающего воздух в сопло так, что воздух обтекает вкладыш 21. При этом часть воздуха проходит через поры (капиллярные трубки) вкладыша. По трубопроводу 27 в сопло подают нефть, при этом торец пористого вкладыша и выходное отверстие трубопровода в сопло соориентированы так, что нефть из трубопровода поступает в сопло, орошая решетку 30 и обращенный к ней торец вкладыша. Количество нефти, отбираемой из напорной магистрали 25, регулируется с помощью дросселя 29 или определяется площадью поперечного сечения канала трубопровода 27. Нефть, орошаемая торец вкладыша 21, задерживается между решеткой 30 и торцем вкладыша. Наличие нефти со стороны выхода капилляров обуславливает получение пузырьков в оболочке из нефти.

Поступление нефтяного загрязнения в отверстие 11 можно увеличить за счет потока воздуха. Направленный в сторону входного отверстия для забора нефти поток воздуха формируется соплом 31 (см.фиг.4). Оно может быть запитано, например, от дополнительной полости 9. Входное отверстие 12 полости 9 в этом случае сообщено с атмосферой.

Процесс очистки водоема от нефти можно улучшить за счет флотации частиц нефти. Для этого устройство снабжено барботером 32, установленным возможно глубже в водоеме. Источником газа для барботера является одна из полостей устройства, работающая на воздухе, например дополнительная полость 9 устройства, изображенного на фиг.4.

Устройство устанавливается на плаву в водоем так, чтобы входное отверстие 11 полости 8 по перекачиванию нефти находилось на уровне слоя нефтяного загрязнения 1. С помощью двигателя (не показан) приводят во вращение ротор 5 устройства. При вращении ротора 5 пространства между соседними лопатками 6 изменяют свой объем. Во время увеличения объема осуществляется всас среды (нефти, воды или воздуха), а при уменьшении объема - вытеснение среды. При этом за счет уширения 16 увеличивается заполняемость пространств между соседними лопатками 6. В районе выходного отверстия возникают радиальные течения в обход лопаток по пространству уширений 16. Эти радиальные течения обеспечивают надежный вынос твердых включений в выходное отверстие, т.е. устраняется вторичная циркуляция их.

Вода, нефть и воздух по соответствующим трубопроводам подходят к соплу 18. Поток воды в сопле 18 ускоряется (фиг.1, 2, 3) и под влиянием кавитационной вставки 19 создаются условия для искусственной кавитации, для которой характерно сравнительно небольшая скорость активной среды-воды. Пассивные среды, поступающие в сопло, интенсифицируют образование устойчивых пузырьков. Образующиеся местные завихрения на границе кавитационной каверны 26 дробят и перемешивают все три фазы (вода, нефть, воздух). Поток за каверной в виде дисперсионной системы поступает в водоем. Во время всплытия в потоке частицы нефти перерождаются, обволакивают пузырьки и в виде множества мелких, устойчивых пузырьков - пены концентрируются под слоем нефтяного загрязнения 1, формируя слой раздела между водой и нефтью. Подготовленный таким образом слой нефти перекачивается с водной поверхности с минимальным забором воды. В устройстве, изображенном на фиг.2, нефть диспергируется в воздухе до поступления в каверну 26, вследствие чего интенсифицируется процесс прилипания пузырьков воздуха к частицам нефти, т.к. последние не гидратированы. Это осуществляется в форсунке 20, расположенной в сопле 18. Активной средой в форсунке является воздух. После подачи двухфазной системы из форсунки в сопло 18 диспергирование и слипание частиц нефти с пузырьками осуществляется более полно. В результате получается больше пены в единицу времени.

