Принцип работы флотации с растворённым воздухом: две детали, которые решают, будут ли нефтепродукты сухими или осадок водянистым

Где начинается принцип работы и где он обычно теряется

Принцип работы флотации с растворённым воздухом укладывается в одну фразу: воздух растворяют в потоке воды под давлением, выпускают его в резервуар множеством микропузырьков, и эти пузырьки прилипают к каплям нефтепродуктов и поднимают их на поверхность.

• Сколько нефтепродуктов остаётся в воде, уходящей из резервуара
• Сколько воды уносится вместе с извлечёнными нефтепродуктами
• Сохраняются ли оба показателя день за днём

Эти три результата определяют три вопроса конструкции: насколько пузырьки мелки к моменту встречи с нефтепродуктами, насколько равномерно они распределены по резервуару и что происходит с нефтепродуктами после того, как они всплыли.

Две установки могут иметь одинаковую занимаемую площадь и объём резервуара и всё равно вести себя по-разному на одних и тех же сточных водах, потому что ответы на эти три вопроса даёт геометрия внутри установки, а не её размер. Конструкция, которую разбирает эта заметка, — одна из таких геометрий: нефтеуловитель флотации с растворённым воздухом по китайской полезной модели CN206486308U. Она читается как ответ на две конкретные претензии к установкам, уже представленным на рынке.

Первая претензия касается того, как уходят нефтепродукты. При механическом скребке или через переливной патрубок, врезанный в стенку резервуара, всплывший слой доходит до выхода вместе с изрядным количеством воды: извлечённый продукт разбавлен, и вода, которая могла бы остаться на станции, уходит вместе с ним. Вторая — как создаются пузырьки. Обычный сатуратор сбрасывает свою водовоздушную смесь прямо в резервуар флотации: вода и воздух внутри него перемешиваются неравномерно, растворимость газа трудно удержать, а пузырьки приходят в резервуар распределёнными неравномерно и такого размера, который конструкция толком не контролирует. Ни одну из этих двух претензий не снимает резервуар большего размера. Поэтому остаток заметки держится геометрии одной конструкции, чтобы каждый вопрос привязывался к детали, которую можно показать на чертеже.

Как одна капля воды проходит через машину

Как работает флотация с растворённым воздухом — в том порядке, в котором движется вода? Последовательность неизменна, и у каждой ступени одна задача.

• Поток осветлённой воды сжимают и насыщают воздухом, так что воздух переходит в раствор, а не в пузырьки.
• Поток под давлением выпускают в резервуар, и падение давления заставляет растворённый воздух выйти в виде микропузырьков.
• В зоне контакта пузырьки встречаются с каплями нефтепродуктов и прилипают к поверхности капли.
• Каждая флокула из капли и пузырьков всплывает, потому что её суммарная плотность намного ниже плотности воды.
• Слой нефтепродуктов отводят с поверхности как концентрат, а осветлённая вода уходит ниже по высоте резервуара.

Эта последовательность общая для любой установки флотации с растворённым воздухом на рынке. Различается оборудование, которое выполняет каждую ступень, и это стоит сверять по чертежу.

Машина с первого взгляда: коническая крышка, коническое днище, скребка нет

Установка в этом разборе — вертикальный резервуар с конической крышкой и коническим днищем и без какого-либо скребкового механизма. Рис. 1 — соответствующая ей схема флотации с растворённым воздухом, перечерченная с патентного чертежа, с номерами позиций точно как на том чертеже.

• 1 корпус резервуара · 2 коническая крышка · 3 коническое днище · 4 ввод · 5 вывод · 6 дренаж (низшая точка) · 7 вывод нефтепродуктов (вершина).
• 8 ввод водовоздушной смеси · 9 камера выпуска (квадратный стальной бак, в котором стоят выпускные устройства) · 10 сатуратор (напорный бак с манометром) · 11 мобильный воздушный компрессор · 12 камера смешивания.
• 122 ситовая пластина (кольцевые щели, 20 mm). Нумерация следует патентному чертежу, поэтому рисунок можно читать рядом с оригиналом.

