Способ обработки текучей среды и устройство для его осуществления
Относится к области комплексной обработки текучих сред (ТС), содержащих мехпримеси и микроорганизмы. Производят формирование потока ТС в виде струй, каждая из которых двоекратно изменяет форму и площадь своего поперечного сечения при прохождении ТС через диафрагму в зону обработки, в которой напротив каждой из струй размещают гибкое препятствие в виде упругих пластин. Продольная ось каждой струи находится в одной плоскости с фронтальной кромкой препятствия. Устройство содержит корпус, диафрагму с соплами каждое сопло по длине выполнено из двух участков: конического и щелевидного. Напротив каждого сопла консольно закреплен пакет гибких препятствий. Технический результат состоит в подавлении роста микроорганизмов за счет исключения суперкавитации. 2 с.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.
Изобретение относится к области обработки текучих сред, например, нефтепромысловых сточных вод, в частности, к способу обработки и устройству для его осуществления, и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для комплексной обработки воды с любым содержанием мехпримесей и микроорганизмов, причем особенно эффективно для разрушения живых клеток микроорганизмов и подавления их роста с целью предотвращения микробиологических процессов, например, в системах сбора, подготовки и транспорта нефти,
Изобретение также может быть использовано на водоочистных сооружениях предприятий пищевой, текстильной, химической и других отраслей промышленности.Присутствие микроорганизмов в текучих средах обычно бывает нежелательным и приводит к негативным последствиям. Так, например, известно, что заражение нефтесодержащих вод микроорганизмами, в частности, сульфатвосстанавливающими бактериями (СВБ), происходит в результате заводнения нефтяного пласта пресными или слабоминерализованными водами. Призабойная зона пласта служит благоприятной средой для развития таких микроорганизмов, причем очаг развития и активной деятельности СВБ концентрируется не далее чем в 5 м от стенки нагнетательной скважины. СВБ способствуют восстановлению в этой части до сероводорода до 90-95% сульфатов, содержащих в воде. При этом сероводород, продвигаясь с водой по заводненным пластам, растворяется в нефти, что приводит к ухудшению ее качества. Кроме того, при восстановлении сульфатов одновременно происходит окисление нефти, вследствие чего она обогащается смолисто-асфальтовыми соединениями, которые затрудняют дальнейшую переработку такой нефти.Кроме того, развитие СВБ в призабойной зоне нагнетательных скважин может привести к снижению их приемистости, а наличие сероводорода в продукции эксплуатационных скважин вызывает сильную коррозию промыслового оборудования. Кроме коррозионного разрушения металла биогенный сероводород при взаимодействии с ионами железа образует тонкодисперсные осадки сульфидов железа, приводящих к образованию промежуточных слоев, а также вместе с вымершими биомассами бактерий и вторичным кальцитом является причиной закупоривания нефтяного пласта, вплоть до полной изоляции залежи от водонапорной системы.Поэтому борьба с микроорганизмами является важным этапом в процессе нефтедобычи, а также в других отраслях промышленности, где наличие бактерий снижает эффективность работы.Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является способ обработки неоднородной текучей среды, при осуществлении которого производят следующие операции:создание зоны обработки, содержащей N консольно закрепленных гибких препятствий не обтекаемой формы,формирование потока неоднородной текучей среды в виде N струй в условиях троекратного изменения формы и площади поперечного сечения каждой струи, при этом каждая струя на входе в зону обработки имеет плоскопараллельную форму,введение каждой струи в зону обработки с возбужденными в ней гидродинамическими колебаниями и под действием избыточного давления,в зоне обработки каждое гибкое препятствие размещают напротив каждой из сформированных струй для их столкновения и возбуждения под действием струи в каждом гибком препятствии вертикальных колебаний,создание резонансных колебаний систем: одно гибкое препятствие -текучая среда - другое гибкое препятствие, и т.