Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Аналитический обзор систем очистки судовых сточных и не фтесодержащих вод 12
1.1 Особенности судовых сточных и нефтесодержащих вод 12
1.1.1 Судовые сточные воды 12
1.1.2 Нефтесодержащие воды и их контрольные параметры
1.2 Способы удаления судовых сточных и нефтесодержащих вод 19
1.3 Методы очистки судовых сточных и нефтесодержащих вод
1.3.1 Классификация методов очистки 21
1.3.2 Механические методы очистки 22
1.3.3 Физико - механические методы 24
1.3.4 Физико - химические методы 25
1.3.5 Биохимические методы 27
1.3.6 Методы обеззараживания сточных и нефтесодержащих вод 28
1.4 Судовые системы очистки сточных вод 29
1.5 Судовые системы очистки нефтесодержащих вод и особенности их действия 32
1.6 Проблема проектирования судовых систем очистки сточных и нефтесодержащих вод. Цель и задачи исследования 39
Глава 2. Разработка и обоснование новой функциональной схемы системы очистки Нефтесодержащих вод 42
2.1 Анализ структурных особенностей водонефтяных эмульсий 42
2.2 Исследование концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ в судовых нефтесодержащих водах 44
2.3 Способы повышения эффективности очистки судовых НВ в системе 47
2.3.1. Отстойники 47
2.3.2 Напорные гидроциклоны з
2.3.3 Применение озона в судовых системах очистки нефтесодержащих вод 58
2.3.4 Использование адсорбционных фильтров 65
2.4 Функциональная схема системы очистки судовых нефтесодержащих вод 68
2.5 Выводы по главе 69
Глава 3. Математическое описание работы элементов судовой системы очистки нефтесодержащих вод 70
3.1 Общие сведения 70
3.2 Отстойник 70
3.3 Гидроциклоны 76 3.4 Эжектор 86
3.5 Контактный фильтр 87
3.6 Озонатор 90
3.7 Материальный и энергетический балансы системы очистки нефтесодержащих вод 95
3.8 Выводы по главе 96
Глава 4. Экспериментальные исследования работы основных конструктивных элементов СОНВ 98
4.1 Задачи экспериментальных исследований на испытательных стендах 98
4.2 Экспериментальное определение величин гидравлической крупности капель нефтепродуктов и твердых механических частиц в судовых НВ 98
4.3 Исследование эффективности работы и определение оптимальной величины давления на входе в гидроциклонные аппараты при разделении судовых нефтесодержащих вод
4.3.1 Описание экспериментальной установки 105
4.3.2 Условия проведения опытов 109
4.3.3 Результаты эксперимента 112
4.4 Влияние предварительного отставания судовых нефтесодержащих вод на эффективность их очистки в гидроциклонных аппаратах 118
4.4.1 Описание экспериментальной установки 118
4.4.2 Условия проведения опытов 119
4.4.3 Результаты опытов 1 4.5 Экспериментальное определение дозы и величины объемной скорости эжектируемого озона для финишной обработки судовых НВ 122
4.6 Математическая модель работы судовой СОНВ 125
4.7 Выводы по главе 127
Глава 5. Методика проектирования объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод 128
5.1 Предлагаемая принципиальная схема судовой системы очистки нефтесодержащих вод 128
5.2 Исходные данные для проектирования судовой системы очистки нефтесодержащих вод 129
5.3 Проектирование судовой системы очистки нефтесодержащих вод 132
5.4 Разработка принципиальной схемы объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод 136
5.5 Исходные данные для проектирования объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод 139
5.6 Проектирования объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод 140
5.7 Внедрение методики проектирования объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод 142
5.8 Социально-экологический и экономическийэффекты от внедрения предлагаемой системы очистки СВ иНВ 143
5.9 Выводы по главе 146
Заключение 147
Список библиографических источников
- Способы удаления судовых сточных и нефтесодержащих вод
- Исследование концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ в судовых нефтесодержащих водах
- Исследование эффективности работы и определение оптимальной величины давления на входе в гидроциклонные аппараты при разделении судовых нефтесодержащих вод
- Разработка принципиальной схемы объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в связи с начинающимся ростом производства и интенсивным развитием судоходства в России, а также перспективным вступлением в ВТО и открытием внутренних водных путей для иностранных судов, продолжается ухудшение качества воды малых и крупных рек. Эксплуатация качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью невозможна без решения проблем утилизации судовых отходов, которые неизбежно образуются на борту при проведении производственной и общесудовой деятельности. В их числе судовые сточные и нефтесодержащие воды, для утилизации которых в настоящее время на флоте предусмотрено два способа.
