Перейдем к механическим процессам в нефтехимии. Под механическими процессами подразумевается процесс механического разрушения твердого материала с целью получения фракций с меньшим размером частиц (кусков). На первый взгляд может показаться, что их здесь быть не может – ведь нефть сама по себе жидкость. Однако стоит вспомнить продукты, имеющие твердое состояние: сажа, кокс и пек.

Мы уже говорили о них раньше, когда обсуждали крекинг, пиролиз и их вариации. В нефтегазопереработке измельчение применяют при дроблении кокса, производстве молотой серы, катализаторов и отбеливающих глин для адсорбционной очистки масел. Несмотря на то что в этих процессах образование кокса старались избежать, но для полного и экологичного производства, а также для нужд других отраслей эти продукты необходимы.

Мера измельчения – это соотношение диаметра первоначальной фракции и конечной, для полноты картины используют также и объемное соотношение. Более полной характеристикой материала является его удельная поверхность, т. е. поверхность кусков, приходящаяся на единицу их массы или объема. В зависимости от размеров кусков исходного материала различают два вида измельчения: дробление и помол. Дробление осуществляют сухим способом, а помол часто проводят с использованием воды, что предотвращает загрязнение окружающей среды пылью и облегчает транспортировку измельченного материала.

Аппараты, используемые в данном процессе, – это щековая дробилка, валковая мельница и грохот. Сам процесс дробления подразделяется на открытый и замкнутый цикл. При открытом цикле измельчение проводят разово, на выходе получается смесь изначальной и конечной фракций. В закрытом исполнении крупная фракция возвращается в процесс, а мелкая выходит из него.

Но что же представляют собой сами аппараты? Щековая дробилка – это аппарат для механического измельчения с помощью контакта фракции между двумя плоскостями, называемыми щеками: 1 – неподвижная и 2 – подвижная. На рисунке 12 приведена схема такого аппарата, где 3 – ось, 4 – вал, 5 – маховик, 6, 7 – распорные клинья, 8 – пружина, 9 – тяга, 10 – распорная плита, 11 – шатун.

Рисунок 1. Щековая дробилка

Второй аппарат – валковая мельница. В ней фракция измельчается при прохождении между двумя валами. Но подобный агрегат может выглядеть и как ступа. Здесь взаимодействуют вал, который конструкционно напоминает колесо поезда, с неподвижной поверхностью. В таких аппаратах получают фракцию, которую в быту мы назвали пылью. Однако это все еще будет средний помол.

Здесь стоит остановиться и уточнить классификацию. Что считать дроблением, а что – помолом? Существуют ли степени измельчения и от чего они зависят? Ответы – в таблице 1.

Таблица 1. Классификация фракций механической обработки

Щековая дробилка, как и конусная, применяется для крупного дробления. В конусной дробилке измельчение происходит за счет сжатия материала между двумя усеченными конусами. Внутренний конус вращается эксцентрично, периодически приближаясь к стенке наружного конуса, зажимая и разрушая материал. Раздробленный материал выталкивается в расширяющуюся часть конической кольцевой щели и ссыпается вниз.

Если говорить о среднем и мелком дроблении, то такая обработка происходит в следующих аппаратах: валковая дробилка, молотковая дробилка, ударно-дисковые мельницы.

Молотковая дробилка представляет собой диск, вращающийся на горизонтальной оси внутри корпуса, выложенного износостойкими плитами. На вращающемся диске по всей его окружности шарнирно укреплены молотки. При его вращении (окружная скорость до 55 м/с) молотки получают радиальное направление и ударяют по поступающему в мельницу материалу. Измельченный материал проталкивается через колосниковую решетку, расположенную в нижней части корпуса; степень измельчения регулируется изменением ширины щели этой решетки.

Мельницы работают по следующему принципу: на дисках по окружности размещены ударные пальцы, расположенные таким образом, что каждый ряд пальцев одного диска входит между двумя рядами пальцев другого. Под действием центробежной силы поступающий в дезинтегратор материал отбрасывается дисками к периферии и попадает в область перемещающихся пальцев. При этом материал измельчается и выбрасывается через зазоры между пальцами в корпус мельницы, откуда и удаляется. В отдельных конструкциях дезинтеграторов один из дисков может перемещаться, что позволяет очищать внутреннюю полость мельницы. Данные агрегаты представлены на рисунке 2.

