Научные основы технологии утилизации нефтяных загрязнений водной среды

Вид материала

Автореферат диссертации

Содержание Актуальность темы. Цель исследований Научная новизна. Практическая ценность полученных результатов. Основные положения и результаты, выносимые на защиту Апробация работы. Объём и структура работы Схема испытательного стенда УСМ-0,6 Особенности конструкций сепараторов Коалесцирующий сепаратор. Сепаратор жиросодержащих вод. Сепаратор непрерывного действия. Основные результаты диссертационной работы Основные публикации, отражающие содержание диссертации.

Подобный материал:

• Научно-методические основы технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений, 91.69kb.
• Разработка технологии идентификации и мониторинга нефтяных загрязнений, 322.55kb.
• Курс Код Факультет, наименование направления подготовки (специальности) Перечень, 130.47kb.
• Научные основы методов и средств безопасной утилизации отходов производства изотактического, 502.24kb.
• Рекомендации межрегионального семинара-совещания и выставки «Оборудование и технологии, 126.8kb.
• Современые образовательные технологии основной курс Цель курса, 87.97kb.
• Владимир Владимирович Становой, 64.82kb.
• Конференция «Научные основы работы тепловых двигателей и охрана окружающей среды», 120.75kb.
• Научные основы развития техники, технологии, информатики., 270.28kb.
• «Технологии утилизации и переработки ядохимикатов и пестицидов», 55.15kb.

На правах рукописи


Евдокимов Александр Александрович


научные основы технологии

утилизации нефтяных загрязнений водной среды


Специальность 25.00.36 – Геоэкология по техническим наукам


Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук


Санкт – Петербург – 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный технический университет»


Научный консультант: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ

Потапов Анатолий Иванович


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

Заслуженный эколог России,

Рогалёв Виктор Антонович

доктор технических наук, профессор,

Журкович Виталий Владимирович

доктор технических наук,

Волкодаева Марина Владимировна


Ведущая организация Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, (Санкт-Петербург)


Защита состоится 20 апреля 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, 200 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, ауд. 313


Автореферат разослан 18 марта 2010 г.


Учёный секретарь

диссертационного совета Иванова И.В.


Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одна из основных проблем защиты водоёмов от загрязнений заключается в разделении неоднородных смесей, в частности, эмульсий типа «масло» в воде, образующихся как в производствах пищевых продуктов, так и на всех без исключения предприятиях, потребляющих, транспортирующих или перерабатывающих нефтепро-дукты. Наиболее перспективны в энергетическом, экономическом и технологическом аспектах для разделения двух и трёхфазных смесей процессы тонкослойной гравитационной сепарации и частичной фильтрации. Это подтверждается мировой практикой и тенденциями в области водоочистки. По этой причине от интенсификации указанных процессов зависят и производственные площади, занимаемые очистными сооружениями, и энергозатраты на обработку эмульсий, и экономика и качество очистки воды, а, в конечном счёте, и экологическая безопасность внутренних водоёмов. Оба указанных процесса протекают при обработке потока жидкости в узких каналах. Закономерности такой обработки изучены недостаточно. Непростую задачу представляет и разделение водного и углеводородного слоёв, образующихся при обработке эмульсий, а также обезвоживание вязких нефтепродуктов. Только после решения указанных вопросов можно полностью замкнуть производственные промывочные циклы нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования и отказаться от потребления воды на промывку из природных водоёмов.

Установлено, что частицы, перемещаемые ламинарным потоком жидкости в узких каналах, движутся не прямолинейно. Перераспределение частиц в сечении узкого канала носит аномальный характер, что препят-ствует интенсификации указанных процессов. Наблюдаются, например, снижение эффективности гравитационной сепарации при сужении каналов, а также скопление частиц у поверхности полупроницаемых мемб-ран в процессах частичной фильтрации (концентрационная поляризация).

Чтобы интенсифицировать эти процессы обработки эмульсий и по возможности повысить их эффективность, необходимо вначале разобраться в причинах аномального поведения частиц и выяснить факторы, влияющие на его проявление.