Первый – раздельное накопление этих видов отходов для сдачи на берег. Недостатком его является необходимость иметь на борту емкости, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также использовать вспомогательные суда для доставки отходов на береговые предприятия переработки, спецпричалы и прочую инфраструктуру. К тому же процесс сдачи указанных видов отходов на берег является дорогостоящим, что в конечном итоге приводит к значительным затратам судовладельцев.
Второй – переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих (НВ) вод, но эти системы переработки являются отдельными, не взаимодействующими, что в свою очередь значительно увеличивает массо-габаритные характеристики.
Указанные недостатки существующей системы обслуживания флота и систем переработки отдельных видов отходов явились поводом для поиска новых подходов к комплексному решению проблемы утилизации судовых СВ и НВ.
Проведенный анализ работ различных российских и зарубежных ученых, к которым относятся Баранов А.Л., Богатых С.А., Васильев Л.А., Волков Л.С., Карастелев Б.Я., Кульский Л.А., Курников А.С, Лукиных Н.Л., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В. Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., показывает, что разработки и исследования, выполненные по очистке СВ и НВ, ориентированы не на решение общей проблемы повышения экологической безопасности судна, а на частные решения этих задач. В этих работах отсутствует общая стратегия поиска, не были обобщены полученные результаты различных технологических схем очистки СВ и НВ. Исследования характеризовались отсутствием универсальности и могли быть полезны лишь при рассмотрении отдельных задач технологии очистки стоков. Не рассматривались взаимосвязи технологий обработки СВ и НВ, что позволило бы объединить ряд судовых систем в единый комплекс, например комплекс систем очистки СВ и НВ.
Комплексный метод при проектировании судовых систем позволяет производить эффективную переработку и утилизацию основных видов судовых отходов, используя универсальные технологии обработки различных сред с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, проблема проектирования систем для переработки и утилизации судовых отходов актуальна и требует скорейшего разрешения.
Целью диссертационной работы является создание научно - обоснованной методики проектирования объединенной системы по очистке судовых СВ и НВ, производящей обработку исходной жидкости современными методами в соответствии с требованиями российских и международных контролирующих организаций.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
На основе анализа методов обработки СВ и НВ в судовых системах их очистки (СОСВ и СОНВ соответственно) разработать современные принципиальные схемы этих систем.
-
Рассмотреть возможность объединения СОСВ и СОНВ на завершающей стадии очистки в силу идентичности предложенных методов обработки.
-
Создать математическое описание работы элементов систем с учетом их особенностей при функционировании в судовых условиях.
-
Выполнить экспериментальные исследования по определению неизвестных величин, влияющих на работу элементов системы.
-
Разработать блок-схему расчета и методику проектирования объединенной системы по очистке СВ и НВ.
-
Дать социально-экологическую и экономическую оценки предлагаемым мероприятиям.
Объектом исследования являются судовые системы, имеющие в своем составе элементы механической и химической очисток СВ и НВ.
К предмету исследования относятся процессы, протекающие при переработке судовых СВ и НВ.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые представлена концепция совершенствования и объединения систем очистки СВ и НВ, обоснованная едиными технологическими приемами обработки стоков.
-
Впервые предложено использование аппаратов гидроциклонного типа в составе судовых СОНВ для интенсификации механической очистки исходных НВ.
-
По результатам экспериментальных исследований определены оптимальные геометрические и режимные параметры гидроциклонов при выделении нефтепродуктов и взвешенных веществ из исходных НВ.
-
Научно обоснована и доказана экспериментально целесообразность применения озонирования при очистке судовых НВ.
-
Создана математическая модель объединенной системы очистки СВ и НВ, на основе которой разработана новая принципиальная схема взаимодействующих систем очистки.
Практическая ценность.
Применение результатов работы позволяет:
-
Производить комплексную обработку судовых СВ и НВ в единой системе.
-
Определять оптимальные условия функционирования гидроциклонных аппаратов в составе СОНВ.
-
Рассчитывать геометрические и режимные параметры основных элементов объединенной системы очистки СВ и НВ.
Реализация результатов работы выражается в следующем:
1. Патент РФ на полезную модель № 89484.
