Способ и устройство для смешивания материалов - RU2215573C2

Описание

Настоящее изобретение относится в основном к химической переработке материалов в промышленности и, в частности, к отдельным стадиям, которые включаются во все процессы, применяемые для химической переработки, особенно в тех случаях, когда необходимо отделить различные материалы друг от друга. Точнее, настоящее изобретение относится к усовершенствованию проведения химической переработки двух или более разнородных материалов, когда неоднородные материалы необходимо отделить друг от друга либо путем выполнения одной технологической стадии, либо проведением различных стадий. Еще конкретнее, настоящее изобретение относится к стадии смешивания как к стадии предварительной переработки или к усовершенствованиям этой стадии смешивания, входящей в общий процесс разделения двух или более различных материалов друг от друга, в частности двух или более по существу несмешивающихся жидкостей или жидкостей, которые можно разделить на основе одного или более свойства или отличительного признака, которые присущи отдельным средам, например это относится к значениям плотности. В настоящем изобретении предлагается конкретное применение способов и устройства, в которых используются гидроциклоны для смешивания двух сред в качестве стадии предварительной переработки, используемой для разделения двух различных материалов, таких как масло или подобный ему материал и вода, а также для выборочного отделения взвешенных твердых частиц из среды, в которой они находятся во взвешенном состоянии и которая обычно является водой. Однако устройство и способ по настоящему изобретению можно также использовать в качестве смесителя для внедрения одного материала в другой, причем отсутствует или практически не происходит разделение этих двух материалов, например это может быть газ, который вводят в жидкость временно или постоянно для получения газированных напитков.

Хотя настоящее изобретение будет описано с конкретной ссылкой на использование гидроциклона для смешивания воздуха со сточными водами, содержащими нефтяные отходы, масла или отходы пищевой переработки, например молочных продуктов, путем образования эмульсии или аналогичной смеси в результате перемешивания воздуха с водой со сдвигом, тем не менее следует отменить, что настоящее изобретение не ограничивается описанным вариантом его реализации, существо настоящего изобретения шире этого варианта, оно охватывает другие варианты исполнения устройства, другие области применения устройства и способа по сравнению с нефтяной промышленностью и пищевой промышленностью. Примерами других областей, в которых настоящее изобретение находит применение, в общем является пищевая промышленность, и в частности приготовление напитков, включая фруктовые соки и продукты переработки молока.

Гидроциклоны обычно используют при химической переработке для разделения двух разнородных материалов на две несмешивающиеся жидкости или на твердые частицы и жидкости, в частности если имеется суспензия твердых частиц в жидкости. Ранее гидроциклоны использовали для разделения двух компонентов, содержащихся в смеси, подлежащей переработке, основываясь на одном или нескольких свойствах или параметрах одного и другого компонентов, благодаря чему каждый компонент можно выводить отдельно через выбранные для этого выходы гидроциклона. Обычно два компонента разделяют по их значениям удельных весов или плотностей. Исходный материал, содержащий компоненты, подлежащие разделению, вводят в гидроциклон в верхней его части или направляют в сторону верхней части циклона, большая часть материала по спирали опускается внутри корпуса гидроциклона, где он выводится из выхода, расположенного у основания гидроциклона (нижний продукт), а компонент меньшей плотности перемещается вверх, переходя в расположенный по центру вихревой поток, образующийся внутри корпуса гидроциклона, он выводится через другой выход, расположенный у верхней части гидроциклона, за счет разрежения, создаваемого в гидроциклоне. Таким образом, гидроциклоны должны всегда иметь два различных выхода для разных выходящих потоков, когда их используют для сепарирования материалов.

Авторы настоящего изобретения обнаружили, что гидроциклоны можно также использовать для смешивания различных материалов. Один из положительных результатов использования гидроциклона в качестве смесителя состоит в том, что облегчается последующая переработка материалов, если они удерживаются в смеси или если они сепарируются из смеси. Кроме этого, оказалось, что в общем процессе разделения двух или более различных материалов, когда гидроциклон используется для смешивания различных материалов, в качестве предварительной переработки до начала действительного процесса разделения материалы легче разделяются при последующей переработке или наоборот они образуют более качественную конечную смесь, что способствует последующему разделению материалов по сравнению со случаем, когда предварительная переработка не применяется.

