Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние проблемы разделения водонефтяной смеси при ликвидации эксплуатационных разливов нефти (лэрн) с судов. цель и задачи исследований 9
ГЛАВА 2 Исследование особенностей процесса сорбции при разделении концентрированной водонефтяной смеси в судовом проточном сорбционном аппарате 23
2.1 Математическое описание процесса сорбции 23
2.2 Экспериментальные исследования динамической нефтеемкости различных синтетических сорбентов 28
2.2.1 Исследование влияния плотности набивки сорбентов на динамическую нефтеемкость 28
2.2.2 Исследование влияния на динамическую нефтеемкость циклического режима «сорбция-регенерация отжимом» 33
2.3 Экспериментальное исследование коэффициента защитного действия сорбционного фильтра при разделении
концентрированной водонефтяной смеси 39
2.3.1 Обоснование метода исследования и выбор функции цели 39
2.3.2 Выбор факторов для проведения эксперимента и обоснование интервалов их варьирования в процессе эксперимента 42
2.3.3 Разработка испытательного стенда 47
2.3.4 Планирование и проведение эксперимента 49
2.3.5 Обработка эксперимента и анализ полученных результатов 55
2.4 Математическая модель разделения концентрированной
водонефтяной смеси на синтетических сорбентах при ЛЭРН 60
ГЛАВА 3 Исследование особенностей процесса регенерации сорбента в проточном сорбционном аппарате 62
3.1 Анализ и выбор способа регенерации сорбента в проточном сорбционном аппарате 62
3.2 Математическое описание процесса регенерации судового сорбционного фильтра для разделения водонефтяной смеси 66
3.3 Экспериментальное исследование характеристик процесса отжима различных сорбентов 76
3.3.1 Экспериментальное определение постоянных процесса отжима для различных сорбентов 76
3.3.2 Определение необходимых усилий на поршень при отжиме сорбентов в фильтре 87
ГЛАВА 4 Разработка принципиальной схемы и методики проектирования судовых проточных аппаратов для разделения концентрированной водонефтяной смеси при лэрн 92
4.1 Разработка принципиальной схемы и основных конструктивных элементов судового проточного сорбционного аппарата для разделения водонефтяной смеси 92
4.1.1 Математическая модель работы судового сорбционного фильтра для разделения водонефтяной смеси 92
4.1.2 Разработка принципиальной схемы судового аппарата для разделения водонефтяной смеси в составе судовой системы сбора нефти с поверхности воды 95
4.2 Методика определения основных характеристик и размеров сорбционного фильтра 99
4.3 Использование методики определения основных характеристик аппарата для разделения водонефтяной смеси при оснащении бункеровщика проекта Р-135 комплектом по борьбе с разливами нефти 104
Заключение. выводы по работе 111
Литература 113
- Математическое описание процесса сорбции
- Анализ и выбор способа регенерации сорбента в проточном сорбционном аппарате
- Разработка принципиальной схемы и основных конструктивных элементов судового проточного сорбционного аппарата для разделения водонефтяной смеси
- Методика определения основных характеристик и размеров сорбционного фильтра
Введение к работе
В настоящее время по внутренним водным путям (ВВП) России осуществляется транспортировка, перегрузка и хранение более 30 млн. тонн нефти. Судовой ход проходит по рекам и водохранилищам, которые имеют рыбохозяйственное значение и являются источниками водоснабжения населения многих жилых поселков и городов.
Операции с нефтепродуктами относятся к тем областям человеческой деятельности, где наибольшее внимание уделяется безопасности (в том числе экологической) проводимых работ. Но даже новейшие технологии не в состоянии полностью исключить утечки и аварии с разливами нефти при перевозке, перегрузке и хранении нефтепродуктов и нефтеотходов.
Поэтому Правительством Российской Федерации (РФ) уделяется большое внимание проблемам предупреждения и ликвидации разливов нефти, в том числе и на ВВП (Постановления Правительства №613 от 21.08. 2000г., №240 от 15.04.2002г., № 794 от 30.12.2003г., №490 от 13.08.2006г.).