2. Методика проектирования предложена для пассажирского колесного теплохода типа “СУРА” проекта ПКС-40, предназначенного для кольцевого маршрута Москва-Нижний Новгород-Москва.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились с использованием известных (стандартных) методик и приборов для определения контролируемых показателей и характеристик. Обработка результатов производилась с помощью метода корреляционно-регрессионного анализа на основе известных зависимостей гидродинамических, физических и химических процессов, происходящих в СОСВ и СОНВ. Адекватность модели подтверждена сопоставимостью аналитических и экспериментальных результатов.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ “Транспорт-XXI век” (Н. Новгород, 2007); ежегодном научно-практическом форуме “Великие реки” (Н.Новгород, 2008, 2009, 2010); VIII и VIV Всероссийских выставках НТТМ (Москва, 2007, 2008); областном конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ “Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии.” (Н. Новгород, 2008); XIII Нижегородской сессии молодых ученых (панс. “Татинец”, 2008), заочной технической конференции аспирантов и молодых ученых 2009 г. в Дальневосточном государственном техническом университете им. В.В. Куйбышева, научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ «Прохоровские чтения-2009».
Автор удостоен различных дипломов, сертификатов и государственных наград (приложение 4). В их числе финансирование проекта в рамках федеральной программы “Участник молодежного научно-инновационного конкурса” (У.М.Н.И.К.-2009 и У.М.Н.И.К.-2010).
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 12 работ, в том числе 1 работа в реферируемом ВАК журнале, 1 патент России на полезную модель.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста и включает 48 рисунков и 24 таблицы. Список литературы состоит из 140 наименований.
Способы удаления судовых сточных и нефтесодержащих вод
В условиях ускорения научно-технического прогресса и бурного развития промышленности охрана окружающей среды стала одной из самых острых и актуальных проблем современности. Эта проблема носит глобальный характер и не может быть ,успешно решена без сотрудничества и объединения усилий специалистов в различных областях человеческой деятельности. Важнейшей составной частью общей проблемы, является охрана водоемов от загрязнений, так как Мировой океан во многом определяет условия жизни на Земле.
Проблема удаления СВ с судов возникла давно, практически со времени спуска на воду первого судна, но до недавнего времени она решалась довольно просто - сбросом СВ за борт без какой-либо обработки. Среди экипажей судов бытовало мнение, что судовые СВ можно сбрасывать в воду без всякого ущерба для природы. Объяснялось это значительным разбавлением СВ водой водоема.
Такой вывод ошибочен в первую очередь потому, что проблема загрязнения судовыми СВ в этом случае рассматривается в отрыве от общей проблемы загрязнения водоемов. Известно, что каждый водоем обладает способностью самоочищения, то есть разложения (окисления) вредных веществ до такого состояния, когда они не представляют опасности для водоема. Однако способность к самоочищению зависит, прежде всего, от начальной чистоты воды и от количества растворенного в ней кислорода. В настоящее время качество воды в реках и прибрежной зоне морей значительно ухудшилось. Это связано с быстрым развитием городов, промышленности, сельского хозяйства. Причем, в реках загрязнения скапливаются на всем их протяжении и затем выносятся- в прибрежную зону морей. Присутствие в воде большого числа загрязнений нарушает кислородный баланс водоемов, снижает их способность к самоочищению. Кроме того, СВ-являются причиной бактериального загрязнения [23, 26; 29].
Поэтому несмотря на то, что общее количество СВ сбрасываемых с судов, несравненно меньше СВ, отводимых городскими канализациями, они все же наносят ощутимый ущерб водоемам. Особенно неблагоприятное положение наблюдается в районах скопления судов, например, в портах. В связи с этим назрела необходимость в мерах по- предотвращению сброса необработанных СВ с судов, а также в повышении качества их очистки [51, 67, 69].
При проектировании судовых СОСВ. необходимо учитывать концентрацию загрязняющих веществ в СВ, их фазово-дисперсный состав, объемы отводимых стоков, наличие необходимых ресурсов для обработки СВ (пар, топливо, сжатый воздух, электроэнергия, реагенты, и др.), а также предъявляемые отечественными и международными, нормативами требования к сбросу СВ, эффективность процессов.очистки, гигиеническую безопасность повторного использования очищенных стоков1 в технических целях на борту судна.