д.,и одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с гидродинамическими колебаниями обрабатываемой среды, что расширяет кавитационную зону на всю зону обработки,после чего выведение обработанной текучей среды из зоны обработки (см. патент РФ № 2177824, кл. В 01 F 11/02, 2001).Указанный известный способ предназначен для диспергирования и гомогенизации суспензий, пригодных для длительного хранения без ухудшения полученных в процессе обработки свойств. Согласно данному изобретению для повышения эффективности обработки при реализации известного способа необходимо создать скорость истечения текучей среды порядка 15-50 м/с, что достигается избыточным давлением от 12 до 15 атм, для чего каждая струя должна быть направлена на скос свободного конца гибкого препятствия, чтобы увеличить площадь столкновения струи и препятствия. Для реализации этого гибкое препятствие располагают со смещением (экцентриситетом) его фронтальной кромки на свободном конце относительно оси струи.Недостатком указанного известного способа является то, что он не обеспечивает подавление в обрабатываемой среде жизнедеятельности бактерий, которые могут оказывать негативное влияние на технологические процессы, в которых будет использоваться обрабатываемая среда.Это обусловлено следующими причинами. При формировании каждой струи в известном способе для резкого уменьшения ее поперечного сечения и для образования гидродинамических колебаний происходит троекратное изменение формы и площади ее поперечного сечения, а именно: из конической - в цилиндрическую - в щелевидную. При этом на каждом из этапов происходит изменение скорости протекания среды, и на цилиндрическом участке она будет ниже, чем на соседних, что приводит к усилению турбулентного режима движения жидкости в этом цилиндрическом участке, в результате чего на этапе подачи жидкости в зону обработки создаются предпосылки к разделению колоний клеток бактерий, находящихся в текучей среде, т.е. каждая новая клетка дает начало новой колонии, что приводит к увеличению общего содержания бактерий в обрабатываемой среде.В результате того, что при осуществлении известного способа фронтальная кромка препятствия размещена с экцентриситетом относительно оси сопла и при введении текучей среды в зону обработки струя ударяется в плоскость скоса, то линии тока жидкости будут идти параллельно кромке скоса с образованием газовой полости (пузыря) между линиями тока жидкости и поверхностью гибкого препятствия - пластины, т.е. возникает явление суперкавитации. Это явление характеризуется тем, что возникают кавитационные пузыри больших размеров, колебания которых не приводят к схлопыванию этих пузырей и к выделению энергии, приводящей к уничтожению бактерий, а ведут лишь к пульсации этой газовой полости. Поэтому уничтожение микроорганизмов при осуществлении известного способа не будет происходить.В результате указанного обработанную известным способом текучую среду, например, нефтепромысловую сточную воду, перед закачкой ее в пласт нагнетательной скважины следует подвергать еще одной обработке для удаления бактерий, что приводит к дополнительным материальным затратам.Известно устройство для обработки неоднородной текучей среды, содержащее: корпус, имеющий входное и выходное отверстия, установленную во входном отверстии диафрагму, имеющую N сопел, каждое из которых по длине выполнено из трех участков, первый из которых имеет конически сходящуюся форму, переходящую во второй участок, выполненный цилиндрическим, который переходит в третий участок, выполненный щелевидным, расположенный напротив диафрагмы и консольно закрепленный пакет из N упругих параллельных пластин, при этом каждая пластина размещена напротив соответствующего сопла и на своем свободном конце имеет обращенную в сторону соответствующего сопла острую фронтальную кромку, образованную двусторонними скосами, выполненными по толщине каждой пластины и образующими прямой угол, причем длина одного из скосов больше длины другого скоса, а фронтальная кромка каждой пластины размещена с экцентриситетом относительно продольной оси сопла и отстоит от выходного торца этого сопла на расстоянии от 1 до 5 мм (см. патент РФ № 2177824, кл. В 01 F 11/02, 2001). Данное устройство наиболее близко к заявляемому по технической сущности.