Прочтите в том порядке, в котором движется вода, и сразу видны три вещи. Ввод исходных сточных вод расположен высоко на стенке резервуара, поэтому поток начинается с движения вниз по наружной стороне центрального цилиндра. Водовоздушная смесь приходит к днищу этого цилиндра, а не в основную часть резервуара. И два вывода стоят на противоположных концах конструкции: нефтепродукты на вершине, очищенная вода у основания. Нефтеводоотделитель DAF обычно сравнивают по объёму резервуара, занимаемой площади и заявленной степени извлечения, и ни один из этих трёх показателей не говорит, что уходит сверху.

Деталь 1: коническая крышка вместо скребка

Крыша резервуара — конус, а вывод нефтепродуктов находится в его высшей точке. Нефтепродукты легче воды, поэтому, поднявшись, флокулы гонят их вверх по поверхности конуса к вершине: чем выше они поднимаются, тем меньше сечение, которое им нужно пройти, и тем толще становится слой. На вершине уходит концентрированный продукт с очень малым содержанием воды.

• 1 механический скребок — подвижная деталь, которая стаскивает всплывший слой, нефтепродукты и воду вместе. 2 всплывший слой до съёма.
• 3 вывод на вершине — единственный выход, который нужен нефтепродуктам. 4 продукт самоконцентрируется, поднимаясь по конусу.
• ✗ слева: водянистый осадок и подвижная деталь, требующая обслуживания. ✓ справа: сухой продукт и ноль подвижных деталей.

Именно здесь определяется счёт за утилизацию. Механический скребок стаскивает с поверхности полосу воды вместе с нефтепродуктами, и эта вода едет вместе с ними к тому, кто их забирает. Коническая крышка с выводом на вершине обходится без скребка и даёт более сухой концентрат, а ещё это на один двигатель, одну цепь и один редуктор меньше в обслуживании за срок службы установки.

Скребок и конус имеют дело с одним и тем же всплывшим слоем. Разница по содержанию воды возникает из трёх причин:

• Съём снова затягивает воду внутрь. Нож, идущий по поверхности, взбалтывает слой и подтягивает в него воду из-под низа. На выходе всегда оказывается полоса только что перемешанной смеси нефтепродуктов и воды.
• Слой, который не трогают, дренируется сам. Вода между флокулами тяжелее нефтепродуктов и, если её не возмущать, под действием силы тяжести просачивается обратно вниз через промежутки. Чем толще становится слой и чем дольше он стоит, тем суше его верх.
• Сужение сжимает его ещё раз. Подъёмная сила заводит продукт во всё более тесное пространство, и слой уплотняется. В итоге через вершину переливается то, что дольше всех пробыло наверху и дольше всех дренировалось. Скребок работает по циклу своего хода и снимает тонкие слои, не успевшие дренироваться; вывод на вершине саморегулируется и ничего не выпускает, пока слой до него не дорастёт.

Обмен стоит назвать до того, как выбирать конструкцию только по этой детали: вывод на вершине зависит от того, накапливается ли слой нефтепродуктов и остаётся ли он подвижным, поэтому сточные воды с эмульгированными нефтепродуктами — или пиковая нагрузка, приходящая быстрее, чем флокулы успевают подняться, — поведут себя не так, как рассчитан конус. Геометрия задаёт верх резервуара, а не химию внутри него.

Деталь 2: тангенциальная вихревая камера, где пузырьки заканчивают формироваться

Вторая деталь определяет качество пузырьков, а вместе с ними — вторую половину задачи извлечения нефтепродуктов флотацией с растворённым воздухом. Мелкие однородные пузырьки прилипают к каплям. Крупные и неравномерные либо промахиваются мимо капель, либо разрушают уже собранные флокулы. Если поток с растворённым воздухом сбрасывать прямо в резервуар, полный сточных вод, его разрывает сдвигом, и пузырьки сливаются в крупные бесполезные ещё до того, как окончательно сформируются.