Рисунок 2. Аппараты среднего и мелкого дробления

Тонкое измельчение проводят в следующих аппаратах: барабанные мельницы, кольцевые мельницы, вибрационные мельницы и бегуны. Рассмотрим каждый агрегат в отдельности.

Начнем с бегунов. По устройству они похожи на валковые мельницы, но отличаются степенью измельчения. Применяются два типа мельниц-бегунов. В первом типе чаша неподвижна, а катки вращаются от привода. Во втором – вращается сама чаша с материалом, катки же движутся без специального привода, за счет трения о материал.

А теперь перейдем к мельницам. Барабанно-шаровая мельница – устройство для измельчения твердых материалов внутри полого вращающегося барабана. В барабанных мельницах измельчение ведут с помощью мелющих тел – шаров или стержней. Материал разрушается под действием ударов падающих тел, а также истирания между ними и внутренней поверхностью барабана.

При вращении барабана шары благодаря трению о стенки поднимаются в направлении вращения и затем падают. Такая работа эффективна только при определенной частоте вращения. Если обороты слишком велики, центробежная сила прижимает шары к корпусу, и они не падают, переставая измельчать материал. При слишком низких оборотах подъем оказывается недостаточным, и падающие шары не обладают нужной энергией для эффективного удара.

В кольцевых мельницах измельчение происходит так: ролики или шары, перекатываясь по кольцевому вкладышу, раздавливают и истирают материал. А вот чем именно прижимаются эти рабочие тела к поверхности – зависит от типа мельницы. Если прижатие обеспечивается центробежной силой, возникающей при вращении, – перед нами центробежная мельница. Если же шары (или валики) прижимаются пружинами – значит, конструкция пружинная.

И если говорить о вибрационных мельницах, то их используют для особо тонкого измельчения. Они представляют собой барабан, на 70–80 % заполненный вибрирующими шарами. Барабан приводится в колебательное движение дебалансным валом. Измельчение материала в вибрационных мельницах осуществляется благодаря интенсивному движению и частым взаимным ударам шаров друг о друга. Корпус устанавливается на пружинящей опоре, предотвращающей передачу вибрации основанию мельницы.

Теперь затронем тему перемещения твердого материала. Существует несколько вариантов: конвейерная лента и пневмотранспорт. Принцип пневмотранспорта заключается в проталкивании в трубопроводе фракции путем подачи сжатого воздуха или азота под давлением. Этот метод считается весьма перспективным: он компактнее и проще в обслуживании, чем конвейер. Однако у него есть и недостаток – сложность транспортировки крупных и твердых частиц. Они могут повредить трубопровод, что может привести к аварии и остановке.

Третий способ – шнековый. Его принцип основан на вращении спирали (шнека) внутри желоба, которая проталкивает материал вперед. Этот механизм знаком нам по обычной мясорубке.

Шнек также выполняет функцию дозатора, что позволяет плавно перейти к теме точного дозирования твердых и сыпучих материалов. Еще один тип вращающегося дозатора – шлюзовой питатель. Вращаясь вокруг своей оси, его ротор с лопастями или ячейками захватывает порцию материала и перемещает ее. Также существуют тарельчатый и плунжерный дозаторы (питатели). Последний действует по принципу поршня (или шприца), который проталкивает фракцию под давлением вперед. Разумеется, эффективность этого процесса напрямую зависит от давления и площади цилиндра.

Тарельчатый питатель представляет собой вращающуюся тарелку, на которую подается исходный материал, сбрасываемый с поверхности тарелки поворотным ножом. Производительность такого питателя регулируется перемещением цилиндра: при движении вниз производительность питателя увеличивается, а при движении вверх – уменьшается.

Мы разобрались с такими процессами, как измельчение, дозирование и транспортировка продукта. Теперь необходимо поговорить о том, как именно происходит разделение продукта по размеру фракций. Самый эффективный способ для этого – грохочение. Это почти то же самое, что просеивание муки через сито: мелкие частицы проходят через ячейки, а крупные – остаются.

Как выглядит этот агрегат? Грохот – это аппарат с множеством сит, расположенных друг над другом, и отбором требуемой фракции с одной или нескольких секций. Их подразделяют на барабанные, вибрационные, качающиеся, неподвижные.

Разделение фракций происходит несколькими способами. Первый – от мелкого к крупному – предполагает наличие последовательно установленных сит с увеличивающимся размером отверстий. При втором способе (от крупного к мелкому), наоборот, сита будут с уменьшающимся размером отверстий. Комбинированный способ может сочетать сита разных размеров. Также предусмотрены способы разделения на гидроциклонах и с помощью воздушных сепараторов.