В устройстве, изображенном на фиг.4, часть воздушного потока, поступающего в сопло 18 из полости 7, проходит через пористый вкладыш 21 и затем через слой нефти, имеющийся в зазоре между решеткой 30 и торцом вкладыша 21. Проходя через слой-пленку нефти пузырьки приобретают оболочку из нефти и затем перемещаются в потоке в сторону входного отверстия 11 в виде пены. Множество устойчивых пузырьков - пены подхватывают слой нефтяного загрязнения, подготавливая условия для забора его через входное отверстие полости 8, ответственной за перекачку нефти в сборную емкость. Перемещение нефтяного загрязнения относительно водной поверхности 2 в сторону входного отверстия 11 улучшается за счет воздействия воздушного потока от сопла 31. Нефть на слое пены попадает в отверстие 11 полости 8, что в конечном счете снижает количество воды в сборной емкости (не показана).

При наличии барботера 32 частицы нефти из толщи воды флотируются, т.е. попадают в слой нефти, плавающий на поверхности. И затем перекачиваются в сборную емкость.

Формула изобретения

1. Устройство для перекачивания нефтяного загрязнения с поверхности водоема, содержащее статор с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью, цилиндрический ротор с радиальными пазами, установленный внутри статора и образующий с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости, каждая из которых имеет входное и выходное отверстия, выполненные в статоре, лопатки, подвижно размещенные в пазах ротора, трубопроводы, соединенные с входными и выходными отверстиями упомянутых полостей, в том числе отводящую напорную магистраль, отличающееся тем, что оно снабжено инжекторным соплом с кавитационной вставкой, выходное отверстие одной из полостей посредством трубопровода для подачи рабочей среды сообщено с соплом, а открытый конец трубопровода, соединенного с входным отверстием этой полости, опущен ниже входного отверстия для забора нефтяного загрязнения другой полости, выходное отверстие которой сообщено с отводящей напорной магистралью, при этом сопло направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения и сообщено трубопроводами для подачи среды, формирующей пузырьки, с отводящей напорной магистралью и источником воздуха.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что кавитационная вставка выполнена в виде форсунки, с которой соединены трубопроводы для подачи среды, формирующей пузырьки, а в качестве источника воздуха использована дополнительная полость, которая образована ротором с внутренней поверхностью статора, для чего ее входное отверстие сообщено с атмосферой.

3. Устройство для перекачивания нефтяного загрязнения с поверхности водоема, содержащее статор с цилиндрической некруговой внутренней поверхностью, цилиндрический ротор с радиальными пазами, установленный внутри статора и образующий с его внутренней поверхностью несообщающиеся полости, каждая из которых имеет входное и выходное отверстия, выполненные в статоре, лопатки, подвижно размещенные в пазах ротора, трубопроводы, соединенные с входными и выходными отверстиями упомянутых полостей, в том числе отводящую напорную магистраль, отличающееся тем, что оно снабжено инжекторным соплом с пористым вкладышем, расположенным внутри сопла с возможностью его обтекания рабочей средой, и с решеткой, установленной на выходе из сопла, причем сопло посредством трубопровода для подачи рабочей среды соединено с выходным отверстием одной из полостей, входное отверстие которой сообщено с атмосферой, входное отверстие другой полости предназначено для забора нефтяного загрязнения с поверхности водоема, а ее выходное отверстие сообщено с отводящей напорной магистралью, которая трубопроводом соединена с соплом с возможностью орошения решетки и обращенного к последней торца пористого вкладыша, при этом сопло направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оно снабжено воздушным соплом и/или барботером, между ротором и внутренней поверхностью статора образована дополнительная полость, входное отверстие которой сообщено с атмосферой, а выходное отверстие соединено с воздушным соплом и/или барботером, при этом воздушное сопло установлено над нефтяным загрязнением и направлено в сторону входного отверстия для забора нефтяного загрязнения, а барботер размещен на глубине в водоеме.

5. Способ подготовки нефтяного загрязнения к перекачиванию с поверхности водоема, включающий формирование пузырьков под участком захвата загрязнения, отличающийся тем, что под нефтяным загрязнением на участке его захвата образуют слой пены, отделяющий загрязнение от воды, путем формирования пузырьков в водном потоке с разрывами сплошности, через которые в поток подают нефтепродукт и воздух.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед подачей в разрывы сплошности водного потока нефтепродукт диспергируют в воздухе.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4