Устройство для разделения эмульсий

Изобретение относится к аппаратам для разделения и глубокого обезвоживания эмульгированных и аэрированных потоков невязких углеводородных жидкостей, газа и пен нефтегазовой и химической отраслей промышленности. Устройство состоит из вертикального цилиндрического корпуса, внутри которого посредством кольцевого диска с сальником установлен металлический каркас в форме многогранной пирамиды из ребер, нижних граней и крышки. В окнах пирамиды встроены и по периметру уплотнены герметизаторами влагоотделительные пакеты из полноразмерных листов пористо-ячеистых олеофильных и гидрофильных соответственно металлических и полимерных материалов. Перфорированный патрубок ввода закреплен в нижнем торце корпуса и выходит внутрь пирамиды, а патрубок вывода встроен в верхний торец корпуса. К корпусу выше диска и к его нижнему торцу подсоединены водосборные сливные карманы для автоматизированного вывода водной фазы. В результате слоистый влагоотделительный пакет установлен под углом α к горизонтали и выше уровня раздела фаз как до, так и после фильтрации основного потока. Технический результат выражается в повышении эффективности очистки продукта от влаги, производительности и долговечности, а также облегчении и упрощении монтажных работ в крупногабаритных аппаратах. 4 ил.

 

Изобретение относится к устройствам для разделения несмешивающихся жидкостей, в частности для глубокого обезвоживания эмульгированных углеводородных сред нефтегазоперерабатывающей и химической отраслях промышленности.

Известно устройство для разделения эмульсий, включающее цилиндрический корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет из композиции олеофильных и гидрофильных пористо-ячеестых полимерных и металлических материалов, уложенные слоями под углом не ниже угла оттекания жидкости, входного патрубка торцевой части корпуса и патрубка для вывода обезвоженного продукта в верхней части корпуса, водосборные сливные карманы, установленные до и после влагоотделительного пакета [1].

Недостатком данного устройства является то, что корпус устройства необходимо устанавливать наклонно, чтобы обеспечивалось условие незамокания пакета. Учитывая большие габариты аппаратов высокой производительности, это усложнит монтажные работы внутри аппарата и потребует дополнительных затрат материалов и повысит трудоемкость работ для надежного закрепления конструкции. Кроме того, как металлические пластины, так и порой листы полимерных пористо-ячеистых материалов, выпускаемые промышленностью, имеют размеры меньше, чем внутренний диаметр корпуса, что требует дополнительных работ по герметизации зазоров между торцами листов в одном и том же слое. При этом степень снижения водоотделения преобретает зависимость от качества этих герметизирующих элементов и их долговечности. К тому же высока вероятность возникновения пристенных эффектов, так как, во-первых, сложно достаточно точно вырезать криволинейную поверхность, контактирующую с внутренней поверхностью цилиндрического корпуса, в пористо-ячеистом металле. А во-вторых, даже создание превышения диаметра слоев (дисков) пористо-ячеистого полимерного материала не дает достаточного герметизирующего эффекта, ввиду его высокой остаточной пористости даже в сжатом состоянии. Эти недостатки на практике требуют увеличения общей толщины многослойного влагоотделительного пакета. Учитывая высокую стоимость этих материалов, повышенный их расход приведет к существенному удорожанию аппаратов. Более того, при фильтрации жидкости неизбежно возникают вибрации, которые не исключают срыв и скопление металлических пористо-ячеистых пластин в нижней части пакета. К тому же возможно и разрушение пакета с большим рабочим сечением. Это частично или полностью осложнит работу устройства.

Наиболее близким является устройство для разделения эмульсий, включающее цилиндрический корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет из композиций олеофильных и гидрофильных пористо-ячеистых материалов, уложенных слоями, перекрывающими рабочее сечение, под углом к горизонтали не ниже угла оттекания жидкости по направления к движущемуся потоку и на уровне, превышающем границу раздела фаз, патрубков ввода иммульсий и вывода обезвоженного продукта, водосборные сливные карманы, установленные до и после влагоотделительного пакета и снабженные узлами для автоматизированного отвода водной фазы [2].