В _ процессе эксплуатации судов образуются бытовые и производственные отходы, сброс которых в водоем приносит значительный ущерб природе. Все образующиеся-на судне загрязнения можно разделить на две основные группы: - остатки перевозимых грузов, образующиеся вследствие неполной их выгрузки, обмыва палуб и трюмов, танков и т.п. - загрязнения, возникающие в результате жизнедеятельности экипажа и пассажиров (СВ- и бытовой мусор), а также при эксплуатации судовых механизмов (нефтесодержащие льяльные воды, производственный мусор). В- данной работе будут рассмотрены различные варианты предотвращения отрицательного; влияния; на водоемы загрязнений второй группы, составляющих основную долю судовых отходов. Определение судовых. СВ приведено в Правилах Российского Речного Регистра (ПРРР) [109]; которые разработаны на основании МАРПОЛІ 73/78 [75]: - стоки и прочие отходы из всех типов туалетов, писсуаров и унитазов; - стоки/из- медицинских помещений- (амбулаторий, лазаретов и т.п.) через расположенные в таких помещениях;раковины, ванны и шпигаты; - стоки из помещений, в которых содержатся животные; - прочие стоки, если они смешаны с перечисленными выше стоками.
Кроме этого, СВ подразделяются на две группы::хозяйственно-бытовые и сточно-фекальные.. Система хозяйственно-бытовых вод предназначена для сбора стоков от умывальников,. ванн, душей; бань, прачечных, помещений: пищевого блока, столовых, ресторанов; кафе и баров; а также от шпигатов8 названных помещений; Єистема; сточно-фекальных: вод предусмотрена: для сбора стоков от унитазов, писсуаров, восходящих душей; санитарно-технического; оборудования медицинских помещений! и помещений;, где; содержатся животные; и прочих стоков; если они перемешаны соСВ [118]i На судах речного транспорта, как правило, эти системы объединены в одну [109ПВД
Исследование концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ в судовых нефтесодержащих водах
Данные для проведения исследования предоставлены ООО "Флот -сервис" по обслуживаемому судоходному участку с границами по р. Волга от г. Балахна (878 км) до с. Сомовка (1047 км), по р. Ока от 28 км до устья с центром в г. Нижний Новгород.
Исследованию подвергались судовые НВ, принятые на переработку в третьем квартале 2009 года. Сбор судовых НВ производился следующими техническими средствами ООО «Флот - сервис»: - судно-сборщик с установкой переработки НВ типа ОЧС-1 — 1 ед.; - спецпричал комплексного обслуживания флота - 1 ед.; - станция приема сточно-фекальных и НВ ОАО "Нижегородский порт" -1 ед. Результаты исследования обобщены и сведены в табл. 2.1.
Средневероятностные значения концентраций нефтепродуктов и ВВ Средневероятностные значения Взвешенные вещества, г/м3 Содержаниенефтепродуктовобщ., г/м3 Содержание нефтепродуктовэмульгир., г/м3 пассажирский флот 901 48007 290 грузовой флот 228 184959 37 технический флот 430 4908 65
По результатам исследования можно сделать вывод о том, что судовые НВ представляют собой сложную полидисперсную эмульсию с большим содержанием взвешенных веществ, плавающих и эмульгированных нефтепродуктов. Качественная очистка подобных НВ возможна только путем последовательного отделения нефтепродуктов и других загрязнителей с использованием современного оборудования, к которому можно отнести: гидроциклоны, тонкослойные отстойники, флотаторы и др. Попытки использования простых решений для получения очищенных вод требуемого качества дают только кратковременный эффект и не пригодны при длительной эксплуатации очистных систем.
1. Классификация и виды отстойных сооружений Отстаивание является самым простым, наименее трудоемким и дешевым методом выделения из водонефтяных эмульсий грубодиспергированных примесей и нефтепродуктов. Под действием силы тяжести взвешенные вещества оседают на дно, а нефтесодержащая фракция всплывает на поверхность. Отстойные сооружения, используемые в системах очистки, классифицируются [32]: - по характеру работы подразделяются на периодического действия (контактные) и непрерывного действия (проточные); - по технологической роли делятся на первичные отстойники, вторичные отстойники (для отстаивания НВ, прошедшей предварительную очистку) и третичные отстойники (для доочистки); - по направлению движения потока бывают вертикальные, горизонтальные, радиальные (разновидности: с центральным, периферийным и с радиальным впуском) и наклонные тонкослойные (в зависимости от схемы движения среды бывают прямоточными, противоточными и перекрестными); - по способу выгрузки отстоя: сооружения со скребковыми механизмами, илососами и гидросмывом.