На рисунке 3 показан один из вариантов исполнения вибрационного грохота, на рисунке 4 – в качающемся исполнении, на рисунке 5 – барабанного типа.

Рисунок 3. Вибрационный грохот

Рисунок 4. Качающийся грохот

Рисунок 5. Грохот барабанного типа

На рисунке 6 представлен полный цикл механической обработки, который нам удалось рассмотреть в данном разделе, а также главные механические процессы переработки нефти до состояния сажи, кокса и пека.

Рисунок 6. Механический процесс получения фракции тонкого помола

К гидромеханическим процессам относятся: отстаивание, фильтрование, центробежное фильтрование, электроосаждение. Они требуются для разделения гетерогенных и дисперсных систем. Гетерогенная система – это система, состоящая из двух компонентов разных или одинаковых фаз с четкой границей раздела. К таким системам можно отнести масло с водой, воду с воздухом в бутылке, песок в жидкости и, конечно, нефть с водой. Однако мы говорили ранее, что в деэмульгаторе происходит разделение дисперсной системы, а не гетерогенной. В чем же разница? Дело в том, что в дисперсной системе частицы одной фазы (дисперсной фазы) распределены в другой фазе (дисперсионной среде), не растворяясь в ней. Например, при движении нефти по трубопроводу может происходить ее смешение с водой или газом, что как раз и приводит к образованию такой системы. Так, к дисперсной системе можно отнести: газировку (жидкость-воздух), взболтанную бутылку воды и масла (жидкость-жидкость), засыпанный песок в воду в процессе осаждения (твердая фаза – жидкость).

Дисперсные системы подразделяются на суспензии – жидкости со взвешенными твердыми частицами; эмульсии – жидкости со взвешенными в них капельками другой жидкости; пены – взвеси газовых пузырьков в жидкости; пыли и дымы – газы со взвешенными в них частицами твердой фазы; туманы – взвеси капель жидкости в газе. Дымы и туманы называют также аэрозолями. Системы различают также по размеру частиц: грубые (больше 100 мкм), тонкие (0,5–100 мкм), мути (0,1–0,5 мкм), коллоидные растворы (меньше 0,1 мкм).

Один из самых дешевых, но длительных способов разделения дисперсных систем – отстаивание в специальных аппаратах. Под действием силы тяжести фазы расслаиваются: если плотность дисперсной фазы (взвешенных частиц или капель) выше плотности дисперсионной (сплошной) фазы, они оседают вниз, образуя осадок или слой тяжелой жидкости. Если же плотность частиц ниже – они всплывают. После разделения фазы можно выводить из аппарата по отдельности.

Процесс отстаивания широко применяется в нефтегазопереработке и нефтехимии для обезвоживания и обессоливания нефти, отделения дистиллятов от воды после перегонки с водяным паром, очистки нефтяных топлив от загрязнений (вода, частицы катализатора, продукты коррозии, соединения кремния, кальция, алюминия), отделения газа от жидкости в газосепараторах, очистки сточных вод от загрязнений (нефть, нефтепродукты, нефтесодержащий шлам, избыточный активный ил, твердые механические примеси) и т. п. Важным показателем процесса отстаивания является скорость оседания частиц под действием силы тяжести.

Эти процессы выполняются в аппарате под названием отстойник или нефтеулавливатель. Он представляет собой заглубленную металлическую емкость горизонтального типа с закругленным дном. Аппарат снабжен специальным устройством – отбойником и переливной перегородкой. Принципиальная схема работы такого аппарата представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Отстойник-сепаратор

Чаще всего эти аппараты работают попеременно, что обеспечивает быструю и стабильную работу предприятия. При динамической работе – при постоянной подаче жидкости эти аппараты превращаются из отстойников в сепараторы. Немаловажно, что эти аппараты работают не только с системами жидкость-жидкость, но и с газожидкостными смесями, включая трехкомпонентные (например, газ – бензин – вода).

Принцип разделения основан на многократном прохождении потока через слои отбойников (одного или разного диаметра). В результате эмульсия разбивается на несколько слоев. Газ при этом выходит из жидкой фазы – подобно тому, как углекислый газ выделяется из минеральной воды. Вода задерживается на отбойниках, собирается в отдельную фазу и стекает по специальному патрубку.