Быстро отогнать воду из вязких нефтепродуктов можно, если предварительно перегреть их и сформировать из них тонкую плёнку. Но даже в этом случае остаётся нерешённым вопрос, как выгрузить из отгонного аппарата остывшую и затвердевшую плёнку.

Цель исследований – повышение эффективности средств утилизации нефтяных загрязнений водной среды.

Задачи исследований.

• Определить экспериментально численные значения скорости поперечного перемещения частиц нефтепродукта в щелевом канале.
  
• Построить математическую модель взаимодействия частицы с ламинарным потоком вязкой среды в щелевом канале и рассчитать влияние параметров системы на скорость её перемещения в направлении нормальном к потоку.
  
• Определить условия, при которых можно влиять на перераспределение частиц при обработке эмульсий в узких каналах.
  
• По результатам теоретического анализа определить особенности режимов обработки и конструкций микрофильтрационного и сепарационного оборудования, при которых перераспределение частиц позволит интенсифицировать процессы разделения эмульсий.
  
• Построить математическую модель взаимодействия водной среды с плавающей углеводородной частицей. Найти зависимость формы капли от её размеров. Разобраться в причинах низкой селективности декантации углеводородного слоя и обосновать возможность селективного разделения водного и углеводородного слоёв.
  
• Исследовать недостатки известных методов и средств обезвоживания вязких нефтепродуктов и научно обосновать возможности их интенсификации.
  
• Проверить в промышленных условиях справедливость результатов научных исследований и эффективность работы нового оборудования: микрофильтров без полупроницаемых мембран и сепараторов с неподвижной и вращающейся насадкой, а также отгонного плёночного аппарата с подвижными дисками.
  
• Разработать методики инженерных расчётов существующего и вновь созданного оборудования для микрофильтрации, тонкослойной сепарации и разделения водного и углеводородного слоёв.
  
• Сформулировать основные технологические решения по утилизации обводнённых нефтепродуктов, образующихся при отмывке нефтеналивного оборудования.
  

Научная новизна.

• Построена математическая модель взаимодействия одиночной сферической частицы с потоком жидкости в узком щелевидном канале, которая учитывает плотности компонентов системы и ориентацию потока в гравитационном поле.
  
• Определены причины перераспределения частиц в сечении канала, вызывающие в одном случае эффект концентрационной поляризации, а в другом – снижение эффективности тонкослойной сепарации.
  
• Выведены аналитические зависимости связывающие действие потока на частицу с его скоростью, размерами и ориентацией канала, размерами и плотностью частиц, плотностью и вязкостью среды.
  
• Сформулированы условия, при которых действие потока на частицы способствует их тонкослойной сепарации или противодействуют их концентрационной поляризации.
  
• Определены условия осуществления микрофильтрационного разделения эмульсий без полупроницаемых мембран.
  
• Определены условия сепарации частиц и сбора плавающей плёнки нефтепродукта подвижными коалесцирующими дисками.
  
• Определены условия эффективного обезвоживания вязких нефтепродуктов.
  

Объекты исследования: водонефтяные смеси, образующиеся при транспортировке, хранении и использовании нефтепродуктов.

Практическая ценность полученных результатов.

Разработаны практические рекомендации по устройству и расчёту микрофильтров, тонкослойных сепараторов с блоками неподвижных коалесцирующих пластин, сепараторов с подвижными коалесцирующими дисками и отгонных плёночных аппаратов с подвижными дисками.