Горизонтальные отстойники представляют собой прямоугольные в плане резервуары, разделенные продольными перегородками на несколько отделений. Поток в них движется горизонтально (рис. 2.3). Выпадающий по длине отстойника осадок перемещается скребком в расположенные на входе приямки, откуда под гидростатическим давлением выдавливается в самотечный трубопровод. Всплывающие нефтепродукты собираются в конце сооружения в лоток для их сбора, из которого отводятся самотеком.
К достоинствам горизонтальных отстойников можно отнести: высокий эффект очистки по взвешенным веществам — 50-60%. Недостатком является неудовлетворительная работа механизмов для сгребания осадка. Вертикальные отстойники представляют собой круглые в плане резервуары с коническим днищем, в которых поток движется в вертикальном направлении. Вертикальные отстойники бывают с центральным впуском среды, с периферийным и с нисходяще-восходящим движением среды. Рисунок 2.4 - Вертикальный отстойник с центральным впуском 1 - центральная труба; 2 - зона отстаивания; 3 - осадочная часть; 4 — отражательный щит; 5 — периферийный сборный лоток: б - кольцевой лоток; 7 — удаление осадка. В отстойниках с центральным впуском (рис. 2.4) НВ опускаются вниз по центральной раструбной трубе, отражаются от конусного отражательного щита и поступают в зону очистки. Осветленная вода собирается периферийным сборным лотком, всплывающие нефтепродукты собираются кольцевым лотком. Эффект осветления в таких отстойниках невысок и составляет не больше 40%.
Более совершенными являются вертикальные отстойники с нисходяще восходящим движением воды (рис. 2.5).
НВ поступают в центральную часть отстойника и через зубчатый водослив распределяются по площади зоны очистки, где происходит нисходящее движение потока. Основная масса загрязнений успевает выпасть (всплыть) до поступления НВ в кольцевую зону, где происходит доочистка и сбор ее периферийным лотком. Эффект осветления в таких отстойниках составляет 60-65%.
Достоинствами вертикальных отстойников является простота конструкции и удобство в эксплуатации, недостатком - большая глубина сооружений.
Радиальные отстойники имеют круглую в плане форму резервуаров, в которых исходные НВ? подаются в центр отстойника и движутся радиально от центра к периферии (рис. 2.6). Скорость изменяется от максимума в центре до минимального значения на периферии. Выпавший осадок перемещается в иловый приямок скребками, расположенными на вращающейся ферме, а всплывшие нефтепродукты попадают в сборный лоток. Рисунок 2.6 - Радиальный отстойник. 1 — подача НВ; 2 — сборный лоток; 3 - отстойная зона; 4 - иловый приямок; 5 — скребковый механизм; 6 — удаление осадка
Эффект осветления достигает 50-55%. К достоинствам радиальных отстойников относится простота эксплуатации и низкая удельная материалоемкость, к недостаткам — уменьшение коэффициента объемного использования из-за высоких градиентов скорости в центральной части.
Наибольшее распространение из известных методик повышения эффективности работы отстойников получил метод отстаивания в тонком слое [ ]. Сущность его заключается в установке в отстойниках, блоков из тонкослойных элементов (плоские или рифленые пластины, трубчатые элементы). Повышение эффекта осветления достигается за счет уменьшения времени осаждения взвеси и улучшения гидродинамики осаждения. Существует три схемы расположения модулей в отстойнике (рис. 2.7).
Исследование эффективности работы и определение оптимальной величины давления на входе в гидроциклонные аппараты при разделении судовых нефтесодержащих вод
Предлагаемая автором конструкция контактного фильтра разработана А.С. Курниковым и приведена на (рис. 3.8). Ее новизна защищена патентом России №2162061.
Идея совмещения фильтра и контактной колонны (рис. 3.8) в одном корпусе позволит значительно уменьшить объемы данных узлов с одновременным упрощением общей конструкции, а также сократит количество и сопротивление трубопроводов их соединяющих. Кроме этого, используя свободную от загрузки полость фильтра (а она всегда присутствует в однопоточных фильтрах для расширения загрузки при ее регенерации) для обеспечения времени контакта озона с водой, можно тем самым добиться и уменьшения объема самой контактной колонны.