Эта конструкция отвечает соосным цилиндром в центре резервуара, работающим как изолированный отсек. Водовоздушная смесь входит в днище этого цилиндра тангенциально, скользя по внутренней стенке, а не бьёт прямо внутрь. Вода закручивается в вихрь, сдвиг выделяет растворённый воздух множеством мелких однородных пузырьков, и только после этого пузырьки выпускают навстречу сточным водам.

• 1 водовоздушная смесь, входящая тангенциально, — она скользит по стенке камеры, а не бьёт прямо внутрь.
• 2 вихрь: пузырьки заканчивают формироваться, пока закручиваются внутри камеры.
• 3 ситовая пластина над выходом. Левый вид — сверху; правый вид — сбоку.

Одной фразой: прямая струя разбрасывает пузырьки, а тангенциальный ввод позволяет им сначала закрутиться и вызреть внутри камеры. Патент излагает ту же логику своими словами: тангенциальное расположение позволяет полностью выделить растворённый воздух и не даёт исходным сточным водам войти в контакт с водовоздушной смесью слишком рано.

Деталь 3: ситовая пластина и расширяющийся выход

Третью деталь заметить труднее всех, потому что она относится к выходу камеры смешивания, а не к самому резервуару.

• Выход камеры закрывает ситовая пластина с кольцевыми щелями шириной 20 mm в варианте, описанном в патенте. Закрученный поток пузырьков должен пройти через эти кольца, которые расчёсывают его в равномерно распределённую завесу вместо нескольких сосредоточенных струй.
• Выше пластины выход расширяется в перевёрнутый усечённый конус, похожий на раструб. Там завеса пузырьков расходится и встречает встречный поток нефтесодержащих сточных вод — именно здесь происходит прилипание, — после чего флокулы поднимаются в коническую крышу.

• 1 Сосредоточенная струя без пластины — пузырьки сбиваются в один канал и бьют прямо вверх.
• 2 Ситовая пластина — установлена поперёк отверстия перевёрнутого усечённого конуса; закрученный поток пузырьков должен пройти через её щели.
• 3 Равномерная завеса пузырьков — после щелей распределение расчёсано до однородного.
• 4 Кольцевые щели (вид сверху) — концентрические кольца шириной 20 mm в варианте по патенту, число колец задаётся требованиями флотации.

Ни одна из трёх деталей сама по себе не экзотична. Форма выхода, пластина над ним и их взаимное расположение видны на чертеже, и вместе они и составляют разницу между равномерной завесой пузырьков и одной сосредоточенной струёй в резервуаре.

Какие цифры брать в сравнение, а какие оставить в стороне

Большая часть проектной работы по флотации с растворённым воздухом, определяющей результат, приходится на сатуратор, долю рециркуляции и зону контакта, и ничего из этого не видно ни на фотографии резервуара, ни на планировочном чертеже.

Обычно первыми называют две цифры: объём резервуара и степень извлечения, и обе плохо переносятся. Степень извлечения принадлежит конкретным сточным водам, температуре и нагрузке по нефтепродуктам, поэтому одна и та же установка, заявленная для другого потока, даёт другое число. Объём резервуара, в свою очередь, ближе к показателю занимаемой площади, пока не заданы зона контакта и стоящий за ней сатуратор.

Единственный размер, который этот разбор берёт из патента на нефтеуловитель, — кольцевая щель 20 mm, и она взята из раздела вариантов осуществления этого документа. Размер пузырьков, доля рециркуляции и соотношение воздуха и взвешенных веществ здесь не выводятся из геометрии резервуара, потому что они следуют из сточных вод, а не из конструкции. Исключение — цифры насыщения, приведённые в следующем разделе; они взяты из описания парного патента на систему растворённого воздуха и говорят о том, на что эта система рассчитана, а не о том, что даст какой-либо конкретный поток. Читайте любую такую цифру как отправный метод, а не как спецификацию, и берите подтверждённое значение у производителя для вашего потока сточных вод.