В частности было также получено, что введение воздуха или газа в смесь перед ее подачей в гидроциклон в значительной степени способствует последующему разделению двух неоднородных материалов по сравнению со случаем, когда воздух или газ не используются, это имеет место, даже если два материала плотно перемешаны перед началом процесса сепарации или проведением стадий сепарирования. Было получено, что чем более качественно перемешаны компоненты в смеси, тем они легче отделяются друг от друга.

Способ и устройство по настоящему изобретению нашли применение в химических технологических процессах, а также в нефтяной промышленности, например, при отделении добываемой воды на нефтяных месторождениях, при сепарации воды на нефтеперерабатывающих заводах, при сепарации сточных вод при получении нефтехимического продукта, при сепарации балластной воды; в пищевой промышленности и в производстве напитков; при отделении воды в молочной промышленности и при производстве напитков; насыщении диоксидом углерода напитков, таких как пиво или безалкогольные напитки; при любом производстве, где требуется смешивание и/или разделение двух разнородных материалов, таких как несмешивающиеся материалы или расслаивающиеся среды; при разделении двух или более сред, имеющих разные плотности или удельные веса; при удалении твердых частиц или взвешенных твердых частиц из жидкостей, а также при аэрации или газификации жидкостей. Типы веществ или материалов, которые можно переработать в нефтяной промышленности с помощью устройства и способа по настоящему изобретению, включают светлые углеводороды, тяжелые углеводороды, смазочные масла, жирные масла и жиры, разнообразные масла и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ смешивания первого материала и второго материала с использованием смесительного устройства, в котором первый материал представляет смесь, состоящую из двух неоднородных компонентов, для облегчения разделения двух неоднородных компонентов друг от друга, отличающийся тем, что первый материал вводят в смесительное устройство через первый вход, второй материал вводят через второй вход, причем смесительным устройством управляют таким образом, что второй материал втягивают в смесительное устройство вместе с первым материалом, при этом смешивание первого и второго материалов происходит при условиях сдвига, образуя однородную смесь из первого и второго материалов, которую выводят из смесительного устройства, благодаря чему разделение двух неоднородных компонентов первого материала улучшается за счет образования однородной смеси, состоящей из первого и второго материалов.

В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения предлагается смесительное устройство, предназначенное для образования однородной смеси из первого и второго материалов, причем первый материал содержит смесь из двух неоднородных компонентов, отличающееся тем, что содержит первое входное средство для ввода первого материала в смесительное устройство, второе входное средство для ввода второго материала, смесительную камеру для формирования однородной смеси, состоящей из первого и второго материалов, при условиях сдвига, а также выходное средство для выгрузки однородной смеси из первого и второго материалов, благодаря чему улучшается разделение двух неоднородных компонентов первого материала за счет формирования однородной смеси из первого и второго материалов.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения устройство можно использовать для формирования более или менее стабильной смеси, состоящей из двух неоднородных компонентов, причем смесь разделена на два компонента в течение длительного периода времени или имеет место однородная смесь в течение существенного периода времени.

Обычно в качестве первого материала используется вода, водный раствор и т. п. В качестве второго материала используется газ, например, воздух, азот, кислород, природный газ и т.п.

Типично в качестве первого материала используют смесь сточных вод, состоящую из воды и масла или маслоподобного или олеофильного материала, которые представляют собой два неоднородных компонента. Также в качестве первого материала могут быть использованы напитки, в частности безалкогольные напитки, пиво и т.п. Более типично использование аэрации или газификации загрязненных сточных вод для улучшения сепарации масла или маслоподобного компонента из воды, причем масло захватывается или каким-либо другим способом соединяется с воздушными или газовыми пузырями, которые образуются при смешивании воздуха или газа со сточными водами при наличии сдвига в устройстве по данному изобретению. В частности напитки газируют подачей воздуха или диоксида углерода, получая при этом аэрированный или газированный напиток под давлением.

В качестве смесительного устройства используют гидроциклон или подобное ему устройство. В гидроциклоне имеется вход. Причем этот вход относится только к гидроциклону. Два материала предварительно перемешивают перед вводом в гидроциклон.