Однако указанное устройство при обработке неоднородной текучей среды не обеспечивает одновременно с диспергированием еще и очистку от микроорганизмов, в частности, от сульфатвосстанавливающих бактерий, т.к. во-первых, при прохождении текучей среды через сопло такой конфигурации происходит еще большее увеличение колоний бактерий вследствие изменения (уменьшения) скорости движения среды на втором участке сопла и из-за усиления турбулизации движения среды, во-вторых, размещение фронтальной кромки пластины с экцентриситетом относительно продольной оси струи приводит к уменьшению амплитуды колебаний гибкой пластины, и получаемой при этом энергии недостаточно для подавления жизнедеятельности всех колоний бактерий. Этот недостаток еще более усиливается за счет конструктивного выполнения в известном устройстве фронтальной кромки со скосами разной длины, которые приводят к образованию разнородных вихрей, оказывающих "гасящий" эффект на гидродинамические импульсы.Кроме того, в известном устройстве оптимальные результаты по обработке текучей среды могут быть получены только в том случае, если его корпус и пластины выполнены из материала с разными магнитными свойствами. Однако при указанном выполнении известного устройства эффект борьбы с бактериями будет слабым. Это объясняется тем, что в этом случае между корпусом и пластинами возникает разность потенциалов, причем напряженность электрического поля будет выше в месте соединения пластины с корпусом. Кавитационные пузырьки, которые участвуют в подавлении бактерий, характеризуются малой диэлектрической проницаемостью и поэтому, согласно известной теории (см. Попова Л.И. Равновесие и устойчивость поверхностей раздела сред в гравитационном, электрическом и магнитном полях. Автореферат диссертации к.ф-м.н., г.Харьков, 1985, с.8-9), выбрасываются из области максимальной напряженности электрического поля, а значит, в этих условиях известного устройства они всегда будут удалены (будут отталкиваться) от пластин к периферии натекающего потока и не будут участвовать в уничтожении бактерий в основном потоке текучей среды.Технический результат, достигаемый предлагаемым изобретением, заключается в интенсификации процесса подавления роста микроорганизмов в обрабатываемой среде вплоть до их полного уничтожения за счет исключения эффекта суперкавитации, при одновременном обеспечении однородности обрабатываемой среды.Указанный технический результат достигается предлагаемым способом, согласно которому производят формирование потока текучей среды в виде N струй плоскопараллельной формы путем прохождения потока через диафрагму с входными соплами, введение под действием избыточного давления сформированных струй с возбужденными в них гидродинамическими колебаниями в зону обработки, в которой напротив каждой из сформированных струй размещают гибкое с фронтальной кромкой на свободном конце консольно закрепленное препятствие ее движению в виде пакета из N параллельных упругих пластин для осуществления их столкновения, и возбуждение колебаний гибких препятствий при натекании на них струй, одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с гидродинамическими колебаниями текучей среды с образованием кавитационной зоны и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, новым является то, что при формировании потока текучей среды в виде N струй, каждая из них при прохождении диафрагмы двоекратно изменяет форму и площадь ее поперечного сечения, при этом сформированные струи вводят в зону обработки таким образом, что продольная ось каждой вводимой струи находится в одной плоскости с фронтальной кромкой гибкого препятствия, введение сформированных струй в зону обработки производят под действием избыточного давления, обеспечивающего скорость натекания струи на гибкое препятствие от 3,9 м/с до скорости, при которой возникает начало суперкавитации в обрабатываемой среде, причем указанную текучую среду подают в зону обработки в виде непрерывного потока.