Введение к работе
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.
Похожие диссертации на Научные основы технологии утилизации нефтяных загрязнений водной среды