Подводя итог, можно сказать, что нефтяные отстойники и сепараторы – это устройства, предназначенные для механической очистки промысловой нефти и попутного газа. Они применяются на нефтепромыслах, газовых месторождениях, в нефтегазовой и химической промышленности в составе комплексных установок подготовки нефти и газа к транспорту.

Функции

– Очистка рабочего продукта от мелкодисперсной влаги, взвешенных частиц, механических примесей, аэрозолей.

– Выделение газа и воды из промысловой нефти.

– Уменьшение пенообразования нефти (дегазация нефти).

– Обезвоживание и обессоливание нефти.

Инновации, связанные с улучшением технологического и конструктивного качества нефтяных и нефтегазовых сепараторов, а также с автоматизацией процессов и вниманием к экологическому аспекту, позволяют повысить эффективность сепарации и снизить затраты.

Технологии

Использование мембранных технологий. Мембраны – фильтры, через которые проходят различные компоненты смеси, образуя разделенные фазы – нефть, газ и воду. Например, обратный осмос и ультрафильтрация применяются для отделения воды от нефти в процессе первичной сепарации.

Применение электрофизических методов разделения. Электростатическое и электромагнитное разделение используют электрические поля для выделения из смеси твердых частиц, воды и углеводородов. Например, электрофильтрация эффективно отделяет капли воды от нефти.

Использование ультразвуковых и электромагнитных методов для контроля и оптимизации процессов разделения фаз. Это позволяет улучшить качество продукции и снизить вероятность возникновения аварийных ситуаций.

Конструкции

Усовершенствованные конструкции вертикальных сепараторов. Например, сепаратор с винтовой подогреваемой полкой, который увеличивает производительность и скорость сепарации за счет нагрева полок.

Компактные и модульные конструкции. Если раньше сепараторы были громоздкими и занимали много места, то современные компактные модели проще интегрируются в существующие производства.

Подводные сепараторы. Размещаются на морском дне в близости от устьев скважин, что позволяет более эффективно разрабатывать удаленные и глубоководные месторождения.

Экологичность

Регенерация и повторное использование воды. Современные установки позволяют очищать воду, которая используется в процессе сепарации, до уровня, соответствующего стандартам экологической безопасности, а затем возвращать ее в цикл. Это помогает сократить потребление воды и снизить нагрузку на природные ресурсы.

Использование экологически безопасных биологических и химических реагентов для улучшения сепарации. Например, биокатализаторы и биоразлагаемые вещества применяют для удаления остатков нефти и других загрязнителей из воды, что минимизирует потребность в токсичных химикатах.

Настройка сепараторов для отраслевых потребностей. Производители предлагают индивидуальные решения, которые удовлетворяют уникальные потребности конкретных отраслей. Это касается типа загрязняющих веществ, скорости потока или пространственных ограничений.

Другой способ разделения смесей – фильтрование. Это процесс разделения смесей, знакомый каждому по бытовым фильтрам. В промышленности он работает так же, но масштабнее. А именно: суспензии или аэрозоли пропускают через пористые перегородки, на поверхности которых задерживаются взвешенные в жидкости или газе твердые частицы. Получается осадок, а жидкость, отделенная от него, называется фильтратом.

В нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности фильтрование применяется в процессах депарафинизации масел, производства парафина, церезина, пластичных смазок, при очистке нефтепродуктов и контактной очистке масел, для улавливания технического углерода, отделения химических реактивов и особо чистых химических веществ и других ценных продуктов от газов, отходящих от технологических установок распыливающего типа и печей кипящего слоя. Перепад давления в аппарате заставляет жидкость двигаться через пористые перегородки и слой осадка. Именно эта разность давлений служит движущей силой фильтрования.

Эффективность разделения и производительность фильтра зависят от свойств обрабатываемой суспензии, типа фильтра, его оснащенности и режима работы. В связи с этим оптимальные условия процесса определяются на основе экспериментального изучения особенностей фильтрования конкретной суспензии на лабораторных или пилотных установках.

Существуют различные типы перегородок: насыпные, набивные, плетеные. Насыпные перегородки (из мелкозернистого песка и средне- и крупнозернистого гравия) используют для разделения суспензий с небольшим количеством осадка. Для более кислых сред используют набивные перегородки, состоящие из волокон различных материалов. Для достижения высокой степени очистки используют специальные плетеные перегородки, которые представляют собой сетки из тонкой проволоки, выполненные из цветных металлов и сплавов; отличаются пониженной задерживающей способностью и поэтому в начале фильтрования пропускают в фильтрат мелкие частицы.

