Категории
Механика 
Автоматизированная концевая совмещенная сепарационная установка (КССУ) ОФ ВНИИКАнефтегаза 2 страница просмотров - 205
Рис. 2.6. Схема вертикального стального резервуара:
1 – световой люк; 2 – вентиляционный патрубок; 3 –огневой предохранитель;
4 – дыхательный клапан; 5 –замерной люк; 6 – указатель уровня; 7 – люк-лаз;
8 – сифонный кран; 9 – подъемная труба; 10 – хлопушка; 11 – шарнир подъёмной трубы;
12 – приёмно-раздаточные патрубки; 13 – перепускное устройство; 14 – лебедка;
15 – управление хлопушкой; 16 – роликовый блок
Вторым примером аппарата может служить горизонтальный объёмный отстойник (рис. 2.7).
| v |
| Woc |
| h1 |
| h2 |
| h |
Рис. 2.7. Схема горизонтального отстойника:
1 – эмульсия; 2 – лёгкая жидкость; 3 – тяжелая жидкость
Смесь поступает в отстойник вблизи уровня раздела фаз, а уровень тяжелой жидкости (вода) плотностью ρт поддерживается или регулятором уровня или сифоном («утка»).
Уровни тяжелой жидкости h1 и лёгкой жидкости h2, а также высота стальной трубы («утка») связаны следующим уравнением, вытекающим из законов гидростатики:
, (2.1)
откуда высота сливной трубы равна
. (2.2)
Всплывшая на поверхность воды нефть, перетекает в сборник 3, откуда откачивается насосом. Плавающие доски 2 служат ограничителями, предотвращающими перетекание нефти из одной части отстойника в другую.
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. Οʜᴎ 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 |
| 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 (к примеру, 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, к примеру, 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, к примеру 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 обычно классифицируют 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 обычно классифицируют 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 крайне важной 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, к примеру 1 ПГК (рис.2.15); сооружения ВНИИТНефти, к примеру, 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. При этом 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.
В случае 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) принято называть осветлением, асам процесс, соответственно, осветлением во взвешенном слое осадка. Большинство коагулянтов работает в достаточно узком диапазоне рН. К примеру, для сульфата алюминия это диапазон значений 6,8-7,5. По этой причине 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 (к примеру, 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.
Сегодня 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. Сегодня 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, к примеру, катионные полиэлектролиты марок КФ-4, КФ-6, ОКФи др. При этом 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, к примеру 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.
По этой причине 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 |