Недостатком данного устройства являются все те же нерешенные проблемы прорыва фильтрующейся жидкости как в контактных зонах между листами в пределах одного слоя, так и на границах влагоотделительных пакетов с корпусом. Учитывая, что в последнем случае задача усложняется в вырезке даже не круглого, а более сложного эллипсообразного сечения, то надежность герметизации пакетов на границе с корпусом дополнительно уменьшается. В том случае когда используются комбинации из деформируемых и недеформируемых (твердых) неполноразмерных по сечению пористо-ячеистых полимерных материалов при вибрационной работе аппарата в процессе фильтрации также возможны нарушения в твердых слоях, их спад, наслоения и скопления в нижней части. А уменьшение сопротивлений потоку в верхних частях приведет к преимущественному току жидкостей в этой зоне. В конечном итоге, все вместе это приведет к ухудшению качества очистки продукта от влаги. Кроме того, горизонтальное расположение корпуса и вертикальное пакетов по всему внутреннему сечению даже при наличии водозаборных сливных карманов, установленных как до, так и после влагоотделительного пакета не позволяет избежать его замокания. Это, в свою очередь, приведет к накоплению мехпримесей, нарушится устойчивый режим работы вследствие интенсификации гидроударов, способных вызвать деформацию материалов пакета и нарушить их исходное стационарное расположение.

Целью настоящего изобретения является повышение эффективности разделения эмульсий и глубины обезвоживания углеводородной фазы при одновременном уменьшении толщины влагоотделительных пакетов и увеличении площади фильтрации.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве для разделения эмульсий корпус установлен вертикально, а влагоотделительные пакеты встроены в боковые поверхности металлического каркаса в форме многогранной пирамиды, основание которой обращено навстречу движущемуся потоку, при этом патрубок для ввода эмульсий установлен в нижнем торце корпуса и выполнен с перфорированными отверстиями, причем входит внутрь пирамиды, а патрубок для вывода обезвоженного продукта размещен в верхней торцевой части корпуса, причем металлический каркас многогранной пирамиды в нижней части выполнен с боковыми металлическими гранями на высоту не менее уровня раздела фаз до и после пакета и переходит в кольцевой диск, контактирующий с боковой поверхностью корпуса, снабженный сальником, при этом контактирующие поверхности между ребрами, боковыми металлическими гранями в основании и вершине каркаса многогранной пирамиды и влагоотделительными пакетами также уплотнены герметизирующими элементами.

Новизной является форма расположения влагоотделительных пакетов.

Существенным отличием является то, что данная форма одновременно позволяет использовать сплошные листы (поскольку площадь отдельно взятой грани пирамиды в несколько раз меньше полного сечения корпуса) пористо-ячеистого металла в одном слое и взамен лекальным границам получить прямолинейные границы листов. При этом значительно облегчается и герметизация граней пакетов в ребрах пирамиды резиновыми уплотнительными элементами с использованием зажимов на границах граней, а не на стыках листов в одном слое. Это одновременно исключает дополнительные операции по герметизации пространства между листами одного слоя, так и облегчает герметизацию прямолинейных границ, которые к тому же легче выполнить в более точном исполнении простыми средствами. То есть, заранее предусмотрев разбивку пакета на меньшие сектора и уплотнив их на жестких границах-ребрах, практически исключаются отрицательные пристенные эффекты и снижаются негативные последствия вибраций и гидроударов при неравномерной подаче жидкости или газа в устройство. При отсутствии вибраций и гидроударов толщину пакетов можно уменьшить. А при эквивалентном расходе фильтрующих материалов в прототипах и новом устройстве их избыток идет на увеличение площади фильтрации, то есть при одних и тех же габаритах корпуса и весе используемых влагоотделительных пакетов увеличивается пропускная способность аппарата наряду с уменьшением остаточного водосодержания в продукте. Значит получен сверхсуммарный эффект.

Нижняя часть граней пирамиды до уровня границ раздела фаз позволяет избежать намокания пакетов даже после прохождения продукта через них и полностью исключает намокание из-за разделения фаз до пакетов, то есть каркас выполняет новые функции.

Пространство между корпусом и кольцевым металлическим диском надежно герметизируется простым сальниковым уплотнением, что также исключает неконтролируемый прорыв поступающего продукта. То есть каркасное исполнение позволяет одновременно повысить жесткость и герметичность конструкции наряду с облегчением и упрощением монтажных работ по установке пакетов, в чем прослеживается также сверхсуммарный эффект.