Как эта конструкция соотносится с обычными системами DAF

Три решения стоит поставить рядом: обычный сатуратор со сбросом прямо в резервуар флотации, прямоугольный флотационный отстойник со скребком и конструкция, разобранная выше. Различия приходятся на два места — где и как создаются пузырьки и откуда всплывшие нефтепродукты покидают резервуар и сколько воды они уносят.

Поставьте три решения рядом — и преимущество этой конструкции сосредоточено в одном месте: в управлении пузырьком. Пузырьки формируются внутри изолированной камеры, в вихре, и проходят через ситовую пластину, прежде чем их выпускают; та же пластина не даёт исходным сточным водам встретиться с водовоздушной смесью слишком рано, и именно это не позволяет популяции пузырьков пострадать до того, как она окончательно сформируется. Со стороны нефтепродуктов концентрацию делает конус, и ни одна подвижная деталь не касается поверхности воды. Взамен получаются более сухой концентрат, меньше воды, уходящей вместе с нефтепродуктами, и на одну строку в обслуживании меньше, чем со скребком.

Частые ошибки

• Сравнивать только по объёму резервуара или по занимаемой площади. Две установки с одинаковым контуром могут давать очень разные объёмы нефтесодержащего осадка на утилизацию, и на планировочном чертеже эта разница не видна.
• Считать, что один механизм съёма нефтепродуктов так же хорош, как другой. Скребок, переливная щель и вывод на вершине по-разному обходятся с водой, уходящей вместе с нефтепродуктами, и разница приходит в счёте за утилизацию.
• Покупать по заявленной степени извлечения. Процент принадлежит конкретным сточным водам и конкретному испытанию, и вопрос, на каком потоке его измеряли, информативнее самой цифры.
• Никогда не спрашивать, как создаются и распределяются пузырьки. Пузырьки, сливающиеся до встречи с нефтепродуктами, работают так же, как крупные, и видно это именно на чертеже.
• Считать двигатели в последний момент. Всё, что движется по поверхности воды, — строка в обслуживании, а у конструкции без поверхностного скребка такая строка на одну меньше.

Самопроверка перед сравнением поставщиков

• Откуда нефтепродукты покидают резервуар и что гонит их туда? Попросите чертёж вывода. У нефтеводоотделителя DAF, который зависит от скребка, он будет; у самоконцентрирующейся геометрии — нет.
• Как пузырьки создаются, распределяются и защищаются, пока формируются? Попросите показать схему флотации с растворённым воздухом для зоны контакта, а не только контурный чертёж резервуара.
• Сколько подвижных деталей касается технологической воды или слоя нефтепродуктов? Каждая из них — строка в обслуживании за срок службы установки, и каждая — место, где может отказать привод.
• На каком потоке измеряли заявленную степень извлечения и что именно измеряли — нефтепродукты, жиры или взвешенные вещества?
• Заданы ли расположение выводов, нагрузка сатуратора и геометрия зоны контакта для ваших сточных вод, или скопированы из общей таблицы?

Итак, три вопроса, и за каждым ответом — чертёж. Описанная здесь конструкция защищена полезной моделью CN206486308U, поданной 27 февраля 2017 года и опубликованной на Google Patents — одном из первых восьми патентов портфеля, все они с одним и тем же изобретателем в качестве первого автора. Приведённые выше рисунки перечерчены с патентного чертежа, а цифры в этой заметке взяты из двух описаний патентов: кольцевая щель 20 mm — из варианта осуществления нефтеуловителя, данные по насыщению — из парной системы растворённого воздуха. Что те же вопросы дадут для вашего потока — расположение выводов, нагрузка сатуратора и геометрия зоны контакта в предложенной вам установке — подтверждается у производителя для вашего потока сточных вод, а не предполагается по этой заметке.