Обычно второй вход размещают в трубе, ведущей к гидроциклону. По этой трубе направляют сточные воды на вход в гидроциклон. Вход представляет собой канал для инжекции воздуха в виде трубки Вентури и т.п., расположенной в трубе, поэтому воздух или газ смешиваются со сточными водами до их ввода в гидроциклон. В частности смесь газа или воздуха с водой вводят в гидроциклон, где они дополнительно перемешиваются при наличии сдвига, образуя однородную смесь захваченных воздушных или газовых пузырей со сточными водами. Расход подмешиваемого воздуха регулируется управляющим средством, расположенным в трубе вблизи входа воздуха.

Обычно количество воздуха или газа, которое подают в сточные воды и перемешивают в них, составляет приблизительно 1-50% объема, желательно приблизительно 10-35% объема, и точнее 20-30% объема в расчете на суммарный объем смеси.

Через выходное средство однородная смесь газовых или воздушных пузырей со сточными водами подается в трубу, по которой она может направляться на стадию дальнейшей переработки. В однородной смеси масляные загрязнения связываются с газовыми или воздушными пузырями для облегчения сепарации на последующей стадии переработки. Как правило, расход воздуха или газа в виде пузырей больше расхода масла или маслоподобного материала, который следует извлечь из сточных вод.

Гидроциклон, используемый в способе и устройстве по данному изобретению, не производит какое-либо сепарирование сам по себе, он "протягивает" воздух со стороны всаса поршневого насоса в трубу, ведущую к гидроциклону, растворяя воздух и хорошо перемешивая его со сточными водами. В результате образуются миллионы крошечных воздушных пузырей, которые осаждаются на масляных каплях, взвешенных твердых частицах и т.п., затем воздушные пузырьки могут привести взвешенные частицы и капли на поверхность, способствуя сепарированию этих материалов друг от друга в процессе последующей переработки. Без использования гидроциклона в качестве смесителя на стадии, предшествующей переработке, нельзя получить равномерное распределение воздушных пузырей, а образующиеся крупные воздушные пробки ухудшат сепарацию двух неоднородных компонентов в сточных водах.

Далее настоящее изобретение будет проиллюстрировано на примере, которым не ограничивается существо изобретения. Этот пример будет описан со ссылками на прилагаемый чертеж, представляющий схематично технологическую схему, на которой показан один вариант смесительного устройства по настоящему изобретению, входящего в более крупную установку в виде ее составной части.

На чертеже схематично представлен вариант установки, в которой устройство по настоящему изобретению можно использовать для облегчения разделения двух компонентов смеси. Описанный вариант будет проиллюстрирован применительно к разделению нефти и возможно взвешенных твердых частиц из воды в нефтяной промышленности, например это относится к отделению нефти от отходов промывочной воды или от водяных стоков, собранных в колодцах, танках, в судах и т.п. В данном примере нефть и возможно взвешенные твердые частицы необходимо отделить от воды до ее повторного использования или удаления через обычную дренажную систему или ливневые стоки в природные водяные системы.

Воду, загрязненную нефтепродуктами, такими как масло, смазочные материалы и т.п., и возможно содержащую отложенные и взвешенные твердые частицы, откачивают из хранилища и/или сборной емкости 4 соответствующим насосом 6 по трубе 8. Следует отметить, что сборная емкость 4 может иметь любую форму и устройство. Клапан 10 установлен в трубе 8, он предназначен для регулирования объема воздуха, подаваемого в трубу 8 аспирационным блоком 20, расположенным в трубе 8 между клапаном 10 и насосом 6. Аспирационный блок 20 содержит емкость для газа 22 и т.п., всасывающий воздушный патрубок, предназначенный для подачи газа или воздуха в трубу 8, которые смешиваются со сточными водами, находящимися в ней, а также содержит дросселирующее средство 23 в виде клапана, который регулирует количество газа, подмешиваемого в трубу 8. Аспирационный блок 20 действует по принципу трубки Вентури или воздушного инжектирования для подачи воздуха в трубу 8, который смешивается с нагнетаемыми сточными водами, прокачиваемыми по этой трубе. Дросселирующее средство 23 может иметь любую подходящую форму, обеспечивая регулирование количества газа или воздуха, которое подают в трубу 8 в соответствии с требованиями, обеспечивая окончательное разделение нефти и воды на два отдельных компонента. Обычно в качестве газа используют воздух. Однако в зависимости от применения в качестве газа может использоваться кислород, природный газ или какой-либо другой газ или смесь из двух и более газов.

