4.1. Олеофильное нефтесборное оборудование

Термин олеофильность характеризует способность веществ или образуемых ими тел к межмолекулярному взаимодействию. Сильное взаимное притяжение молекул вещества и контактирующих с ним углеводородов, приводит к потере веществом способности смачиваться водой и впитывать воду в поры гранул, а также к активному впитыванию нефти и нефтепродуктов с поверхности и из объёма воды.

Такими материалами являются эластичные пластмассы на основе полиуретана, полипропиленовые волокно, текстильные, шерстяные и бумажные ленты, пропитанные специальным составом, алюминиевые сплавы.

Принцип работы устройств олеофильного типа используется свойство нефти налипать на олеофильный материал. Далее материал с налипшей нефтью либо пропускается через систему отжимающих валков, либо нефть удаляется с поверхности материала скребками. Нефть с незначительным обводнением стекает в сборник.

Устройства олеофильного типа могут быть выполнены в виде:

– дискретных элементов,

– полипропиленового троса,

– щеточных устройств,

– непрерывной ленты,

– конвейерные,

– вращающихся барабанов,

– вращающихся дисков.

Олеофильные устройства могут применяться как стационарного, так и буксируемого типов.

К преимуществам олеофильных устройств можно отнести то, что при сборе достигается малая обводненность собираемой нефти или нефтепродукта, благодаря чему не требуются отстойные емкости и сепараторы. Наиболее эффективны при сборе свежепролитой нефти со значительной толщиной слоя, локализованного бонами. Могут производить сбор нефти при относительно высокой скорости передвижения (4–7 км/час).

Недостатками являются: невозможность активного подтягивания слоя нефти из отдаленных участков; ограниченные возможности сбора на волнении (до 1,5 м.); резкое снижение производительности при сборе как маловязкой нефти (дизельное топливо), а так же тонких пленок; небольшая ширина обрабатываемого участка водоема, которая, однако, может быть увеличена путем присоединения бонов.

Производительность работы таких устройств определяется толщиной нефтяной пленки, налипающей на единицу длины устройства (диска, барабана или ленты и т.д.), и скоростью их вращения.

Рассмотрим подробнее наиболее распространенные типы олеофильных устройств.

Тросовые скиммеры

Принципиальная схема такого нефтесборного устройства приведена на рис. 4.1.

Нефтесобирающий элемент, называемый трос-шваброй, состоит из прочного жгута (каната) с вплетенными в него прядями синтетического волокна. Коэффициент сбора нефти составляет около 90%.

Рис. 4.1. Тросовый скиммер

Принцип действия тросового скиммера простой. Бесконечная трос-швабра протягивается через валки, которые передвигают ее и одновременно отжимают впитавшую нефть. Трос-швабра, обладающая плавучестью, перемещается по поверхности воды, с определенной скоростью впитывая нефть, которая непрерывно отжимается и сливается в поддон, откуда ее перекачивают насосом в сборную емкость.

В зависимости от типоразмеров и назначения устройств применяют различные системы валков от простейшей двухвалковой до систем из 10 валков. Наружный диаметр трос-швабры (D) составляет от 100 до 450 мм, а длина – до 600 м.

Главными требованиями, предъявляемыми к нефтесорбирующим материалам из которых выполнена трос-швабра являются: безвредность для окружающей среды; нефтеемкость (количество поглощенного нефтепродукта на единицу веса трос-швабры); плавучесть (в исходном и насыщенном состоянии); гидрофобность (она не должна впитывать воду); возможность регенерации и повторного использования. Нефтеемкость современных материалов составляет 25 кг и более нефтепродукта на 1 кг веса собирающего материала.

Устройство устанавливают на самоходных портовых нефтесборщиках. Особенно эффективно в узких местах, где движущая трос-швабра способна перекрыть канал.

Ленточные скиммеры

Ленточные скиммеры по конструкции аналогичны тросовым. Принцип работы скиммера основан на налипании нефтепродуктов на ленту, плавающей на загрязненной водной поверхности и последующим отжимом ее двумя вращающими валами, смонтированными на раме скиммера. Устанавливаются на самоходные плавсредства. Рабочий орган выполнен в виде непрерывной ленты. Предназначены для сбора жидкой нефти (нефтепродуктов) с поверхности рек со скоростью течения не более 1 м/с. При сборе высоковязких нефтепродуктов, таких как мазуты, необходимо их приведение в жидкотекучее состояние, степень которого устанавливается практически, исходя из марки мазута, температуры окружающей среды и т.д. (например, разогрев паром). Эффективно применение скиммера при очистке прудов-накопителей, на мелководье, в местах, покрытых водной растительностью. Способны работать в диапазоне температур от –10°С до +40°С.