По статистике на внутренних водных путях до 80% случаев разливов нефти* с судов и других объектов водного транспорта не превышают 10 тонн. Такие разливы, согласно «Положению по расследованию, классификации и учету транспортных происшествий на внутренних водных путях РФ» (утв. Приказом Минтранса №221 от 29.12.2003 г), классифицируются как «эксплуатационные происшествия» и могут быть устранены силами экипажа. В предлагаемой работе эти разливы в соответствии с терминологией, принятой в международной практике [38], названы «эксплуатационными разливами». Около 90% таких разливов происходит с нефтепродуктами, представляющими собой судовое дизельное и моторное топливо с плотностью до 890 кг/м3.
согласно терминологии, принятой в международной практике, "нефть" означает нефть в любой форме, включая сырую нефть, жидкое топливо, отстой, нефтяные остатки и очищенные продукты [39].
В настоящее время технология ликвидации эксплуатационного разлива нефти силами экипажа подразумевает локализацию пятна боновыми ограждениями, нанесение сорбента в зону разлива и сбор насыщенного нефтью сорбента [67]. Однако эта технология имеет ряд недостатков и в наиболее часто встречающихся гидрометеорологических условиях малоэффективна. Существует масса трудностей, связанных с подачей сорбента на пятно и последующим его сбором. Как показывает практика, в ветреную погоду невозможно нанести сорбент равномерно на пятно, а волнение и течение не позволяют полностью его собрать, что практически сводит к нулю эффективность данного метода на ВВП в условиях быстрых течений [103].
Альтернативой данному способу ликвидации эксплуатационных разливов нефти является использование высокопроизводительных нефтесборных устройств и прием собираемой водонефтяной смеси (ВНС) на борт судна, с которого произошла утечка. В процессе сбора объем возникающей водонефтяной смеси в несколько (до 10) раз превышает объем пролитой нефти. Поэтому на судах, где вероятность эксплуатационного разлива достаточно высока, для применения этого способа требуется установка дополнительных емкостей в корпусе судна. Однако размещение таких цистерн на небольших речных судах, используемых, например, в качестве бункеровщиков, просто невозможно, так как приводит к существенному снижению грузоподъемности судна (до 30%) и связанным с этим экономическим потерям.
Выходом из данной ситуации может служить разделение водонефтяной смеси непосредственно на судне в момент ее сбора с поверхности водоема и одновременным сбросом очищенной воды за борт, а выделенной нефти в менее емкую сборную цистерну на судне.
Проблеме разделения ВНС на судах различными способами, в основном для очистки нефтесодержащих вод (НВ), и созданию соответствующих судовых аппаратов для этой цели посвящены работы большого числа отечественных и зарубежных ученых и специалистов:
И.А.Тува, В. А. Бараца, А. Л. Баранова, А. Г. Севастьянова, Ю.М.Брусельницкого, А. И. Боровского, В. Л. Этина, А. С. Курникова, С.В.Васькина, А. А. Курочкина, В. И. Решняка, J. Hupka, S. Nenkova, S. Jelev и др. [9, 12, 13, 17, 36, 71, 86, 94, 109, 112, 113].
Однако использование существующих судовых сепараторов нефтесодержащих подсланевых вод для разделения водонефтяной смеси, образующейся в условиях ликвидации эксплуатационных разливов нефти (ЛЭРН) малоэффективно, так как они имеют большие габариты или низкую производительность из-за применения сложной многоступенчатой технологии, предназначенной для разделения многокомпонентной по составу и низкоконцентрированной по нефти подсланевой водонефтяной смеси.
Таким образом, эффективное применение современной экологически безопасной технологии ЛЭРН тормозится отсутствием приемлемых способов и аппаратов разделения на судне собранной ВНС, состоящей из относительно чистой забортной воды и большого количества однородной по составу нефти. Поэтому исследования в этом направлении являются актуальными.