Чтобы оценить работу фильтра, смотрят на три основных показателя: скорость фильтрования, сопротивление и степень фильтрации. Начнем с самого важного – степени фильтрации. Она показывает, насколько эффективно фильтр улавливает примеси из жидкости или газа. Проще говоря, это размер самых мелких частиц, которые фильтр еще способен задержать (измеряется в микронах). Перейдем к следующему параметру – скорости фильтрования. Здесь все просто: это объем жидкости или газа, проходящий через фильтр за единицу времени. Кстати, на практике часто используют и так называемую объемную скорость – тот же объем, но отнесенный к объему самого фильтра. Так удобнее сравнивать разные аппараты. И, наконец, сопротивление. В отличие от первых двух показателей, оно не остается постоянным. Вспомним, что при фильтровании на перегородке постепенно накапливается слой осадка. Чем он толще, тем труднее жидкости пробиваться сквозь него, а значит, сопротивление неуклонно растет.

Также стоит сказать о важном аспекте режима работы фильтров. Всего два варианта работы в промышленности получили распространение. Первый вариант – режим постоянной скорости потока, где осуществляется постоянная подача смеси, в результате чего происходит рост слоя осадка и увеличение сопротивления и перепада давления между входом и выходом из аппарата. Второй вариант противоположный – с постоянным перепадом давления, во время которого снижается скорость при росте слоя осадка. Таким образом, в первом режиме требуется увеличивать давление на входе для преодоления сопротивления, а во втором – ставить параллельный фильтр для удаления слоя накопившегося осадка.

Рисунок 8. Емкостный фильтр

Рисунок 9. Рамочный фильтр-пресс

Рассмотрим фильтры, применяемые на установках. Самый простой из них – емкостный. Такие фильтры используют при небольших объемах производства, и работают они периодически. Конструкция проста: внутри установлено ложное дно, служащее основанием для фильтровальной перегородки. Сверху в аппарат подают суспензию, снизу выходит фильтрат. Очистка фильтра – ручная или механизированная.

Еще один тип – фильтры с чередующимися рамами. Между ними помещают фильтрующий слой, а всю конструкцию стыкуют прижимными плитами с рифленой поверхностью. Они образуют каналы, по которым движется суспензия. Перемещаясь под давлением по одному из каналов, суспензия поступает в полости рам, где выделяется осадок. Пройдя фильтрующую ткань, фильтрат попадает в рифленые полости. Затем он выводится либо через общий канал (если индивидуальные отводы закрыты), либо отдельно из каждой плиты (если они открыты) – это позволяет контролировать качество фильтрата по каждой плите. Максимальная толщина осадка составляет половину толщины рамы; при этом осадок с обеих сторон рамы сольется и рамы полностью заполнятся осадком.

Рамные фильтр-прессы периодического действия имеют самый большой срок эксплуатации по сравнению с другим фильтрационным оборудованием. Они отличаются простотой и надежностью конструкции, компактностью, большой поверхностью фильтрования, приходящейся на единицу занимаемой площади, позволяют эффективно разделять труднофильтрующиеся суспензии, вести фильтрование в диапазоне температур, недоступном для фильтров других конструкций.

Рисунок 10. Листовой фильтр в открытом состоянии

Рисунок 11. Барабанный фильтр

Также существуют листовые и барабанные фильтры. В листовых фильтрах фильтрование идет снаружи вовнутрь, фильтрат собирается и выводится между листами, а осадок скапливается на самих листах. Фильтры классифицируют по двум ключевым признакам: расположению корпуса (горизонтальные или вертикальные) и способу выгрузки осадка («мокрому» или «сухому»).

При «мокрой» выгрузке осадок смывают с фильтровальных листов струей жидкости. Для этого используют специальную трубу с насадками, которая может быть вращающейся или неподвижной и располагается горизонтально – либо в верхней части аппарата над листами, либо в середине корпуса.

«Сухая» выгрузка осуществляется за счет вибрации, которая отделяет осадок от поверхности листов.