Производительность тросовых и ленточных устройств рассчитывается по выражению

Q = qv, т/ч ,

где	q	–	масса нефти, собираемой одним погонным метром устройства т/м (определяется свойствами используемого материала, для ленточных и тросовых скиммеров составляет около 0,003 т/м),
	v	–	скорость перемещения нефтесобирающего элемента устройства, м/ч (0,052м/с).

Время наполнения приемного отсека нефтепродуктом рассчитываем по формуле (ч)

T = Vρ/Q,

где	V	–	объем нефтесборного отсека (м3);
	ρ	–	плотность собираемого нефтепродукта т/ м3.

В табл. 4.2 приведены характеристики отечественного скиммера СЛ-0,5, общий вид которого дан на рис. 4.2.

Таблица 4.2

Технические характеристики ленточного скиммера СЛ-0.5

Параметры	Величина
Тип скиммера	ленточный
Производительность, м3/ч	0,5
Скорость движения ленты, м/с	0,04…0,8
Длина отжимных валов, мм	350
Диаметр отжимных валов, мм	80
Материал ленты	Полипропиленовые нити
Габаритные размеры скиммера, мм:
длина	700
ширина	500
высота	1200
Размеры ленты:
длина, м	30–60
ширина, мм	150
высота, мм	6
Масса, кг	39

Рис. 4.2. Ленточный скиммер СЛ-0,5

В настоящее время широкое применение получил скиммер норвежского производства Seamop 3060 (лисий хвост) (рис. 4.3), так же основанный на олеофильном принципе сбора нефти и устанавливаемый на плавсредства. Высоко эффективен при использовании на открытой воде, где необходима высокая степень собора. В нем вместо троса используется непрерывная лента, циркулирующая через поверхность воды и через подвешенный блок выжималки. Нефтепродукт на воде налипает на поверхность устройства и отжимается. Затем собирается в тару для хранения.

Таблица 4.3

Характеристики скиммера Seamop 3060

Параметр	Величина
Скорость циркуляции петли, м/мин	40
Производительность м3/сут	4
Масса нефтесборщика (в зависимости от типа установленных рабочих органов), кг.	138
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	760 760 880

Рис.4.3. Скиммер Seamop 3060

Щёточные скиммеры

Работа щёточного скиммера рассчитана на прилипание нефти к поверхности вращающихся щёток. Принцип работы устройства приведен на рис. 4.4.

Щеточный вал 2 собран из щеточных дисков 1, которые обеспечивают захват нефти. Каждая щетка состоит из множества волосков щетины – полипропилена. При прохождении щёток через нефтезагрязненную воду (А) нефть налипает на поверхность щёток и удаляется щеткоочистителем 3. Вода стекает со щеточных дисков (В) и самотеком через отверстия в дисках 5 уходит из устройства. Продукт собирается в нефтесборнике и затем удаляется перекачивающим насосом 4. Для предотвращения налипания грязи на поверхность щеток используется решетка для задержания мусора 6.

Коэффициент сбора нефти достигает 95%. Щёточный скиммер прост в эксплуатации и обслуживании. Способен работать в диапазоне температур от –20°С до +40°С. Может устанавливаться как стационарно и размещаться в корпусе судна, так в виде буксируемых устройств.

3

А

В

6

5

3

4

2

1

Рис. 4.4. Схема работы щёточного скиммера:

A. Нефтезагрязненная вода; B. Разделение нефть/вода; 1 – щеточный диск;

2 – щеточный вал; 3 – щеткоочиститель; 4 – перекачивающий насос;

5 – отверстия в диске для потока воды; 6 – решетка для задержания мусора

Характеристики скиммеров щеточного типа, используемых в отечественной практике сбора нефтепродуктов приведены в табл. 4.4.

Буксируемый скиммер состоит из следующих частей:

– свободно плавающей скиммерной головки со встроенным барабаном и щеткоочистителем рис. 4.5,

– насосной станции, размещаемой на судне,

– перекачивающего гидравлического шлангового устройства,

– перекачивающего встроенного насоса,

– ручной катушки для шлангов.