Следует отметить, что регулирующий клапан 10 может быть установлен либо до насоса 6 или за ним по ходу потока. В качестве аспирационного блока 20 можно применить нормальный блок, использующий естественную аспирацию при атмосферном давлении, или это может быть блок принудительной аспирации, работающий при повышенном давлении. Обычно аспирационный блок 20 добавляет приблизительно 25% объема воздуха к приблизительно 75% объема сточных вод в трубе 8.

Труба 24 проходит от насоса 6 в смесительное устройство 30, имеющее форму гидроциклона 30, в частности коалесцирующего. В трубе 24 установлена соответствующая арматура в виде входного канала 26, позволяющая вводить химические добавки, например флокулянты и т.п., способствующие последующему разделению сточных вод, в частности для захвата капель нефти воздушными пузырьками. На трубе 24 между входным каналом 26 и гидроциклоном 30 размещен датчик или чувствительный элемент 28, предоставляющие информацию, позволяющую управлять работой установки, в частности, регулируя расходы в различных трубах, а также количество воздуха или газа, вводимого через дросселирующее средство 23 аспирационного блока 20.

Гидроциклон 30 имеет вход 32, соединенный проточно с корпусом 34 гидроциклона 30, по этому входу в гидроциклон вводят смесь газа или воздуха со сточными водами. На другом конце гидроциклона имеется выход 36. Обычный второй выход, который имеется у существующих гидроциклонов, либо не используется, в таком случае он заглушен, либо этот выход не предусмотрен, поскольку гидроциклон по настоящему изобретению используется в качестве смесительного устройства, а не разделительного устройства, что обычно свойственно таким устройствам, и поэтому не требуются два отдельных выхода для двух отделенных компонентов, выходящих из гидроциклона. Однако в других вариантах использования второй выход имеется, он предназначен для улучшения управления гидроциклоном с целью получения однородной смеси нефти с водой при условиях сдвига, например путем регулирования противодавления в гидроциклоне.

Датчик и клапанное устройство 38 расположены в трубе 40, проходящей от выхода 36 гидроциклона 30 обратно к емкости 4 или точнее к водонапорной трубе, находящейся в емкости 4 и ведущей к сепаратору. Давление в гидроциклоне 30 определяется датчиком и клапаном 38, которые поддерживают небольшое противодавление в циклоне 30 за счет смешивания воздуха и сточных вод при условиях, обуславливающих сдвиг в циклоне 30. Поддерживая противодавление в гидроциклоне 30 выше заданного уровня управлением клапаном 38, воздух и сточные воды заставляют перемешиваться в гидроциклоне 30, способствуя разделению нефти и воды.

Как вариант гидроциклон 30 может быть снабжен двумя выходами, соединенными между собой до клапанного устройства 38, благодаря чему вся однородная смесь нефти, воды и газа направляется для последующей переработки и сепарирования.

Вдобавок к этому гидроциклон может быть снабжен устройством сбора твердых частиц, расположенным у основания гидроциклона или на основании вблизи выхода нижнего продукта и предназначенным для подбора твердых частиц, отделенных от смеси, поступающей на переработку. В таком устройстве основной выход аэрированной однородной смеси из гидроциклона осуществляется через устройство выведения верхнего продукта, расположенное на верхней части гидроциклона или рядом с ней. В таком варианте устройство сбора твердых частиц периодически очищают от них.

Воздушно-водяную смесь в гидроциклоне 30 подвергают воздействию сдвигающих сил в нем, достаточных для образования эмульсии и т.п. из воздуха, находящегося в диспергированной фазе, или из диспергированной жидкости, которые распределены в жидкой среде, которая в данном случае является водой.