Научная новизна работы заключается в следующем:
впервые исследованы и определены параметры процесса динамической сорбции на синтетических сорбентах высококонцентрированной водонефтяной смеси, возникающей при ликвидации эксплуатационных разливов нефти. Кроме того, показано, что нефтеемкость синтетических сорбентов существенно зависит от плотности их набивки в аппарате. Экспериментально определены оптимальные плотности набивки некоторых сорбентов;
впервые создано математическое описание процесса регенерации сорбента внутри фильтра методом отжима. Исследованы и определены параметры процесса регенерации;
создана математическая модель работы судового сорбционного фильтра для разделения водонефтяной смеси, собранной с поверхности воды.
Практическая ценность работы заключается в следующем:
разработана принципиальная схема сорбционного аппарата для разделения ВНС в составе судовой системы сбора нефти с поверхности воды;
разработана методика определения основных характеристик судового аппарата для разделения водонефтяной смеси при выполнении работ по ЛЭРН;
методика использовалась для разработки принципиальной схемы судового аппарата разделения ВНС на бункеровщиках проекта Р-135 при оснащении их судовым комплектом по борьбе с разливами нефти в соответствии с Руководством Р.026-2008 Российского Речного Регистра по заданию ООО «Нижегород-Бункер» (письмо №39 от 4.05.08.) и ООО «ТНП-Бункер» (письмо №142 от 23.04.08.);
результаты исследований использованы в учебном процессе для постановки лабораторных работ по сорбции нефти и изучению сорбционных свойств синтетических материалов.
Объект исследования. Объектом исследований является судовая система сбора нефти с поверхности воды при ЛЭРН.
Предмет исследования. Предметом исследований являются процессы сорбции нефти на синтетических сорбентах и их регенерации отжимом.
Методы исследования.
При подготовке экспериментов и обработке экспериментальных данных применялись методы статистического анализа, привлекался аппарат математической теории планирования эксперимента. Определение остаточного содержания нефтепродуктов в экспериментах по определению коэффициента защитного действия сорбционного проточного аппарата производилось по методике ПНД Ф 14.1:2.116-97 «Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИКС» [62].
Все теоретические, экспериментальные и расчетные исследования, результаты которых приведены в диссертационной работе, выполнены автором самостоятельно или при его непосредственном участии.
Основные положения и результаты диссертационного исследования докладывались и обсуждались на XI Нижегородской сессии молодых ученых (Н. Новгород, 2006г), Всероссийской научно-практической конференции «Развитие транспорта в регионах России: проблемы и перспективы» (Киров, 2007); Всероссийской молодежной научно-технической конференции «Новые технологии водного транспорта» (Н. Новгород, 2007), Международном научно-практическом форуме «Великие реки» (Н. Новгород, 2007).
Основные результаты диссертационной работы представлены в 7 публикациях.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы. Работа содержит 124 страницы машинописного текста, в том числе 18 таблиц, 44 рисунка. Список литературы состоит из 124 наименований.
Математическое описание процесса сорбции
Для очистки воды от больших концентраций нефти были выбраны синтетические сорбенты, регенерируемые отжимом (см. гл. 1). Поэтому работа фильтра с такой загрузкой будет представлять цикличный процесс сорбции - регенерации.
Для всех рассмотренных выше синтетических материалов механизм процессов сорбции одинаков и может быть описан одними и теми же зависимостями с точностью до коэффициентов.
При пропускании ВНС через фильтр с пористой или волокнистой загрузкой микрокапли нефти при соприкосновении с поверхностью сорбента обволакивают его, растекаясь по поверхности [105]. В результате интенсивного накопления капель нефти в поровом пространстве сорбента часть из них сливается с образованием укрупненных капель, а часть образует сплошные жидкие покрытия, что приводит к уменьшению проницаемости материала. При фильтрации концентрированной водонефтяной смеси заполнение порового пространства происходит послойно, и формируется концентрационная волна с отвесным фронтом [там же]. По достижении фронта концентрации выходного сечения фильтра наступает проскок, характеризующийся резким ростом концентрации нефти в фильтрате [83, 105].