Рис. 4.5. Скиммерная щёточная головка

Таблица 4.4

Технические характеристики щёточных скиммеров

Параметр	Скиммер щёточный СЩ-10	Скиммер щёточный СЩ-30	Скиммер щёточный СЩ-50
Вес плавающей головки, кг.	40	70–80
Глубина погружения, мм.	150–200
Габаритные размеры, мм:
длина	1200	1000	1100
ширина	1535	1390	1000
высота	465	650	700
Вид заборного устройства	Вал с набором щёточных дисков		Вал со щеточным барабаном

Окончание табл. 4.4

Параметр	Скиммер щёточный СЩ-10	Скиммер щёточный СЩ-30	Скиммер щёточный СЩ-50
Количество заборных устройств, шт.	1
Материал щёток	полипропилен
Размер заборного устройства, мм:
диаметр	350	350	500
длина	720	720	600
Скорость вращения щётки, об/мин	10–65	10–65	10–200
Производительность, м3/час:	10	30	54

Пример расположения щеточного устройства стационарно на судне нефтесборщике приведен на рис. 4.6.

Рис.4.6. Схема расположения щеточного устройства

Щеточное устройство для сбора нефти типа LAMOR производительностью около 20 м³/час, монтируется в ДП в районе миделя судна. Ширина нефтесборной щетки составляет 620 мм. Нефть через лацпорты (отверстия в корпусе судна) поступает через корпусный канал к щеточному сборщику, где нефть отделяется от воды, прилипая к щетине. Устройство снимает со щеток собранную с поверхности воды нефть в специальную приемную емкость, откуда она перекачивается в судовые сборные цистерны. Откачка нефти из сборных цистерн и выдача ее на береговые сооружения или судно-сборщик осуществляется насосом.

Дисковые скиммеры

Дисковые скиммеры, как правило, выполняются буксируемыми. Во время работы скиммера нефтяная пленка при перемещении устройства входит в соприкосновение с набором вращающихся дисков из алюминиевого сплава (рис. 4.7). Между каждыми двумя дисками устанавливается пара нефтесъемные скребков (рис. 4 .8). Нефть, снятая скребками с поверхности дисков, сливается в продольную щель в верхней части полой оси вращения. Внутри этой оси установлен резиновый шнек, который при вращении перемещает нефть в сборную емкость. Откуда она перекачивается нефтяным насосом в емкость для отстоя.

Эффективность работы таких устройств определяется толщиной нефтяной пленки, налипающей на единицу длины барабана или ленты, и скоростью их вращения. Устройство может работать при волнении 4–5 баллов. Средний диапазон характеристик дисковых скиммеров приведен в табл. 4.5.

Таблица 4.5

Технические характеристики дискового скиммера

Параметр	Величина
Производительность, м3/ч (по насосу)	27–60
Осадка, мм.	300–400
Число оборотов барабана, об/мин.	от 10 до 200
Количество дисков, шт.	104
Диаметр дисков, мм	350
Количество обслуживающего персонала, чел.	2
Масса скиммера кг.	150–170
Габаритные размеры, мм: длина ширина высота	1500 1500 600

Рис. 4.7. Скиммер дисковый

Рис.4.8. Схема работы скиммера дискового

Скиммер барабанного типа

Относится к буксируемому типу скиммеров. Барабанный скиммер (рис. 4.9), характеристики которого приведены в табл. 4.6 компактны по конструкции. Однако нефтесборники такого типа могут быть использованы только в условиях работы на относительно спокойной воде (в затонах, отстойных бассейнах и других защищенных участках), т.к. даже незначительное колебание уровня загрязненного слоя отражается на эффективности работы приемного органа.

Таблица 4.6

Технические характеристики барабанного скиммера

Параметр	Величина
Тип	барабанный
Количество барабанов, шт	2
Диаметр барабана, мм	450
Частота вращения барабана, об/мин	0...50
Габаритные размеры (ДВШ), мм	9504502350
Тип	барабанный
Количество барабанов, шт	2
Диаметр барабана, мм	450
Частота вращения барабана, об/мин	0...50
Габаритные размеры (ДВШ), мм	9504502350
Масса, кг	55
Производительность нефтесборщика, куб м/час	до 16
Масса комплекта, кг	не более 330
Обслуживающий персонал, чел	1

Рис. 4.9. Скиммер барабанный

Схема работы скиммера приведена на рис. 4.10. Нефть прилипает к поверхности вращающихся барабанов. При прохождении барабанов через слой нефти происходит ее налипание на поверхность барабанов, откуда она удаляется скребком. Продукт собирается в нефтесборнике и затем перекачивается в накопительные емкости.

Рис. 4.10. Схема работы барабанного скиммера.