При продвижении водовоздушной смеси через гидроциклон с высокой скоростью возникает сдвигающая сила, которая заставляет газ образовать бессчетное количество мельчайших пузырьков. Нефтяные частицы и взвешенные твердые частицы присоединяются к газовым пузырькам во время их продвижения через гидроциклон и трубы установки, благодаря чему, когда смесь выводят из гидроциклона в емкость для выдерживания или возвращают в исходную емкость через выходное устройство и соответствующие трубы, оставляя смесь в течение некоторого периода времени, то воздушные пузырьки будут подниматься на поверхность, где капли нефти и взвешенные твердые частицы образуют более или менее плотную пену на поверхности емкости. Поскольку пена содержит загрязняющие нефть и/или твердые частицы, то удаление пены любым соответствующим средством, например пеноотделительным брусом, приведет также к снятию нефтяных и твердых загрязнений с поверхности воды, тем самым осуществляя сепарацию нефти от воды и допуская ее повторное использование или удаление в отходы.

Следует отметить, что может быть в трубе 40 установлено второе устройство для впрыска определенного химического состава или добавок в однородную смесь воды и газа, протекающих по данной трубе. В качестве примера химической добавки можно привести флокулянт, который способствует сепарированию. В других местах проточной части могут быть установлены средства для введения химических добавок в поток.

Смесительное устройство в виде гидроциклона по настоящему изобретению нашло конкретное применение в качестве дополнительного элемента сложной установки, предназначенной для предварительной переработки загрязненных сточных вод до того, как их подвергают сепарации известным образом, используя имеющиеся технологии сепарирования, оборудование или способы или применяя новое сепарационное устройство и способ, разработанные автором настоящей заявки и которые являются предметом находящихся на рассмотрении заявок. Смесительное устройство по настоящему изобретению не используется взамен существующего сепарационного устройства, оно используется в сочетании с последним, обеспечивая неизвестное ранее и новое свойство гидроциклонов.

Способ и устройство по настоящему изобретению находят применение в различных отраслях промышленности, например, нефтяной промышленности, пищевой промышленности, при восстановлении грунтовых вод и т.п.

Преимущества способа и устройства по настоящему изобретению, обеспечивающие растворение воздуха или газа во всем объеме отходов, следующие:
возможность загрязняющим элементам, в частности пищевым остаткам, прилипать к поверхности раздела воздух/вода однородной смеси, особенно в течение первых 100 миллисекунд после образования пузырьков;
большее количество частиц отходов имеют возможность действовать в качестве зародышей для образования пузырьков;
суммарное количество образованных воздушных пузырьков настолько велико, что обеспечивается увеличение производительности по переработке материала отходов, имеющего повышенное количество загрязняющих остатков;
обеспечивается хорошее смешивание воздуха с отходами;
обеспечивается хорошее смешивание воздуха в воде;
обеспечивается столкновение частиц между собой;
устройство создает миллионы мельчайших воздушных пузырьков;
в некоторых случаях использования требуется небольшое количество флокулянтов или они не требуются, что обусловливает снижение текущих затрат и повышение устойчивости процесса, поскольку исключен один из параметров, который может нарушить технологический процесс;
сдвиг твердых частиц и последующая естественная тенденция образовывать хлопья снижаются, причем сведение к минимуму сдвига обусловлено "засасыванием" воздуха в устройство и использованием гидроциклона в качестве смесителя.

Описанное устройство приведено в качестве примера, много различных модификаций может быть представлено в рамках изобретения, включая каждый новый отличительный признак и новое сочетание признаков, как это было приведено в описании.

Понятно, что также могут быть изменения и модификации помимо приведенных в описании. Изобретение охватывает такие изменения и модификации, которые соответствуют его существу.

Реферат

Группа изобретений относится к смешиванию материалов и может использоваться в качестве предварительной операции перед процессом разделения двух или более различных материалов, в которых первый материал содержит смесь, состоящую из двух или более неоднородных компонентов, которые требуется разделить. Способ и устройство включают формирование однородной смеси из двух материалов в гидроциклоне до сепарации двух неоднородных компонентов первого материала. Устройство включает использование гидроциклона для аэрации или насыщения газом подводимого потока, благодаря чему олеофильные или другие примеси, содержащиеся в сточных водах в виде частиц, попадают в воздушные или газовые пузырьки до сепарирования масляных или других примесей от воды. Вместо использования гидроциклона в качестве сепаратора его применили в качестве смесителя, что позволило получить неожиданные результаты по улучшению сепарации аэрированных компонентов. 2 с. и 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула