Содержание к диссертации
Введение
1. ГЛАВА I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР 7
1.1. Испарение нефти и нефтепродуктов 7
1.2. сбор нефти и нефтепродуктов при аварийных разливах с поверхности воды 13
1.2.1. Использование боновых ограждений 13
1.2.2. Сорбционный метод сбора аварийно разлитых нефтепродуктов с водной поверхности 15
1.2.3. Сбор нефти при помощи нефтесборщиков 17
1.3. Очистка сточных вод от нефтепродуктов и механических примесей 22
1.4. Некоторые теоретические основы адгезионного процесса 24
1.5. Методы определения краевого угла смачивания 28
1.5.1. Определение краевого угла, поверхностного натяжения и работы адгезии по параметрам лежащей капли, наблюдаемой сверху с помощью микроскопа 29
1.5.2. Метод определения краевого угла смачивания прямым измерением краевого угла 34
1.6. Краевые углы и поверхностные силы 35 ВЫВОДЫ 37
ГЛАВА II. ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И METOДИКИ РАБОТЫ 38
2.1. Характеристики нефти и нефтепродуктов 38
2.2. Методика проведения исследований 43
2.2.1. Исследование испарение нефти и нефтепродуктов 43
2.2.2. адгезия пенок нефти на образцах различных материалов 44
2.2.3. Определение краевого угла смачивания 46
2.2.4. Образцы материалов для изучения адгезии 48
2.2.5. Сбор нефти с помощью стендового пилотного барабана 48 3.
ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИСПАРЕНИЯ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ 50
3.1. Результаты эксперимента 50
3.2. Разработка модели испарения 71
ВЫВОДЫ 77 4 .
ГЛАВА IV ИССЛЕДОВАНИЕ АДГЕЗИИ СИБИРСКОЙ НЕФТИ НА ПОВЕРХНОСТИ РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ 78
4.1. Исследование процесса прилипания пленки нефти на поверхность различных материалов 78
4.2. Определения краевого угла смачивания капель нефти и воды на поверхности различных материалов 102
ВЫВОДЫ 119
ГЛАВА V ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА СБОРА НЕФТИ БАРАБАННЫМИ РАБОЧИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ НЕФТЕСБОРЩИКОВ 110
ВЫВОДЫ 123
6. ВЫВОДЫ 124
7. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 126
- Характеристики нефти и нефтепродуктов
- Разработка модели испарения
- Исследование процесса прилипания пленки нефти на поверхность различных материалов
Введение к работе
Загрязнение окружающей среды при утечках нефти и нефтепродуктов, возникающее при повреждении магистральных нефте - и нефтепродуктопроводов, резервуаров," а также при сливно-наливных операциях, приведут к загрязнению прилегающих грунтовых участков. В процессе поверхностной миграции и инфильтрации нефть и нефтепродукты загрязняют грунт, поверхностные и подземные воды. Самоочищение загрязняемых таким образом сред происходит крайне медленно, что может привести к длительному исключению их из пользования. Как последствия, так и связанные с ними материальные убытки определяются размерами и степенью загрязнения окружающей среды. Поэтому представляют интерес исследование процесса загрязнения и оценка конечных размеров загрязнения среды в зоне повреждения нефте - и нефтепродуктопроводов, резервуаров и др.
При повреждениях подводных участков магистральных нефте - и нефтепродуктопроводов происходит аварийный выброс значительного количества перекачиваемого продукта в реку или водоем. В результате водным объектам независимо от их назначения наносится значительный ущерб. Для предотвращения возможных последствий или их уменьшения необходимо всестороннее изучение процесса загрязнения воды нефтью и нефтепродуктами, скорости самоочищения, требований, предъявляемых к качеству воды, характера ущерба и методов ликвидации загрязнения.
Ясно, что практически любая авария подводного нефтепровода может привести к утрате водоема как объекта одного или нескольких видов водопользования. Возможные последствия загрязнения усугубляются высокой стойкостью нефти к окислению и токсичностью отдельных ее фракций. Нефть, попадая в воду, растекается вследствие ее гидрофобности по поверхности, образуя тонкую нефтяную пленку, которая перемещается со скоростью примерно в два раза большей, чем скорость течения воды. При соприкосновении с берегом и прибрежной растительностью нефтяная пленка оседает на них. В процессе распространения по поверхности воды легкие фракции нефти частично испаряются, растворяются, а тяжелые опускаются в толщу воды, оседают на дно и образуют донное загрязнение. Установить прямую связь между объемом утечки и площадью загрязнений поверхности воды, дна водоема, его берегов, а также стойкость загрязнений весьма трудно.
В результате загрязнения воды нефтью изменяются ее физические, химические и органолептические свойства, что существенно ухудшает условия обитания в воде животных и растений; использование такой воды в культурно- бытовых и хозяйственно-питьевых целях усложняется. Ввиду многообразия возможных последствий оценка даже прямого ущерба затруднительна.
В нефтедобывающих районах источником загрязнения рек и водоемов являются сбросы отработанных и пластовых вод нефтепромыслов.
Таким образом, большое значение имеют комплексная оценка антропогенного воздействия нефтяных разливов на экосистемы, включающая, в частности, количественную оценку динамики загрязнения окружающей среды при разливах нефти и нефтепродуктов, и совершенствование технических систем, обеспечивающих сбор разлитых нефти и нефтепродуктов и минимизацию антропогенного воздействия на живую природу.
В настоящее время все большее беспокойство вызывают не столько увеличивающееся количество загрязнения нефтью и нефтепродуктами, сколько их свойства, в частности, наличие в нефти неразлагающихся, труднорастворимых веществ. Из различных источников в Мировой океан ежегодно поступает до 10 млн. тонн нефти и ее производных (1 тонна нефти, растекаясь по поверхности воды, образует пленку толщиной от микрометров до 2 см и площадью около 12 км .). Нефтяная пленка изолирует воду от атмосферного воздуха, меняет режимы углеродно-кислородного обмена, снижает интенсивность испарения воды и нарушает экологическое равновесие в водной среде. В России основная масса нефти добывается в Сибири (в Тюменской, Томской и Иркутской областях), по трубопроводам нефть перекачивается в различные уголки страны, страны ближнего и дальнего зарубежья. Эти трубопроводы проходят под землей и под водой. Часто, особенно в воде, в трубах появляются в результате коррозии трещины, через которые нефть начинает просачиваться наружу. Тонны нефти попадают в воду.
По этим причинам встал вопрос о необходимости разработки систем для сбора нефти с поверхности воды при аварийных ситуациях.
В зависимости от масштаба аварии, применяют различные способы ликвидации утечек и ограничения площади разлива нефти [3].
Какая бы технология ни была выбрана, имеются трудности в сборе разлитой нефти с приемлемой производительностью вследствие малых ее количеств, поступающих к приемным или диспергирующим устройствам. Это количество определяется тремя показателями: толщиной нефтяного пятна, шириной полосы, охватываемой при обработке, и скоростью перемещения обрабатывающего нефть средства.
Дальнейшие трудности связаны с самим оборудованием и оценкой его работы. Например, неясно, как сравнивать нефтесборщик, предназначенный для работы в стационарном режиме в пределах бонового заграждения или в локализованном иным способом нефтяном пятне, с мобильной смонтированной на судне системой или со специализированным судном, в котором нефтесборное оборудование является неотъемлемой частью его конструкции.
Необходимо установить принципы разработки и критерии оценки, которые были бы пригодны для принятия решений о приобретении имеющегося, разработке нового или совершенствовании существующего оборудования.
В частности, в настоящее время в России имеется много нефтесборщиков адгезионного типа "Магнум-100" (США), которые используются на предприятиях для сбора нефти и нефтепродуктов. Его нефтесобирающий элемент изготовлен из запатентованного фирмой материала и по мере износа требует дополнительных валютных расходов на его замену.
Совершенствование конструкций нефтесборщиков, направленных на увеличение производительности аппаратов, достигается за счет выбора оптимальной частоты вращения нефтесобирающих элементов и числа этих элементов в агрегате. Также очень важно выбрать оптимальный материал для изготовления этих элементов, который обладал бы наилучшими селективными адгезионными свойствами по отношению к нефти.
Основная задача данного исследования заключается в изучении адгезии нефти и нефтепродуктов на различных материалах и в4 определении перспективы использования новых материалов при разработке конструкции нефтесборщиков адгезионного типа.
Характеристики нефти и нефтепродуктов
Нефти РБ являются сернистыми и высокосернистыми, высокосмолистыми и сравнительно тяжелыми. Плотность их колеблется от 0,846 до 0,918, содержание силикагелевых смол - от 9 до 27%, а серы - от 1,44 до 4,53% (табл.2.1). Наиболее сернистыми являются нефти месторождений северо-западной части республики, в которых содержание серы превышает 3% и даже достигает 4,5%.
Характерным для нефтей Башкирии, кроме того, является высокое содержание металлов, причем в нефтях с большим содержанием серы наблюдается и более высокое содержание металлов.
Потенциальное содержание бензиновых дистиллятов в нефтях изменяется от 14 до 30%. Менее богаты ими нефти северо - западных месторождений (14 - 18%). Эти дистилляты низкооктановые-октановое число по моторному методу для бензинов большинства нефтей находится в пределах 39-45 пунктов [70].
Нефти Ханты-Мансийского района, Кондинского и Красно ленинского сводов (трехозерная, мартымьинская и каменная) являются малосернистыми (от 0,17 до 0,55 % серы), смолистыми (от 3,9 до 10,2 % силикагелевых смол) и обладают высоким содержанием фракций до 350 С (от 55 до 68 %).
В состав бензинов прямой перегонки входят углеводороды трех классов: парафиновые, нафтеновые и ароматические. Соотношение содержания углеводородов этих классов в бензинах зависит от углеводородного состава перерабатываемых нефтей. При получении бензинов из парафинистых нефтей Башкортостана, Татарстана и других районов содержание в бензинах парафиновых углеводородов превышает 50% (табл.2.2). Бензиновые фракции парафинистых нефтей содержат главным образом парафиновые углеводороды нормального строения, которые часто составляют 50% и более от содержания всех изомеров. Среди изомеров преобладают соединения с одной алкильной группой, преимущественно метальной, в положении 2 и 3. Углеводороды с этильными и более длинными боковыми цепями содержатся в небольших количествах. [10].
Сравнение качества автомобильных бензинов (табл.2.3) показывает, что требования к высокооктановым бензинам в России и других странах по октановым числам приблизительно одинаковы, но по показателям экологичности в европейских странах и США они выше. Особенно высокие экологические требования предъявляются к бензину риформингу (США) - содержание по (объему) бензола не более 0,8 %, ароматических углеводородов не более 25 % и олеиновых не более 5 %.
Разработка модели испарения
Как следует из сопоставления таблиц 4.1; 4.2 и 4.3, , при вертикальном расположении пластин величина адгезии нефти (при времени контакта пластин с нефтью 1 с) на жестяных пластинах, обработанных интенсифицирующим адгезию порошком полимера "Антифрикции" возрастает в среднем с 0,034 до 0,040 г/см2 то есть в 1,17 раз, и при горизонтальном положении пластин с 0,025 до 0,040 г/см , то есть в 1,6 раза, эффективность использования порошка "Антифрикции" наглядно видна из рис.4.2. Однако сам порошок плохо удерживается на поверхности металла, и в ходе съема собранной нефти с поверхности рабочего элемента порошок будет смываться вместе с нефтью. Фиксация порошка на поверхности оцинкованной стали с использованием клеев неорганического (силикатный клей) и органического (клей «Момент») происхождения показало, что при этом адгезия нефти возрастает (табл.4.4,4.5). Так, например, при фиксации порошка "Антифрикции" силикатным клеем при времени контакта образца с нефтью 1 сек. величина адгезии возросла с 0,025 до 0,046 г/см2 при горизонтальном положении пластин и не изменилась при вертикальном положении пластин, аналогично при фиксации порошка клеем "Момент" адгезия возросла с 0,025 до 0,047 г/см2 при вертикальном положении пластин.
Исследование в качестве рабочих элементов синтетических полимерных материалов пластмассы, резины и линолеума (поливинилхлоридний ПВХ) показало (табл.4.7-4.9), что из изученных материалов линолеум обладает повышенной адгезией по отношению к нефти на уровне 0,06 - 0,07 г/см , то есть он в 2,5 - 2,8 раз эффективнее оцинкованной стали й почти вдвое эффективнее работы полимерного материала, из которого изготовлены барабаны нефтесборщика «Магнум - 100» и который имеет величину адгезии в среднем на уровне 0,03 - 0,05 г/см2. Недостатком линолеума как конструкционного материала является его недостаточная жесткость. В таблице 4.10 даны обобщенные сведения по адгезии нефти на изученных образцах материалы.
Предлагается гипотеза о причинах повышения адгезии нефти на образцах линолеума и полистирольной пластмассы. Можно полагать, что при работе с образцами пластмассы и линолеума в результате трения нефти о пластмассу на поверхности пластмассы создается электростатический заряд, в результате которого возрастают силы притяжении между молекулами нефти и поверхностью пластмассы, приводящие к росту адгезии нефти. Для проверки этой гипотезы в лаборатории статического электрическая Башкирского государственного университета (БГУ) была определена величина статического заряда, возникающего на поверхности образцов пластмассы при трении их друг с другом, так как подобный процесс наблюдали при съеме нефти с вращающегося пластмассового барабана пластмассовой пластиной, соскребающей нефть.
Опыты показали, что:
1) Образец полистирола в результате электризации методом трения скольжения приобретает поверхностный потенциал в диапазоне от 6300 до 6800 В. Линейные размеры образца 100 х 100 мм . Удельное поверхностное электрическое сопротивление - более чем 5.1015 ОМ.
Измерения проведены с приведенной относительной погрешностью 20%.
2) Образец линолеума (ПВХ) многослойного одноцветного ТУ 5770— 093-00284718-94 тип М изготавливается вальцевым, каландровым или экструзионным способами из поливинилхлорида, пластификатов, наполнителей и технологических добавок. Линейные размеры образца 100 х 100 мм2. В результате электризации методом трения скольжения приобретает поверхностный потенциал в диапазоне от 4000 до 4100В. Удельное поверхностное электрическое сопротивление
Эти результаты могут служить подтверждением предложенной гипотезы. Выполненные эксперименты показали, что органические материалы (пластмасса, линолеум, резина) имеют более высокую адгезию к нефти, чем оцинкованная жесть, однако для изготовления барабанов нефтесборщиков, например, из пластмассы необходимо создавать специальные агрегаты, тогда как в ряде производств имеются готовые линии для изготовления барабанов из оцинкованной стали нужных размеров. Поэтому в дальнейшем (в главе 5) была изучена работа барабанов для нефтесборщиков из оцинкованной стали.
Большой объем экспериментальных данных (табл.4.1 - 4.9) на образцах различных материалов показывает, что разница в величине адгезии получается относительно небольшой, и для правильной оценки роли факторов на адгезию необходимо использовать не субъективный, а объективный подход. Поэтому применили методику использования критерия Стьюдента [25] для того, чтобы выяснить природу расхождения величины адгезии нефти на двух различных материалах: расхождения объясняется просто ошибкой опыта (т.е. разницы в адгезии нефти на поверхности разных образцов никакой нет или же расхождение результатов опытов по адгезии нефти является значимой величенной, т.е. разница в величине адгезии определяется именно свойством материалов).
Исследование процесса прилипания пленки нефти на поверхность различных материалов
В качестве основного параметра, характеризующего работу нефтесборщика при различных условиях процесса нефтесбора и позволяющего выполнять аналитическое сопоставление различных конструкций нефтесборщиков адгезионного типа, нами предложено ввести понятие удельной производительности рабочей поверхности барбана, контактирующей с собираемой нефтью за один оборот барабана как отношение объема собранной нефти к рабочей поверхности барабана в см /см . Этот параметр можно также интерпретировать как толщину слоя нефти, удерживаемой за счет адгезии на поверхности барабана. Для нефтесборщиков «Магнум 100» зависимость толщины слоя сибирской нефти от числа оборотов барабана носит экстремальный характер с достижением максимума на уровне 0.5 -0.8 мм при 40 об/мин (рис.5.2).
Указанную закономерность можно объяснить, исходя из двух факторов, влияющих на формирование толщины пленки на поверхности барабана - времени контакта со слоем нефти на поверхности воды тк и времени переноса этой пленки из зоны контакта в зону сбора нефти тп . При медленном вращении при большой величине тп часть сформировавшейся на поверхности барабана пленки нефти под действием сил гравитации успевает стечь по барабану назад в слой нефти на поверхности воды, при большой скорости вращения величина тк мала и на нефтесобирающей поверхности барабана пленка нефти не успевает сформироваться в слой достаточно большой толщины и начинается захват и удерживание капель и пленок воды поверхностью барабана (рис.5.3). В этой связи максимальная удельная производительность поверхности нефтесобирающего элемента для каждого вида нефти или нефтепродукта может быть достигнута путем подбора числа оборотов агрегата, а величина удельной производительности может рассматриваться как критерий оценки эффективности работы рабочего элемента нефтесборщика и аппарата в целом.
По данным, полученным при сборе нефти на образцах материалов методом физического моделирования, можно выполнить прогнозирование время контакта нефти на рабочих элементах нефтесборщика. Так, например, при сборе нефти на поверхности воды барабана контактирует с нефтью течение 3 с за 1 об./мин, что эквивалентно 360. Расчетное время контакта нефти с нижний частью барабана при угле наклона 120 составляет 1 с за 0,3 об./мин, что соответствует с времени при котором жести контактирует с нефтью во время проведения опыта и составляет 1 с.
В качестве импортзамещающего материала при изготовлении барабанов для замены пришедших в негодность барабанов нефтесборщика «Магнум 100» на базе испытания ряда материалов по адгезии практически одинаковых по вязкости арланской и кушкульской нефтей (табл.5.3) предложено применить оцинкованную сталь (жесть толщиной 0,8-1 мм) как достаточно доступный, дешевый и легкий в обработке материал с достаточно высокой величиной адгезии нефти, приводящей к формированию на пластинах стали слоев нефти толщиной около 0,3 мм в условиях статических испытаний.
Так как в условиях изготовления барабанов из оцинкованной стали приходилось использовать готовую оснастку предприятий, исследованные три варианта барабанов имели размеры несколько отличающиеся от барабанов нефтесборщика «Магнум-100»:
Похожие диссертации на Ликвидация аварийных разливов нефти и нефтепродуктов с поверхности воды с помощью нефтесборщиков адгезионного типа