Качество процесса сорбции можно охарактеризовать продолжительностью защитного действия фильтра. Продолжительность защитного действия фильтра или фильтроцикл характеризуется временем с момента начала фильтрации смеси в сорбционном фильтре до момента появления в фильтрате концентрации нефти, превышающей допустимое значение Сдоп, которое для судовых очищенных нефтесодержащих вод составляет 5мг/л [81]. Таким образом, на протяжении всего фильтроцикла обеспечивается постоянная эффективность очистки на высоком уровне.
Фильтроцикл т до появления в фильтрате концентрации нефти, превышающей Сдоп, зависит главным образом от нефтеемкости сорбента а, исходной концентрации нефти в смеси С, скорости фильтрации v и высоты загрузки сорбента Я [83, 49, 105].
Для исследования этой характеристики процесса сорбции необходимо разработать математическое описание процесса сорбции.
В выражении (2.1) первое слагаемое учитывает влияние скорости фильтрации на концентрацию дисперсной фазы (нефти) в воде; второе -задержанных загрязнений; третье — остаток нефти в воде; четвертое — массоперенос в результате продольной диффузии.
Согласно [83], в адсорберах с плотным слоем загрузки, к которым относится моделируемый аппарат, массоперенос в результате диффузии д2С практически равен нулю, т. е. D—- = 0. Скорость сорбции зависит от отличия степени насыщения сорбента а в данный момент времени от равновесной ао. Это описывается дифференциальным уравнением, предложенным Родзиллером [83]:
jCfa-a), (2.2) где а и ао - текущая и равновесная степень насыщения сорбента нефтью соответственно, мг/дмЗ; у — константа. Решение (2.1) совместно с (2.2) позволяет получить выражение для определения эффекта очистки воды [83]: где Кд — а(/С — динамическая константа равновесия в первом приближении; В — коэффициент; H/v — тк — время контакта смеси и сорбента, ч. При использовании высокоэффективного синтетического сорбента, изымающего всю нефть из воды, в уравнении (2.1) слагаемое р—= 0, и dr уравнение (2.3) примет вид: =- = е {е + е[ к +в)] -1}" . (2.4) Однако чтобы выразить из этого выражения искомый фильтроцикл, необходимо производить сложные алгебраические преобразования. Гораздо проще эту величину можно определить, используя эмпирическое решение задачи, предложенное М. А. Шиловым [83]: г = k3.dH-1, с, (2.5) где к3_д, - коэффициент защитного действия, с/м, который зависит от свойств сорбента, скорости фильтрации и концентрации загрязнений (нефти) в смеси и определяется экспериментально; / — потеря времени защитного действия, определяемая по выражению: t = pAx,c, (2.6) где Аг — время, с, в течение которого концентрация нефти в фильтрате изменяется от допустимой концентрации до концентрации на входе в фильтр (определяется по выходной кривой динамики сорбции). В этом случае необходимо экспериментально определять две величины - коэффициент защитного действия к3,д и время от проскока до полного насыщения сорбента нефтью Ат.