Работает данный узел системы следующим образом. В эжекторе (не показан на рисунке) озон интенсивно диспергируется в воду и формируется турбулизованная озоноводяная струя, которая попадает в контактную колонну 4. Колонна в нижней части имеет тангенциальный вход нагнетательной линии эжектора, цилиндрическую форму для сохранения сформированной в эжекторе структуры струи и ее энергетического потенциала. В колонне происходит первый этап контакта озона с водой в течение определенного времени. Далее через отверстия 2 в верхней части колонны (они выполняют роль верхнего распределительного трубопровода) насыщенная озоноводяная смесь попадает в свободную (надзагрузочную) полость 1 фильтра 6, где окончательно обеспечивается необходимое время контакта озона с водой. Таким образом, контактный фильтр позволяет обеспечить более качественное смешение озона с водой и время их контакта.
Общий объем контакта озона с водой, образующийся колонной 4 и свободной полостью 1 фильтра 6 (см. рис. 3.8) ) определяется по выражению [72]: Объем эжектора из-за малой величины в общем объме Vке не учитывается VKe=\-H,- \Dl,-Dl)+H, .Dl (3.43) где 1/3 — минимальная часть свободного от загрузки объема фильтра, предназначенная для расширения загрузки при ее регенерации [71]; Нф - высота контактного фильтра, м; DK(p - диаметр корпуса фильтра, м; DKK — диаметр контактной колонны, м. С другой стороны, этот объем можно вычислить по регламентируемому времени контакта озона с НВ, тк, которое согласно [41, 43] должно быть не менее 720 с: = =720. (3.44) где QM - объемная скорость рабочей среды (НВ), м /с. В результате решения уравнений (3.43) и (3.44) относительно члена fa- b86 - (3.45) определяется необходимая площадь фильтрования рабочей среды [72]: .(оі-ві)- (3.46) где оф — скорость фильтрования, м/с. При совместном решении уравнений (3.45) и (3.46) находиться диаметр колонны: А... = 2Д216(Ъф-#;) ЗяНф»Ф (3.47) Из выражения (3.45) определяется D \
Приведенное выше математическое описание элементов СОНВ позволяет получить выражение, для определения материального баланса всей системы в целом. Оно включает в себя производительности отстойника, гидроциклонных аппаратов, контактного фильтра и имеет вид: Qcom = Ясбщ +QI+QA+Q6 (3.49) Для описания энергетического баланса СОНВ целесообразно использовать уравнение Бернулли, выражающее закон сохранения энергии движущейся жидкости: Hi+IoL + fl L H2+I L + L + hi2 Сз50) p.g 2-g p-g 2-g v где Я,, #2 - геометрические высоты в 1-ом и 2-ом сечениях, м; Лі) Р(2) давления в 1-ом и 2-ом сечениях, кПа; р - плотность жидкости, кг/м3; р}, ф2 - коэффициенты Кориолиса, учитывающие неравномерность распределения скоростей по сечению потока (для турбулентного режима (р = 1, для ламинарного - р = 2 ); vf, v\ - средние скорости движения потоков в 1-ом и 2-ом сечениях, м/с; /г,_2 - потеря напора на участке 1-2, м. Коэффициенты Кориолиса, входящие в уравнение (3.50), определяются структурой потока. В трубопроводах водоснабжения движение является турбулентным, так как движущаяся среда имеет малую вязкость [70] следовательно, обозначенное выражение можно записать в следующем виде: Я, +- - + - - = н2 +- + L + hi (3 5П p.g 2-g p-g 2-g v " 3.8 ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1. Приведено математическое описание работы элементов судовой СОНВ включающее: - уравнения, отражающие сущность процесса очистки исходных НВ в аппарате отстойного типа (3.1.. .3.17); - уравнения, характеризующие работу двух- и трехпродуктового гидроциклонов, соединенных последовательно без разрыва струи (3.18...3.31); - формулы, описывающие работу озонатора в системе (3.32.. .3.39); - выражения, позволяющие описать процессы образования озоноводяной смеси в эжекторе и произвести его расчет (3.40...3.42); - уравнения для расчета производительности и геометрических параметров контактного фильтра (3.43...3.48); - уравнения материального и энергетического баланса разработанной СОНВ (3.49-3.51). 2. Установлено, что приведенное математическое описание работы узлов судовой СОНВ, указанных выше, содержит ряд величин, которые требуют уточнения или определения путем экспериментальных исследований. К ним относятся: - скорость всплытия частиц нефтепродуктов (гидравлическая крупность) судовых НВ, U0,M/C в уравнении (3.2); - скорость осаждения твердых механических частиц, содержащихся в судовых НВ, игр,м/с в выражении (3.19); значение давления питания трехпродуктового низконапорного гидроциклона, необходимое для эффективной его работы , рх в формуле (3.21); - величину объемной скорости эжектируемого газа необходимую для финишной очистки судовых НВ, Q, в уравнении (3.31);
Разработка принципиальной схемы объединенной судовой системы очистки сточных и нефтесодержащих вод
При проведении экспериментов по определению величин гидравлической крупности капель нефтепродуктов и твердых механических частиц, исследователями используется метод статического отстаивания исходных стоков в специальных лабораторных сосудах или мерных цилиндрах (рис 4.1).