Практическая важность нового технического решения выражается в повышении степени очистки углеводородов от воды, повышении производительности и долговечности работы устройства.

Таким образом, предлагаемое устройство отвечает всем требованиям, предъявляемым к изобретениям.

На фиг.1 изображено устройство, продольный разрез; на фиг.2 показан разрез А-А на фиг.1; на фиг.3 дано сечение пакета; на фиг.4 показан в разрезе узел крепления пакетов на боковых ребрах.

Предлагаемое устройство содержит вертикальный цилиндрический корпус 1. Внутри корпуса 1 установлен металлический каркас из наклонных ребер 2 и граней 3 многогранной пирамиды. В нижней части каркас соединен (сварен) с металлическим кольцевым диском 4, контактирующим с внутренней поверхностью корпуса 1, и снабжен сальниковым уплотнением 5. В верхней части ребра 2 пирамиды усечены и скреплены, например сварными швами, с металлической крышкой 6. В боковые окна граней каркаса между ребрами 2, нижними сплошными гранями 3 и верхней крышкой 6 встроены влагоотделительные (коалесцирующие) пакеты из слоев олеофильных и гидрофильных пористо-ячеистых металлических 7 и полимерных 8 материалов. Слои этих материалов в пакетах выполнены цельными по всей площади грани каркаса. Количество граней подбирают таким, чтобы обеспечить это условие. Все контактные поверхности между каркасом и пакетами по периметру каждой грани уплотнены герметизирующими, например резиновыми, элементами 9 и прижаты зажимами, например, в виде реек 10 с болтовым креплением 11. В нижней торцевой части 12 корпуса 1 закреплен вводной патрубок 13, выполненный в виде заглушенной трубы с перфорированными сбоку отверстиями 14. При этом перфорированный патрубок 13 выходит внутрь многогранной пирамиды, а последняя таким образом основанием обращена навстречу движущемуся потоку жидкости. В результате рабочее сечение перекрыто слоями пористо-ячеистых материалов 7, 8 под углом α к горизонтали. Последний, то есть наклон ребер 2 к каждой грани пирамиды, подбирают не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку. В верхней торцевой части 15 корпуса 1 закреплен патрубок 16 для вывода обезвоженного продукта. В корпусе 1 и его нижнем торце 12, то есть до и после кольцевого диска 4, подсоединены водосборные сливные карманы 17, 18, снабженные узлами 19, 20 для автоматизированного отвода водной фазы. При этом грани 3 металлического каркаса пирамиды имеют высоту не менее уровня раздела фаз как до, так и после прохождения жидкости через композицию влагоотделительных пакетов 7, 8. Кроме того, отверстия 14 в водном патрубке 13 также выполнены выше уровня раздела фаз как до, так и после прохождения продукта через влагоотделительные коалесцирующие пакеты.

Устройство работает следующим образом.