Сконструированы и уже используются в промышленности бессточные промывочные комплексы с высокоэффективными малогабаритными сепараторами, а также серия новых аппаратов: микрофильтров, коалесцирующих фильтров и тонкослойных сепараторов, как с неподвижными, так и с подвижными коалесцирующими пластинами. В т.ч:

• тонкослойные коалесцирующие сепараторы (КС-01, КС-02, КС-03, КС-04 и КС-05) с блоками наклонных и вертикальных пластин выпускаются серийно ООО «Чистые технологии» по ТУ 3683-012-50905025-2001;
  
• сепараторы с блоком наклонных пластин использованы АО «Айсберг» для судовых камбузов (атомный ледокол «60 лет Победы»);
  
• сепараторы с подвижными дисками (НЖЛ) производятся серийно ООО «Чистые технологии» по ТУ 3689-013-50905025-2001;
  
• микрофильтры без полупроницаемых мембран использованы ПКБ «Прогресс» в составе установок типа УСМ;
  
• приёмными колодцами с НЖЛ оборудованы вагонные депо Октябрьской и Восточно-Сибирской железных дорог, а также цех водоочистки АО «Кировский завод»;
  
• универсальные мобильные промывочные станции (УМПС, СПУМ-01, СПУМ-02, СПУМ-03 и СПУМ-К) с блоками для тонкослойной сепарации производятся серийно для отмывки внутренней поверхностей цистерн ООО «Чистые технологии» по ТУ 3185-004-50905025-2001;
  
• промывочные комплексы для отмывки щебня, замасленной окалины, букс, подшипников, крышек, колёсных пар, багажников автомобилей и др. функционируют в вагонных депо Октябрьской и Восточно-Сибирской железных дорог, а также на предприятиях Петербургской транспортной компании (ПТК), заводах Выксунском металлургическом и «Вибратор».
  

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

• Результаты теоретического анализа взаимодействия частицы с потоком вязкой среды в узком щелевом канале, объясняющие механизм перераспределения частиц в сечении этого канала.
  
• Научные основы расчёта микрофильтрационного и тонкослойного сепарационного оборудования, а также обоснование режимов обработки эмульсий нефти в воде.
  
• Технология отмывки нефтетранспортного оборудования.
  
• Технология утилизации обводнённых нефтепродуктов, образующихся при отмывке нефтетранспортного оборудования.
  
• Технология и средства сбора нефтепродуктов, разлитых на поверхности открытых водоёмов.
  
• Конструктивные особенности сепарационного и микрофильтрационного оборудования, которые позволяют интенсифицировать процессы разделения нефтеводяных эмульсий и обоснование этих особенностей.
  

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались

• на Втором советско-американском симпозиуме по защите морей, строительству портов и торговле (г. Сиэтл, 1991 г.);
  
• на Международной экологической конференции «Охрана окружающей среды -90» (Таллинн, 1990 г.);
  
• на Международной конференции по терминалам, кораблестроению и морским перевозкам в Восточной Балтии (Таллинн-Лакузалу, 1994 г.);
  
• на Международной конференции по судостроению, судоходству и разработке шельфа «Нева - 95» (Санкт-Петербург, 1995 г.);
  
• на 1-й Международной конференции «Экология и развитие Северо - Западного региона РФ» (Санкт-Петербург, 1995 г.);
  
• на 2-й Международной конференции «Экология и развитие Северо - Запада России» (Санкт-Петербург-Кронштадт, 1997 г);
  
• на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Теория и оборудование для селективного разделения сред с использованием полупроницаемых мембран» (Краснодар, 1983 г);
  

• на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции молодых специа-листов по холодильной технике и технологии с участием профессорско-преподавательского состава ЛТИХП (Ленинград, октябрь 1977 г);
  
• на 1 республиканской научно-техн. конференции «Эксплуатация, ремонт и проектирование специальных систем танкеров» (Владивосток, 1978);
  
• на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам охраны окружающей среды при эксплуатации судов (Ленинград, 1982 г.);
  

• на Всесоюзной научно-технич. конференции по вопросам обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов (Николаев, 1986 г.);
  
• на Всесоюзной научно-практической конференции «Интенсификация производства и применения искусственного холода» (Ленинград, 1986 г.);
  
• на Всесоюзной научно-технической конференции «Защита водного и воздушного бассейнов от загрязнений при постройке и эксплуатации судов» (Ленинград, 1990)
  

Действующие образцы оборудования для разделения смесей типа «масло в воде» экспонировались на трёх международных выставках:

• ВДНХ (Москва, 1981 г.),
  
• Охрана окружающей среды - 90 (Таллинн, 1990),
  
• Экология большого города (Санкт - Петербург, май 1992 г.).
  