Поскольку в рассматриваемом случае имеет значение только продолжительность работы фильтра до проскока, а не время его полного насыщения нефтью, то модель можно упростить: где к - коэффициент защитного действия фильтра, с/м, характеризующий время работы фильтра до проскока, приходящееся на единицу высоты слоя сорбента. Известно [83], что этот коэффициент зависит от скорости фильтрации смеси v, концентрации нефти С и динамической нефтеемкости сорбента ад\
В выражении (2.8) а - динамическая нефтеемкость сорбента, кг/кг, характеризующая его сорбционные свойства в режиме фильтрации. Она, как правило, ниже статической нефтеемкости, определенной при нанесении сорбента на свободную поверхность с разлитой нефтью [49]. Согласно описанному выше механизму послойного заполнения пор [105], при фильтрации высококонцентрированной эмульсии, максимальная динамическая нефтеемкость сорбента ( зависит, кроме его типа, от суммарного объема пор, т.е. от его пористости /?, которая определяется по выражению: гист где рнаб = -г— плотность набивки сорбента в фильтре, кг/м3, равная отношению массы синтетического сорбента к объему фильтра; mc , з Рист =—- — истинная плотность, кг/м , т. е. плотность материала, из те которого состоит сорбент, равная отношению его массы к объему твердой фазы; тс - масса сорбента, кг; V— объем, занимаемый сорбентом в фильтре, м ; Уте - объем, м3, занимаемый твердой фазой сорбента, не зависящий от плотности набивки. Поэтому при упаковке в фильтр эластичного синтетического сорбента его динамическая нефтеемкость а будет определяться плотностью его набивки рнаб. В настоящее время в известной нам литературе отсутствуют исследования зависимости динамической нефтеемкости синтетических сорбентов от плотности набивки их в фильтр, т. е.: а=/(А )- (2.10) Экспериментальное определение этой зависимости для различных сорбентов приведено в п. 2.3. Максимальное количество нефти, которое может задержать сорбент объемом V, набитый в фильтр с плотностью набивки рнаб, определяется по выражению [67]: гсорб = 5 =fv?k,мз, . (2Л1) Рн Р„ где Усорб - объем сорбированной нефти, м3; рн - плотность нефти, кг/м . Для получения коэффициента защитного действия фильтра в выражении (2.8) необходимо проведение экспериментальных исследований.
Анализ и выбор способа регенерации сорбента в проточном сорбционном аппарате
Основным нормативным документом, содержащим методику проектирования сорбционных фильтров, до сих пор остается СНиП 2.04.03-85 "Канализация. Наружные сети и сооружения" [85]. Однако никаких рекомендаций по выбору способа и определению параметров регенерации сорбентов в документе не содержится. Разработка устройств регенерации сорбентов ведется, как правило, по прототипу уже существующих устройств, с учетом особенностей условий эксплуатации и типа регенерируемого сорбента.
Среди известных способов регенерации синтетических сорбентов наибольшее распространение получили: промывка чистой водой с использованием ПАВ или без них [8], центрифугирование [11], отжим непосредственно в аппарате [8] или с выгрузкой сорбента из аппарата [98, ПО]. Существуют также комбинированные методы (например, отжим плюс промывка [53, ПО]).
Промывка сорбентов водой осуществляется, как правило, противотоком и для этого используется отфильтрованная вода. Интенсивность промывки рекомендуется принимать: для полистирольной загрузки 0,008 - 0,012 м3/(с м2) [18], пенополиуретановой - до 0,022 м3/(с м2) [49] и продолжительность 3-4 минуты [18]. При этом расход воды на промывку загрузки фильтра с площадью сечения 1м составит 1,8 — 5,3 м . Сравнивая этот объем с максимальным объемом эксплуатационного разлива, например, дизельного топлива (Ют или 8,4 мЗ), становится очевидной нерациональность данного способа регенерации сорбента. Использование ПАВ только усугубляет негативный эффект промывки, т. к. образующаяся в результате промывки смесь воды и нефти с ПАВ является агрегативно устойчивой системой и требует более сложной технологии разделения, чем водонефтяная смесь [70].
Центрифугирование позволяет эффективно удалить до 90% нефти из сорбента [И]. Однако эта технология подразумевает наличие вращающихся частей, что резко снижает надежность способа. К тому же, центрифуга обычно выполняется в виде отдельного аппарата, т. е. для регенерации сорбента по данному способу необходима выгрузка его из фильтра.
Отжим сорбента на валках с выгрузкой из аппарата — один из первых предложенных способов регенерации полимерной загрузки [98]. Так, в известных фильтрах «Полимер» с плавающей пенополиуретановой загрузкой регенерация осуществляется вычерпыванием элеватором загрязненного сорбента, отжим на валках и сброс обратно в ванну. Однако, этот процесс длительный и энергоемкий, т. к. для обеспечения эффективности необходимо перечерпать всю загрузку 3-4 раза. Для регенерации плотно набитого сорбента данный способ не подходит, поскольку существует сложность извлечения сорбента из фильтра и обратной его набивки.