Нефтесборное устройство с ленточным транспортером

Применение ленточных конвейеров для сбора нефтепродуктов с поверхности воды обусловлено их высокой производительностью, простотой конструкции и сравнительно невысокой стоимостью и высокой эксплуатационной надёжностью. Устанавливается на судно стационарно. Нефтесборный орган – лента, которая движется по стационарным роликоопорам, огибая приводной, натяжной барабаны (рис. 4.11). Нефтепродукт перемещается на ленте вместе с ней. Необходимое натяжение ленты обеспечивает натяжная станция. Привод конвейера (приводная станция) состоит из электродвигателя, редуктора, барабана и соединительных муфт. Ширина тканевых лент в ленточных конвейерах составляет от 300 до 2000 мм.

Налипший нефтепродукт счищается с ленты с помощью скребков. Особенно тщательная очистка ленты может быть достигнута путем последовательной установки нескольких устройств, например скребка и щетки. Счищаемый с их помощью материал направляется в приемное устройство (бункер, лоток).

Рис.4.11. Нефтесборное устройство с ленточным транспортером

Эффективность использования ленточных конвейеров зависит от того, насколько их параметры соответствуют условиям, в которых протекает технологический процесс. К таким условиям относятся: производительность, длина транспортирования и направление перемещения (наклонное, вертикальное); удельная плотность собираемого нефтепродукта.

Производительность конвейера Q определяется скоростью ленты v и площадью поперечного сечения собираемого на ленте нефтепродукта F. По условию расчета производительность конвейера должна быть задана, а целесообразная скорость ленты может быть определена из условий эксплуатации на основании данных о технических характеристиках конвейера и рода транспортируемого материала. При транспортировании налипших на ленту нефтепродуктов скорость ленты следует принимать равной 1…4 м/с.

По заданным производительности и скорости ленты легко найти площадь поперечного сечения потока собираемого на ленте материал, а, следовательно, и ширину ленты B.

При перемещении налипшего нефтепродукта непрерывным потоком производительность ленточных конвейеров определяют по формуле

Q = 3,6 F v ρ_н т/ч,

где ρ_н – плотность собираемого нефтепродукта, кг/м³; F — площадь поперечного сечения нефтепродукта на ленте, м²; v — скорость в м/сек.

Таким образом, площадь поперечного сечения нефтепродукта налипшего на ленту может быть найдена следующим образом

F = Q /(3,6 v ρ_н ) = λB ,

где λ – толщина поперечного сечения нефтепродукта налипшего на ленту.

Откуда ширина ленты, м

B = Q /(3,6 v ρ_н λ), м.

Приведённые выражения показывают, что как производительность конвейера, так и определяющие её параметры (v, F и др.) не зависят от расстояния, на которое перемещается груз, то есть от длины конвейера.

Угол наклона конвейера выбирается на практике исходя из конструктивных особенностей судового пространства, и может изменяться от 0 до 90.

В табл. 4.7 приведены технические характеристики серийно выпускаемых ленточных конвейеров.

Таблица 4.7

Технические характеристики ленточных конвейеров

Ширина ленты, мм	Скорость движения ленты, м/сек.	Мощность привода, кВт
400	0,5–2,0	до 45
500	0,63–2,0	до 45
650	0,8–3,15	до 45
800	0,8–3,5	до 165
1000	1,0–3,5	до 480
1200	1,0–3,5	до 750
1400	1,0–3,15	до 750

На рис. 4.12 показан пример размещения ленточного транспортера на судне. Угол наклона транспортера к поверхности воды в режиме сбора нефтепродукта составляет φ = 30. При движении лента 5, изготовленная из не смачиваемого водой синтетического материала, на который хорошо налипает слой нефти, плавающий на поверхности воды, и поднимает его на палубу, где лента огибает барабан. Специальное устройство 2 снимает с ленты мусор, сгустки и сбрасывает их в мусорный контейнер 1. Далее лента проходит между барабаном 3 и отжимным роликом 4, который выжимает из нее нефть. Отжатая нефть накапливается в нефтяном танке, из нижней части которого периодически откачивается вода.

Рис. 4.12. Размещение ленточного транспортера на судне:

1 – мусорный контейнер; 2 – скребок для снятия мусора с ленты;

3 – отжимной барабан; 4 – отжимной ролик; 5 – ленточный транспортер

Рис.4.13. Скиммер «ЭКШ-3»

На рис. 4.13 показан общий вид скиммера «ЭКШ-3». Масса скиммера 45 кг. Впитывающая способность используемого материала ленты – 6 л на погонный метр. Производительность скиммера может достигать 20 куб м/час, длина – 2 м, ширина – 0,5 м, высота – 0,3 м.