Стенды, посвященные новому экологическому оборудованию, водоочистным комплексам и бессточным системам очистки оборудования от нефтяных загрязнений, ежегодно экспонируются на республиканских экологических выставках «Русский промышленник» в Санкт-Петербурге.

Работа отдельных полупромышленных образцов эксклюзивного оборудования демонстрировалась неоднократно (январь и сентябрь 1996, 1998 г) в телевизионных передачах: ИНФОРМ - ТВ (Санкт - Петербург).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 68 работах, в том числе 16 авторских свидетельствах, 21 патенте РФ, одной международной заявке РСТ и одной монографии. Основные результаты исследований представлены 14-ю научными статьями в журналах, рекомендованных ВАК РФ.


Объём и структура работы. Диссертация включает 9 глав, выводы и приложения. Библиографический список содержит 187 наименований, из них 32 иностранных источника. Изложена диссертация на 171 странице машинописного текста, 9 таблицах, 26 рисунках и 23 приложениях.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан информационно-аналитический обзор по проблеме: источники образования эмульсий, методы их разделения, обработка эмульсий в узких каналах, эффект аномального перераспределения частиц в сечении канала, эффекты «убегания» и концентрационной поляризации, вопросы разделения слоёв и обезвоживания вязких нефтепродуктов.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования процессов микрофильтрации и определены скорости «убегания» частиц от фильтрующей перегородки.

В третьей главе выполнен анализ взаимодействия частицы с потоком в узком канале, имеющем форму плоской щели с размерами 2RхB (2R«B). Поток рассматривается как сумма параллельных элементарных струй. Приняты допущения: перемещаемая потоком частица сферическая, жёсткая и не оказывает влияния на распределение динамических напоров в поперечном сечении канала на достаточно большом удалении от неё. Рассмотрены два варианта. В первом, когда частица не противодействует потоку (дрейфует), баланс осевых воздействий на частицу возможен только при балансе составляющих динамического напора. Во втором варианте, когда объёмные силы противодействуют потоку, определяющую роль играет сопротивление, вызванное обтеканием частицы.

Для первого варианта были получены следующие слагаемые осевого F_{z ,} радиального F_x и вращательного М_(У) воздействия потока на частицу:

πρ_cV_m²r_p⁵r₀

F_x = —————— [a(2b – а) + 0,1];

3R⁴

ρ_cV_m²r_p⁶ 2 2 16 28

F_z= ———{2b(1-a²)^0,5[a(2b-a)+ –]– – b(1-a²)^1,5[5a (2b–a)+ — ]+ — b(l-a²)^2,5+

R⁴ 3 3 3 15

1+(1–a²)^0,5 (2b-a)² (2b+a)²-3a² 2 a² 8a³ (1 – a²)^1,5

+a⁵lg ————[——— –b(2b-a)+————— – — ab+ —] + ————— –

1-(1–a²)^0,5 3 5 3 7 21

2 (2b+a)²–3a² 1 3а(1-a²)^0,5(l-2a²)(2b + а)²–За² 5

–2a(1-a²)^0,5[–a²(2b–a)²+ ————–+— ]+ —————— [—————–+ —]–

3. 10 14 2 5 42
   

2 (2b + а)² – За² 1

– (arcsina) [ – a²(2b – a)² + —————— + —]};

3 10 28

ρ_cV_m²r_p⁷

M_(y) = ———— { b [a (2b – a) + 0,5]•[(arcsina) – a (1– a²) • (1– 2a²)] +

R⁴

(1- a²) 1+ a + a² + 9a³ 4a² (2b - a)² + (2b + a)²

+2(1– a²)^1,5 [ —— – (1+ a) —————— + 2 ————————— ]},

7 15 15

где использованы относительные размеры:

а = е/r_р, b = r₀/r_p.