Использование специальных фильтрующих кассет с сорбентом [ПО] позволяет быстро извлекать их из аппарата и заменять новыми. Однако, для регенерации кассет с загрязненным сорбентом необходимо дополнительное оборудование, что в итоге не облегчает регенерацию, а наоборот, усложняет технологический процесс.
Наиболее экономичным и быстрым следует признать способ регенерации сорбента отжимом непосредственно в аппарате [8, ПО]. Отжим может выполняться поршнем [8] или встроенными обжимными кольцами [57], при этом он может дополняться промывкой небольшим количеством воды [53, ПО,]. Двукратный отжим с промежуточной промывкой небольшим количеством воды позволяет экономить значительные объемы промывной воды, при этом быстро и с высокой эффективностью удалять нефть из сорбента [там же]. Для всесторонней оценки пригодности этого метода регенерации сорбента в судовых аппаратах для разделения ВНС при ЛЭРН возникает необходимость математического описания этого процесса.
В литературе известны математические модели, описывающие деформацию волокнистых материалов [14], и модели сорбции-десорбции в статически деформированных пористых средах [100]. Однако комплексной модели, связывающей десорбцию загрязнений (нефти) с деформацией (отжимом) сорбента в фильтре в известной нам литературе не встречается.
Показателем качества отжима в каждом отдельном цикле сорбции — регенерации может служить коэффициент регенерации, определяемый по выражению:
Корб - объем нефти, м3, сорбируемой за один цикл сорбции-регенерации; определяемый по выражению (2.11).
Качество удаления нефти из сорбента является важным показателем работы сорбционного аппарата.
В литературе не обнаружено подробных исследований эффективности многократного отжима для различных сорбентов. В [ПО] приведены лишь выводы, согласно которым наилучшей технологией регенерации эластичного пенополиуретана признан двукратный отжим с промежуточной промывкой сорбента небольшим количеством воды.
Поэтому был поставлен специальный эксперимент, целью которого было определение коэффициента регенерации сорбента отжимом при различном числе отжимов за один цикл регенерации для разных сорбентов. Для этого исследуемые сорбенты загружались в колонку с плотностями набивки, определенными в п. 2.2.1, и через них пропускалась водонефтяная смесь с содержанием нефти (дизельного топлива) 30%. Затем производился отжим сорбента поршнем с усилием 40 кПа и сбор отжатой жидкости в мерном цилиндре. После этого сорбент заполнялся водой, количество которой соответствовало объему отжатой жидкости (нефти и воды вместе) в предыдущем отжиме. В каждом цикле «сорбция - регенерация» фиксировались задержанный сорбентом объем нефти и отжатый объем нефти. Результаты эксперимента приведены в таблице 3.1.
Разработка принципиальной схемы и основных конструктивных элементов судового проточного сорбционного аппарата для разделения водонефтяной смеси
На основании полученных в гл. 2 и 3 зависимостей, характеризующих процессы сорбции высококонцентрированной водонефтяной смеси в фильтрах с синтетическими сорбентами и их регенерации отжимом, разработана математическая модель работы судового сорбционного фильтра для разделения ВНС.
Такой сорбционный фильтр работает по принципу «губки», впитывая нефть в режиме фильтрации и отдавая ее при отжиме. Поскольку входные концентрации нефти и скорость фильтрации смеси высоки, то, как показал эксперимент по определению коэффициента защитного действия, фильтроцикл такого аппарата будет измеряться не в сутках, и не в часах, как у обычных фильтров, а в минутах. Поэтому его можно назвать «короткоцикловым».
Схема работы сорбционного фильтра для разделения водонефтяной смеси приведена на рис. 4.1. Работа фильтра заключается в непрерывном чередовании двух стадий: сорбции и отжима.