Рабочая поверхность барабанного фильтра представляет собой медленно вращающийся горизонтальный барабан. Его боковая поверхность обтянута металлической сеткой и фильтровальной тканью, которые закреплены проволокой, намотанной по спирали. Изнутри по образующим фильтрующая поверхность разделена продольными перегородками на отдельные секции. Каждая из секций соединена отводными трубками с вращающимся диском, число отверстий в котором равно числу секций барабана. К нему прижата пружинами неподвижная распределительная головка, разделенная на три камеры, соответствующие основным стадиям процесса: фильтрации, промывке, продувке. Каждая камера имеет штуцер и через кольцевую прорезь в сменном диске распределительной головки сообщается с соответствующим участком фильтрующей поверхности. Нижняя часть барабана погружена в суспензию, которая подается в корыто. Угол, соответствующий погруженной в суспензию фильтрующей поверхности, составляет 120–150°. Над барабаном установлен коллектор для подачи промывной жидкости. Сбоку размещен нож для срезания осадка и шнек для удаления осадка из фильтра. Барабанные вакуум-фильтры выпускаются в двух вариантах – левом и правом. Их различие определяется положением шнека и направлением вращения барабана, если смотреть на аппарат со стороны привода. В левом исполнении шнек находится слева, а барабан вращается против часовой стрелки. А в правом шнек расположен справа, а вращение барабана происходит по часовой стрелке.

Кроме стандартной фильтрации существует метод центробежного фильтрования и осаждения, который задействует центробежные силы для разделения неоднородных смесей. В процессе разделения центробежную силу создают двумя способами: вращением сосуда с неоднородной смесью или вращением самого разделяемого потока, который с большой скоростью подается в неподвижный аппарат специальной формы. Аппараты с вращающимся ротором называются центрифугами (для жидкостей) и жидкостными центробежными сепараторами. Неподвижные аппараты, в которых вращается поток, носят название циклонов (для газов) и гидроциклонов (для жидкостей).

При использовании метода центробежного фильтрования разделяемую суспензию подают во вращающийся ротор, в результате чего образуется кольцевой жидкостный слой. По мере подачи новой суспензии и вращения ротора на его стенках образуется осадок, а фильтрат, переливаясь через перегородку (или закраину), выводится из аппарата.

В роторах центрифуг осуществляется фильтрование суспензий за счет перепада давления, создаваемого центробежной силой. Боковая стенка ротора перфорирована, а на ее внутренней поверхности размещена дренажная сетка и фильтровальная ткань. Под действием центробежной силы суспензия давит на стенку, жидкость проходит через фильтрующую ткань. Капли попадают в кожух, внутри которого вращается ротор, стекают в поддон и в виде фильтрата выводятся через сливной штуцер. Осадок образуется на стенке и удаляется вручную (при остановке центрифуги) либо на ходу при помощи скребков, ножей или шнеков. На рисунке 12 показан чертеж аппарата центробежного осаждения и открытый аппарат центробежного фильтрования.

Стоит отметить, что такие аппараты не получили широкого распространения в промышленности. Это связано с тем, что большинство из них используют динамическое оборудование, что усложняет обслуживание установок и значительно увеличивает эксплуатационные расходы за счет высокого энергопотребления. Тем не менее рассмотрим виды аппаратов, которые применяются не только в нефтепереработке, но и в других отраслях.

Рисунок 12. Центробежные аппараты

Центрифуги могут быть классифицированы по следующим признакам:

– по характеру протекания процесса центрифуги делят на машины периодического и непрерывного действия;

– по технологическому назначению или принципу разделения различают: осадительные (отстойные) и осветляющие – для разделения суспензий; разделяющие (сепарирующие) – для разделения эмульсий; фильтрующие – для разделения суспензий; комбинированные, в которых сочетаются два принципа разделения – осаждение и фильтрование;

– по основному конструктивному признаку бывают горизонтальные (с горизонтальным расположением вала); вертикальные; наклонные; подвесные с верхним приводом; подвесные с нижним приводом (маятниковые); вертикальные трубчатые;

– по способу выгрузки осадка из ротора – с ручной, контейнерной (кассетной), ножевой, шнековой, инерционной.

Маятниковые центрифуги представляют собой вертикальные подвесные самоустанавливающиеся машины периодического действия с нижним приводом. В зависимости от технологического назначения они могут быть фильтрующими и осадительными. По способу выгрузки осадка различают центрифуги с верхней ручной выгрузкой через борт, с нижней ручной выгрузкой через днище ротора и с контейнерной выгрузкой.