Если частица не испытывает никаких внешних воздействий, кроме тех, что оказывает на неё поток, условие баланса осевых воздействий на неё можно записать в виде

ρ_c V_m² r_р⁶

F_z = ———— Ω=0,

R⁴

где

2 2 16 28 1+(1-а²)^0,5 Ω=2b(l-a²)^0,5[a(2b-a)+–]– – b(l-a²)^1,5[5a(2b-a)+—]+—b(l-a²)^2,5+a⁵lg———— •

3 3 3 15 l- (l-a²)^0,5


(2b-a)² (2b+a)²-3a² 2 a² 8a³(l-a²)^1,5 2

•[——— – b(2b-a)+ ———— – – ab+ –]+ ———— –2a(l-a²)^0,5[– a²(2b-a)²+

3 5 3 7 21 3

(2b+a)²-3a² 1 3a(l-a²)^0,5(l-2a²) (2b+a)²-3a² 5 2

+ ————— + —] + ——————[———— + —]– (arcsina)[— a²(2b-a)² +

10 14 2 5 42 3


(2b+a)²-3a² 1

+ ————— + —];

10 28

Определитель Ω равен нулю при определённых значениях а для каждого значения b. Эти значения можно вычислить приближённо по формуле:

а* = – 0,132b^–1

Подставляя а* в выражение, характеризующее радиальную составляющую действия потока, находим F_x < 0. Т.е. в отсутствие других воздействий поток стремится прижать частицу к ближайшей стенке канала.

Влияние гравитационного поля на частицу определяется составляющими:

F_gz= 4/3 π r_p³ (ρ_р – ρ_с) g cos φ и F_gx = 4/3 π r_p³ (ρ_р – ρ_с) g sin φ cos ξ,

где φ – угол образованный направлениями потока и гравитационного поля, а ξ – угол поворота поперечного сечения щелевого канала

С учётом гравитации уравнение баланса осевых сил можно записать в виде

4 π ρ_сV_m²r_p⁶

– — π r_p³ (ρ_р – ρ_с) g cosφ + ———— Ω = 0.

3 R⁴

А сумму сил, направленных нормально к потоку, выражением

4 ρ_сV_m²r_p⁵r₀

F_x= – — π r_p³ (ρ_р – ρ_с) g sinφ cos ξ + ————— [ а (2 b – а) + 0,1 ]

3 3R⁴

Величину определителя Ω находим из уравнения баланса осевых сил

4 π r_p³ (ρ_р – ρ_с) g cosφ R⁴

Ω = – ———————————,

3 ρ_с V_m² r_p⁶

а затем по найденному значению Ω определить соответствующую ему величину а при интересующем нас значении b. Расчёт упрощается, когда отставание частицы «масла» от потока (воды) невелико (|а|<0,5) и она находится довольно близко к стенке (b>10). В этом случае, представляющем наибольший интерес при изучении концентрационной поляризации, графики зависимости Ω от а могут быть аппроксимированы уравнением пучка прямых линий с точностью, достаточной для технологических расчетов:

а = – Ω/ (Зb²).

Подставив полученное значение а в уравнение, определяющее нормальное действие потока, получаем выражение силы Пуазейля

F_x= 4/3 π g r_p³ (ρ_р – ρ_с) (sinφ cos ξ + 2/9 π cosφ).

Из последнего выражения следует,

• что на величину силы Пуазейля, когда частица находится достаточно близко к стенке канала (b>10), уже не оказывают влияния ни размеры щелевого канала, ни вязкость среды, ни скорость её движения в канале;
  
• что менее плотную частицу (ρ_р – ρ_с<0) нисходящий поток (φ < π/2) прижимает к ближайшей стенке (F_x<0), а более плотную – оттесняет от неё (F_x>0);
  
• что восходящий поток (φ>π/2) действует противоположным образом.
  