Стадия сорбции характеризуется фильтроциклом, или временем работы фильтра до регенерации, которое определяется по выражению (2.23): Теорб = Я( 1318,63 - 52,65v - 26,24С + l,03vC + 0,9vaa - 0,54Сад), с,
Качество процесса регенерации может быть охарактеризовано отношением количества отжатой нефти за цикл регенерации к количеству нефти, которое может задержать сорбент (коэффициент регенерации):
Определенные в главе 3 значения отжимных усилий позволяют достичь наиболее эффективной регенерации сорбентов (табл. 3.5). Так, для отжима сорбента Уремикс-913 необходимо приложить усилие, равное 46кПа, для поролона HR3027 - 24 кПа, для синтепона - 45 кПа, сорбента Мегасорб -45кПа.
Таким образом, математической моделью работы судового проточного сорбционного фильтра для разделения высококонцентрированной ВНС является система уравнений: Для обеспечения работы сорбционного аппарата в составе судовой системы по схеме, показанной на рис. 1.1, необходимо использовать вакуумный сбор нефти.
Для приема водонефтяной смеси на борт судна, во избежание вторичного эмульгирования нефти в насосах [13], должен быть использован вакуумный сбор нефти. С этой целью может применяться вакуум-баллон, причем для обеспечения непрерывной подачи смеси в сорбционный аппарат для разделения ВНС, он должен выполняться двухкамерным [12]. В нем происходит первичное расслоение смеси на нефть с незначительным содержанием воды и воду с эмульгированной нефтью [13]. Работа вакуум-баллона должна обеспечиваться судовой системой сжатого воздуха.
Для сбора отделенной нефти должна быть предусмотрена емкость сбора нефти, объемом не менее чем максимально возможный вылив нефти при эксплуатационном происшествии, с учетом обводненности нефти до 10%.
Для контроля качества очищенной воды перед сбросом ее за борт может быть установлен анализатор концентрации нефтепродуктов в воде и накопительная емкость очищенной воды, размеры которой должны обеспечивать накопление воды в течение времени, необходимого на проведение анализа и автоматическое прекращение сброса. В случае ненормативного качества воды, должна быть предусмотрена возможность подачи ее на повторную очистку в сорбционный аппарат. Часть очищенной воды расходуется на промывку сорбционных фильтров.
С учетом всех перечисленных требований, была разработана принципиальная схема сорбционного аппарата для разделения ВНС в составе судовой системы сбора нефти с поверхности воды в процессе ЛЭРН (см. рис. 4.2).
Методика определения основных характеристик и размеров сорбционного фильтра
Предложенные в главах 2 и 3 математические описания процессов сорбции и регенерации в сорбционном фильтре позволили разработать методику определения основных конструктивных характеристик судового сорбционного аппарата для разделения ВНС при ЛЭРН с учетом производительности нефтесборного устройства, массы разлива и концентрации нефти в собираемой смеси.