Обводненная эмульсия нефтепродукта поступает через отверстие 14 в патрубки 13 в приемную часть устройства (аппарата), далее фильтруется через влагоотделительные пакеты 7, 8. Благодаря лиофильным свойствам поверхности используемых металлических и полимерных материалов пористо-ячеистая структура влагоотделительного пакета заполняется в первую очередь гидрофобной фазой эмульгированной среды-нефтепродуктом (легкими фракциями газа). При этом заполненная углеводородной жидкостью пористо-ячеистая структура пакета обеспечивает возможность коалесценции основной массы более крупных, чем ячейки металла 7 первой секции, капель воды, в основном у поверхности зеркала пакета. Скатываясь по наклону пластин, обусловленным углом оттекания α, основная масса крупных частиц воды с мехпримесями собирается в сливном кармане 18 и выводится из него в автоматическом режиме узлом 20 по достижении контрольного уровня раздела фаз. Так как отверстие 14 в водном патрубке 13 выше упомянутого уровня, то повторного подхватывания отделенной воды общим потоком и подбрасывания на влагоотделительные пакеты 7, 8 не произойдет. Мелкие частицы водной фазы эмульсий увлекаются потоком в глубь композиционной структуры из различных материалов пакета. Незначительная коалесценция капель воды происходит в первой секции пористо-ячеистого материала, а основная нагрузка лежит на промежуточных полимерных 8 и металлических 7 секциях благодаря высокой развитой сети ячеек и пор меньшего размера, позволяющих обеспечить коалесценцию мелкодисперстных частиц воды в устойчивых эмульсиях. Укрупнившиеся капли воды продвигаются по направлению движения основного потока в композиции пакетов, постепенно оседают и накапливаются преимущественно в нижних частях полимерных 8 секций. А при высокой обводненности продукта капли воды выдавливаются на заднюю поверхность зеркала за наружной металлической 7 секцией влагоотделительного пакета. Далее укрупненные капли скатываются вниз в пространство между корпусом 1 и гранями 3 каркаса, соединенными в донной части кольцевым диском 4. Затем водная фаза стекает в сливной карман 17. При этом уровень во второй вышеуказанной полости регулируется автоматическим узлом 19. Таким образом влагоотделительные пакеты 7, 8 как до, так и после прохождения основного потока находятся выше уровня раздела фаз и не подвержены повторному намоканию уже отделившейся водной фазой. А герметизирующие элементы 9 по периметру каждой грани композиции 7, 8 пакета исключают пристенный прорыв нескоалесцированной водной фазы. Грани пирамиды заполнены цельными (полноразмерными) листами, что исключает прорыв нефильтрованного продукта. Это в целом повышает степень очистки первоначального продукта от воды. При исключении условий повышенного намокания пакетов исключается вероятность возникновения гидроударных нагрузок, которые могли бы разрушить пористо-ячеистые листы. Не листы пористо-ячеистого материала, а в значительной степени жесткая конструкция каркаса воспринимает все более низкого уровня вибрационные нагрузки, возникающие при неравномерной подаче жидкости. Поэтому в целом улучшаются условия работы аппарата и повышается его долговечность. Обезвоженный продукт (углеводородная жидкость, газ) направляется к выводному патрубку 16 и удаляется из аппарата.

Таким образом, существенно повышены жесткость и герметичность в пристенных слоях конструкции фильтрующего влагоотделительного пакета 7, 8 путем своеобразного армирования рабочего сечения металлическими ребрами 2 и резиновыми уплотнениями 9. Кроме того, отдельные сектора-грани пирамиды имеют прямолинейные формы и уменьшены в размерах, что облегчает не только изготовление листов 7, 8, но и монтажные работы по их установке. К тому же увеличивается общее рабочее сечение для фильтрации продукта, что позволяет снизить перепад давления в пространствах до и после влагоотделительных пакетов 7, 8 и/или увеличить производительность аппарата при эквивалентных габаритах. Значительно упрощаются монтажные работы в промышленных аппаратах с большим рабочим сечением и повышена защищенность пакетов от повторного намокания отделившейся водной фазы при эксплуатации. В итоге возможно существенное повышение степени очистки продукта от влаги.

Источники информации

1. RU, патент 2094083, кл. В01D 17/04, 1997. Бюл. №30.

2. RU, патент 2146550, кл. В01D 17/04, 2000. Бюл. №8.

Устройство для разделения эмульсий, включающее цилиндрический корпус, в котором размещен влагоотделительный пакет из композиций олеофильных и гидрофильных пористо-ячеистых материалов, уложенных слоями, перекрывающими рабочее сечение, под углом к горизонтали не ниже угла оттекания жидкости по направлению к движущемуся потоку и на уровне, превышающем границу раздела фаз, патрубки ввода эмульсий и вывода обезвоженного продукта, водосборные сливные карманы, установленные до и после влагоотделительного пакета и снабженные узлами для автоматизированного отвода водной фазы, отличающееся тем, что корпус установлен вертикально, а влагоотделительные пакеты встроены в боковые поверхности металлического каркаса в форме многогранной пирамиды, основание которой обращено навстречу движущемуся потоку, при этом патрубок для ввода эмульсий установлен в нижнем торце корпуса и выполнен с перфорированными отверстиями, причем входит внутрь пирамиды, а патрубок для вывода обезвоженного продукта размещен в верхней торцевой части корпуса, причем металлический каркас многогранной пирамиды в нижней части выполнен с боковыми металлическими гранями на высоту не менее уровня раздела фаз до и после пакета и переходит в кольцевой диск, контактирующий с боковой поверхностью корпуса, снабженный сальником, при этом контактирующие поверхности между ребрами, боковыми металлическими гранями в основании и вершине каркаса многогранной пирамиды и влагоотделительными пакетами также уплотнены герметизирующими элементами.