В вертикально ориентированном потоке (φ =0)

F_x= 4/3 π g r_p³ (ρ_р – ρ_с) (0 + 2/9 π cosφ) ~ 0,7(4/3) π g r_p³ (ρ_р – ρ_с).

Особый интерес представляет случай, когда объёмные силы направлены против потока: более плотная частица (ρ_р–ρ_с>0) противодействуют восходящему потоку (φ>3π/4), а менее плотная (ρ_р – ρ_с < 0) – нисходящему (φ < π/4). В этом случае осевые проекции векторов потока и поля полностью, либо в значительной мере уравновешиваются (|e|→r_p и |a|→1), и принятое в п. 3.1. допущение о балансе лобовых действий потока на частицу становится некорректным. Для такого случая действие потока на частицу определяется известным выражением

F_z = 6πμr_pΔV.

Из допущения, что действие каждой струи на элемент поверхности частицы (dx.dy) с учётом обтекания описывается тем же уравнением, получены слагаемые радиального F_x,осевого F_z и вращательного М(_У) воздействия потока на частицу:

F_х = – 2πμr₀(r_p/R)²V_m;

4πμ V_m r_р³ r₀ е r₀ 21

F_z = —————[( — – —)²– (—)²] – —};

R² r_р r_р r_р 80

6 πμV_m r_р³ r₀ е r₀

М_(у)= —————[( — – —)²– (—)²] – 0,25};

R² r_р r_р r_р

В общем случае, учитывающем также влияние гравитационного поля, F_x и F_z определены следующими выражениями.

F_x= (4/3)πr_р³(ρ_р – ρ_c)g sinφ cosξ – 2 πr₀(r_р/R)² μV_m

4 4π μV_m r_p³ r₀ е r₀ 21

F_z= — πr_р³(ρ_р – ρ_c)g cosφ + —————[(— – —)²– (—)²] – —.

3 R² r_р r_р r_р 80

Анализ последних двух уравнений позволяет заранее предсказать результат процесса, протекающего в наперёд заданных условиях. Так, при F_x = 0 объёмные силы уравновешивают силу Пуазейля

4/3 πr_р³(ρ_р – ρ_c)g sinφ cosξ = 2πμr₀(r_p/R)²V_m ,

и перемещение частицы нормально к потоку прекращается (что и наблюдается при эксплуатации секционированных отстойников).

В четвёртой главе выполнена оценка результатов теоретического анализа. Дано сравнение полученных результатов теоретических исследований с наиболее надёжными экспериментальными данными других авторов, а также с теми, что получены в процессе собственных экспериментальных исследований микрофильтрации эмульсий, приведённых в главе 2. Результаты сравнения представлены в виде графиков и таблиц. Скорость «убегания» частиц от фильтрующей перегородки под действием силы Пуазейля рассчитана по формуле

W_p = F_х/(6πμr_p).

Сравнение экспериментальных данных установившейся скорости отбора пермеата W_ф с расчётной скоростью «убегания» частиц дисперсной фазы W_p

	Исследуемая система	Плотность, ρ, кг/м3 частиц среды	Вязкость среды μ, 10-3 Пас	rp 10-6м	Ориентация потока, рад φ ξ	Скорость 10-б м/с Wф Wp	Источн инфор­- мации
1	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	π/2 0 π/2 0	1,3 1,42 <18 1,42	[99]
2	эритроциты в сыворотке	1090 1030	1,6	4,2	π /2 0	7-10 1,42	[103]
3	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	0 ? π /2 0	0,9 1,03 1,5 1,42	[79]
4	эритроциты в сыворотке	1090 1030	1,6	4,2	0 ?	0,5-1,0 1,03	[87]
5	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	π /2 0 π/2 0	2,7 1,42 2,14 1,42	[96]
6	нефть в воде	800 1000	1,0	2,5	π	2,8-5,5 1,90	[127]
7	нефть в воде	810 1000	1,0	2,5	π	1,8 1,81	гл. 2
8	масло в воде	855 1000	1,0	2,5	π	1,39 1,38	гл. 2