К основным характеристикам . аппарата, которые необходимо определить, можно отнести: Основные характеристики проточного сорбционного аппарата: 1. скорость фильтрации ВНС v, м/ч; 2. количество фильтров в составе аппарата N?, шт; 3. количество одновременно работающих фильтров Исорб, шт; 4. диаметр фильтра Дм; 5. высота фильтра if, м; 6. общая масса сорбирующей загрузки М, кг; 7. время работы одного фильтра до регенерации тсор6, с; 8. продолжительность регенерации фильтра трег, с; 9. отжимное усилие/?, кПа; 10. скорость движения поршня v„, м/с; 11. интенсивность промывки W, м /м с; Исходными данными для расчета судового сорбционного аппарата являются: - максимальный объем пролитой нефти при эксплуатационном происшествии Vpa3Jl, м ; - объем ВНС, поступающей на очистку VCM, м3; - содержание нефти в смеси С, %; - скорость сбора смеси (производительность), Q, м /ч; - высота помещения, в котором устанавливается аппарат для разделения ВНС Нпомещ, м. 1. Исходя из заданной высоты помещения, где будет установлен аппарат для разделения ВНС, рассчитывается высота слоя загрузки в фильтрах в соответствии с формулой: Н = Нпомещ-0,4,м. (4.8) где 0,4м — запас высоты на конструктивное оформление фильтра. 2. Выбирается марка сорбента по технико-эконимическим показателям. В соответствии с выбранной маркой сорбента, по табличным данным определяются характеристики сорбента: ад, рнаб_, єтах, р0 sHmax, ph р2 (таблицы 2.2, 2.5 и 3.3). 3. Назначается скорость фильтрации смеси через слой сорбента. Она принимается максимальной для данного типа сорбента. 4. Определяется продолжительность работы фильтра до регенерации: гсо;зб=я{13Ц63-52,65у-26,24С+1,03уС+(0,9у-0,54С)[аа1 -b]}, с. 5. Определяется продолжительность регенерации фильтра по формуле: Скорость движения поршня v„ при механическом отжиме в фильтрах с полимерной загрузкой обычно составляет 0,01 м/с [8]. Из работы [106] известно, что скорость отжима сорбирующей ленты на валках составляет от 0,085 м/с до 0,737 м/с. Поэтому скорость отжима может быть принята из интервала [0,01; 0,737] м/с. 6. Проверяется выполнение условия: Теорб — Трег" Если условие выполняется, расчет продолжается, переходят к следующему пункту. Если время, затрачиваемое на регенерацию фильтра окажется больше, чем продолжительность сорбции, необходимо уменьшить скорость фильтрации в соответствии с формулой: v = v ІЗЙ_, „д., (4.9) т рег после чего снова пересчитываются фильтроцикл тсорб и продолжительность регенерации трег и проверяется выполнение условия (4.8). 7. Определяется суммарная площадь фильтрации: FZ=Q,M2. (4.10) 8. Вычисляется диаметр фильтра D, исходя из условия: D=—,m, (4.Ц) где кп = 4...6 — коэффициент пропорциональности, характеризующий оптимальное соотношение высоты загрузки к диаметру [85]. 9. Определяется площадь сечения одного фильтра: F= l,M2. (4.12) 10. Исходя из отношения суммарной площади фильтрации к площади одного фильтра определяется количество одновременно работающих фильтров: 101 AT - Fz (4.13) Ncop6=- , шт. ч J г Округление до целого числа производится в большую сторону. 11. Для минимизации количества фильтров, одновременно находящихся на регенерации, определяется интервал поочередного включения фильтров по формуле (4.6): N 1У сорб 12. Определяется количество фильтров на регенерации с учетом их последовательного включения: Npe3=Ncop6- ,uiT. (4.14) сорб 13. Суммарное число фильтров в установке подсчитывается по формуле: Nz = Ncop6 + Npee, шт. (4.15) 14. Количество сорбента, необходимое на один фильтр: тс = Рна&РН, кг. (4.16) Оптимальные значения плотности набивки определены в п. 2.2.1: для сорбента Уремикс-913 оптимальная плотность набивки составляет 30кг/м3, для поролона HR3027 - 44 кг/м , для синтепона - 60 кг/м , и для сорбента Мегасорб - 33 кг/м . 15. Рассчитывается количество сорбента, необходимое на всю установку: M = Nzmc, кг. (4.17) 16. Время работы установки определяется по формуле: Vr си ч. (4.18) Q 17. Количество циклов работы одного фильтра: 3600Г п= т +т (4.19) сорб рее По полученным размерам сорбционного аппарата рассчитываются объемы емкостей сбора нефти и временного накопления воды. Емкость для сбора нефти должна вмещать объем нефти, соответствующий максимально возможному эксплуатационному разливу, с 10%-ным запасом объема на обводненность. Емкость временного накопления воды должна быть рассчитана с учетом инерционности работы анализатора нефтесодержания, но не меньше, чем объем одного фильтра в составе аппарата для разделениявне.
Похожие диссертации на Разделение водонефтяной смеси при ликвидации разливов нефти в результате эксплуатационных происшествий с судами на внутренних водных путях