Указанный технический результат также достигается заявляемым устройством для обработки текучей среды, содержащим корпус, имеющий входное и выходное отверстия, установленную во входном отверстии диафрагму, имеющую N сопел, каждое из которых по длине состоит из участков разной формы и сечения, расположенный напротив диафрагмы и консольно закрепленный пакет из N упругих параллельных пластин, при этом каждая пластина размещена напротив соответствующего сопла и имеет на своем свободном конце обращенную в сторону сопла соответствующую острую фронтальную кромку, которая образована двусторонними скосами, выполненными по толщине каждой пластины, при этом новым является то, что каждое из сопел по длине состоит из двух участков, первый из которых имеет конически сходящуюся форму, переходящую во второй участок, выполненный щелевидным, фронтальная кромка каждой пластины размещена напротив продольной оси соответствующего сопла и они расположены в одной плоскости, а двусторонние скосы фронтальной кромки каждой пластины выполнены равной длины и образуют острый угол, при этом корпус и пластины выполнены из материала с одинаковыми магнитными свойствами.Механизм действия предлагаемого изобретения заключается в следующем.Поток текучей среды подается в зону обработки через диафрагму, имеющую входные сопла, при прохождении через которые формируются струи, натекающие на расположенные напротив сопел гибкие препятствия - гибкие пластины. В этих натекающих струях возникают гидродинамические колебания с частотой fc=kV/1, где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от формы струи; V - скорость струи; 1 - расстояние между соплом и пластиной. Под действием такой струи в каждом гибком препятствии - пластине возбуждаются изгибные (вертикальные) колебания, определяемые выражением П=(0,162 h/L2)






Формула изобретения
1. Способ обработки текучей среды, включающий формирование потока текучей среды в виде N струй плоскопараллельной формы путем прохождения потока через диафрагму с входными соплами, введение под действием избыточного давления сформированных струй с возбужденными в них гидродинамическими колебаниями в зону обработки, в которой напротив каждой из сформированных струй размещают гибкое с фронтальной кромкой на свободном конце консольно закрепленное препятствие ее движению в виде пакета из N параллельных упругих пластин для осуществления их столкновения, и возбуждение колебаний гибких препятствий при натекании на них струй, одновременное увеличение амплитуды колебаний каждого гибкого препятствия в условиях резонанса с гидродинамическими колебаниями текучей среды с образованием кавитационной зоны, и вывод обработанной текучей среды из зоны обработки, отличающийся тем, что при формировании потока текучей среды в виде N струй каждая из них при прохождении диафрагмы двоекратно изменяет форму и площадь ее поперечного сечения, при этом сформированные струи вводят в зону обработки таким образом, что продольная ось каждой вводимой струи находится в одной плоскости с фронтальной кромкой гибкого препятствия, введение сформированных струй в зону обработки производят под действием избыточного давления, обеспечивающего скорость натекания струи на гибкое препятствие от 3,9 м/с до скорости, при которой возникает начало суперкавитации в обрабатываемой среде, причем указанную текучую среду подают в зону обработки в виде непрерывного потока.2. Устройство для обработки текучей среды, содержащее корпус, имеющий входное и выходное отверстия, установленную во входном отверстии диафрагму, имеющую N сопел, каждое из которых по длине состоит из участков разной формы и сечения, расположенный напротив диафрагмы и консольно закрепленный пакет из N упругих параллельных пластин, при этом каждая пластина размещена напротив соответствующего сопла и имеет на своем свободном конце обращенную в сторону сопла соответствующую острую фронтальную кромку, которая образована двусторонними скосами, выполненными по толщине каждой пластины, отличающееся тем, что каждое из сопел по длине состоит из двух участков, первый из которых имеет конически сходящуюся форму, переходящую во второй участок, выполненный щелевидным, фронтальная кромка каждой пластины размещена напротив продольной оси соответствующего сопла и они расположены в одной плоскости, а двусторонние скосы фронтальной кромки каждой пластины выполнены равной длины и образуют острый угол, при этом корпус и пластины выполнены из материала с одинаковыми магнитными свойствами.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2MM4A - Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе
Дата прекращения действия патента: 30.08.2006
Извещение опубликовано: 27.07.2007 БИ: 21/2007