Приборы для получения кинетики отстаивания нефтепродуктов и твердых механических частиц. а - сосуд Лисенко; б - сосуд Имхоффа; в — седиментометр. В процессе отстаивания исходных НВ тяжелые механические примеси оседают на дне сосуда, а нефтепродукты концентрируются в верхней его части в виде сплошной пленки. По мнению [49] с учетом всех физических особенностей (небольшой размер, малый удельный вес, форма) капель нефтепродуктов и твердых механических в составе судовых НВ, можно считать, что их осаждение (всплытие) в большинстве случаев происходит с постоянной скоростью. Этот факт делает возможным переносить результаты лабораторных исследований в натуральные условия, считая, что величина скорости выделения одинаковых частиц остается постоянной.
Из условия постоянства скорости седиментации частиц загрязнений, независимо от высоты слоя воды, в котором происходит отстаивание, следует, что продолжительность осаждения (всплытия) в натуральном отстойнике будет во столько раз больше, во сколько глубина этого отстойника больше высоты сосуда, в котором производились лабораторные исследования. Следует также и то, что одинаковый эффект выделения из исходной жидкости твердых механических частиц и капель нефтепродуктов может быть получен только в том случае, если продолжительность пребывания исходной жидкости в реальном отстойнике будет больше продолжительности отстаивания в лабораторном сосуде во столько раз, во сколько раз высота слоя отстаивания реального отстойника больше высоты лабораторного сосуда.
Для проведения экспериментального исследования автором произведен забор проб НВ с судов ОАО «СК Волжское пароходство» («Николай Чернышевский», «Русь», «Ленин») в период подготовки их к зимнему отстою после навигации 2009 года.
Для построения кривых кинетики отстаивания и получения искомых величин U0 м/с и 1/гр, м/с в лаборатории металлорежущего оборудования при ВГАВТ была изготовлена экспериментальная установка, представленная на рис 4.2. Она состоит из цилиндра - отстойника 1, крана 2 и емкости для отбора проб 3. Высота цилиндра-отстойника 150 мм, диаметр 30 мм, объем 250 мл. Объемы частей отстойника между сечениями а-а и Ъ-Ъ, с-с и d-d, конической части цилиндра ниже сечения е-е одинаковы.
Перед началом эксперимента из исходной НВ после тщательного ее перемешивания отбирались пробы для определения исходной концентрации нефтепродуктов С согласно ПНД Ф 14.1:2:4.128-98 и твердых механических частиц Q " согласно ПНД Ф 14.1:2:4.254-09. Затем аналогичные пробы отбирались после отстаивания исходных НВ в течение 120 минут. Далее опыт выполнялся в следующей последовательности по методике, указанной в [121].
С помощью мерного стакана цилиндр-отстойник 1 заполнялся предварительно перемешанной НВ до достижения уровня а-а (кран 3 закрыт). В этот момент фиксировалось время начала эксперимента.
По истечении 30 минут через кран 3 спускался объем НВ VH, что контролировалось по снижению уровня жидкости в цилиндре-отстойнике с сечения а-а до сечения d-d (рис 4.3 а, б). После этого спускался оставшийся объем жидкости Ve (рис 4.3в). Оба объема НВ сливались в разные емкости с целью их дальнейшего исследования в специализированной химико бактериологической лаборатории при ФГУЗ «Центр гигиены и эпидемиологии в Нижегородской области» и определения из VH и Ve концентраций С ", С? , С"" и С" соответственно. Протоколы лабораторных исследований представлены в приложениях.