Особенностью подвесных центрифуг с верхним приводом и нижней выгрузкой является шарнирная подвеска вертикального вала с ротором, допускающая отклонение системы от вертикальной оси и самоцентрирование вращающихся масс. Вследствие этого центрифуги малочувствительны к неравномерной загрузке ротора и обладают большой динамической устойчивостью во время работы. Подвесные центрифуги изготовляют с фильтрующим или осадительным ротором, ручной или механизированной выгрузкой осадка. В механизированных центрифугах осадок выгружается при пониженной скорости вращения ротора, у центрифуг с ручной разгрузкой – при остановленном роторе.

Осадительные центрифуги со шнековой выгрузкой осадка предназначены в основном для разделения суспензий с нерастворимой твердой фазой и применяются для обезвоживания кристаллических и зернистых продуктов, разделения материалов и осветления суспензий. Такие центрифуги успешно применяются в качестве первой ступени сепарирования при переработке нефтешлама. Главное достоинство этих центрифуг – непрерывность процесса и высокая производительность при низком удельном расходе энергии и массе машин. К недостаткам следует отнести невысокую степень обезвоживания осадка, невозможность проведения качественной промывки, а также быстрый износ шнека и ротора при обработке абразивных продуктов.

Наиболее распространенными аппаратами, использующими центробежную силу, считаются аппараты циклонного типа. В таких аппаратах, как правило, отсутствуют подвижные части и электроприводные элементы. Разделение суспензии происходит за счет энергии самого движущегося потока. Поток подается в аппарат под определенным углом, и под действием центробежной силы твердая фаза осаждается в специальном бункере, а очищенный фильтрат отводится через верхнюю или боковую часть. Для разделения эмульсий применяют аналогичные аппараты, которые в литературе обозначаются как гидроциклоны, но они не отличаются по своему действию от обычных циклонов. Они бывают нескольких видов:

– противоточные циклоны с изменением направления потока;

– прямоточные циклоны, в которых вращающийся поток газа не изменяет своего направления;

– циклоны с оборотным конусом (ЦОК), в них реализована функция рециркуляции среды;

– батарейные циклоны (БЦ) – каскад из двух и более циклонов, которые объединены общим отводом фильтрата и вводом суспензии.

Рисунок 13. Циклоны на производстве

Циклоны получили широкое распространение в крупнотоннажном производстве. Они экологичны, просты в эксплуатации, надежны, имеют широкий интервал рабочих температур и давлений. Но стоит упомянуть и их недостатки. На рисунке 13 показаны циклоны на одном из предприятий, что наглядно демонстрирует их главный недостаток – значительные габариты. К другим минусам относятся риск переполнения бункера для осадка, что снижает эффективность работы, а также сложность регулировки размера улавливаемых частиц, ограничивающая степень очистки. Несмотря на эти недостатки, циклонные аппараты остаются более предпочтительным решением по сравнению с динамическим оборудованием при обработке больших объемов.

Рисунок 14. Электродегидратор в разрезе

Наиболее редким способом является разделение жидких и газовых суспензий под действием электрического тока. Под действием высоковольтного переменного поля в эмульсии происходит укрупнение капель, которые затем оседают под действием силы тяжести. В газах же для осаждения взвешенных частиц используется постоянный ток: сначала частицы заряжаются в электрическом разряде, а затем извлекаются из потока электростатическими силами.

При нефтедобыче могут попадаться разные примеси, в том числе вода и металлосодержащие частицы пород. Для их удаления во время первичной перегонки нефти используют электродегидраторы и электрофильтры. Классическое исполнение электродегидратора в разрезе представлено на рисунке 14. Его очень сложно отличить от обычной отстойной емкости, а вот электрофильтр выглядит совсем иначе (рисунок 15).

Рисунок 15. Электрофильтр

Рисунок 16. Принципиальное устройство электрофильтра

Принцип работы электрофильтра схож с простым емкостным осадителем, только в нем применяется электрический ток. Частицы, проходя через аппарат, приобретают заряд, после чего осаждаются на специальных пластинах (электрических элементах). Несмотря на примечательные особенности – низкое гидравлическое сопротивление и высокую эффективность – данный способ требует громоздкого оборудования и существенных энергозатрат, что нивелирует его экологичность.

Завершив обзор аппаратов для механических и гидромеханических процессов (идущих без химических реакций и теплообмена), перейдем к рассмотрению устройств, отличающихся наибольшим разнообразием и интересных с инженерной точки зрения.