Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние комплексной механической очистки вод малых поверхностных водотоков для орошения 16
1.1 Особенности малых поверхностных водотоков как источников загрязнения земель и водных объектов 16
1.2 Анализ загрязнения нефтью и нефтепродуктами земель и водных объектов 27
1.3 Анализ систем водоотведения и выбор рациональных схем для инженерных сетей 32
1.4 Анализ технологий и технических средств для механической очистки вод малых поверхностных водотоков 38
1.5 Методы и технические средства по сбору нефти и нефтепродуктов с поверхности воды 52
1.6 Методы и технические средства борьбы с грубодиспергированными примесями в воде 71
2 Технологии и средства сбора нефти и нефтепродуктов при очистке вод малых поверхностных водотоков для орошения 81
2.1 Обоснование конструктивных и технологических параметров нефтеловушек на принципе сил поверхностного натяжения нефти и нефтепродуктов 81
2.2 Нефтеловушки на принципе сил поверхностного натяжения нефти и нефтепродуктов для охраны водных объектов 86
2.2.1 Теоретические исследования и расчет элементов роторных нефтеловушек с эластичными лопастями и камерами 101
2.2.2 Состав, методика и аппаратура исследований 116
2.2.3 Исследование кинематической структуры пленки нефтепродуктов у роторной нефтеловушки для обоснования расположения в водной акватории 122
2.3 Нефтеловушки на принципе центробежной сепарации воды в поле слабых сил для очистки поверхностных водотоков и водоемов 130
3 Технологии и средства механической очистки от грубодиспергированных примесей вод малых поверхностных водотоков для орошения 140
3.1 Разработка и обоснование конструкции гидроциклона для механической очистки вод малых поверхностных водотоков для орошения 140
3.2 Теоретическое обоснование конструктивных и технологических параметров гидроциклонов при механической очистке вод малых поверхностных водотоков 151
3.3 Анализ способов регулирования работы гидроциклонов по принципам действия для разработки классификации 176
3.3.1 Способы регулирования работы гидроциклонов и устройства их реализующие для очистки вод малых поверхностных водотоков 184
3.4 Разработка классификации способов регулирования работы гидроциклонов для выбора оптимальных при очистке вод малых поверхностных водотоков 199
3.5 Выбор и контроль управляющих параметров при реализации способов регулирования работы гидроциклонов для очистки вод малых поверхностных водотоков 204
4 Исследования механической очистки вод малых поверхностных водотоков низконапорными гидроциклонами для орошения 210
4.1 Лабораторные исследования низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков 210
4.1.1 Состав, методика, точность и аппаратура исследований 210
4.1.2 Исследование влияния конструктивных и технологических факторов на производительность низконапорных гидроциклонов и получение математических моделей 216
4.1.3 Анализ математических моделей расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков 224
4.2 Натурные исследования расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков 233
4.2.1 Исследования конструктивных и технологических факторов, влияющих на производительность низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков 233
4.2.2 Анализ математических моделей расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков 250
4.2.3 Сопоставительный анализ расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков различных модификаций 284
4.3 Исследования и анализ конструктивных и технологических факторов, влияющих на степень осветления вод малых поверхностных водотоков низконапорными гидроциклонами 292
5 Технологии комплексной механической очистки вод малых поверхностных водотоков для орошения 306
5.1 Функциональный анализ технических средств гидроциклонной системы очистки вод малых поверхностных водотоков 306
5.2 Технологические схемы гидроциклонных систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков 318
5.3 Компоновочные модульные схемы гидроциклонных систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков 325
5.4 Схемы регулирования технологических параметров модульных гидроциклонных систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков 341
5.5 Схемы управления приводом модульной гидроциклонной системы 345
6 Экономическая эффективность механической очистки вод малых поверхностных водотоков с использованием разработанных технологий и средств 351
6.1 Системы механической очистки вод малых поверхностных водотоков с использованием разработанных технологий и средств 351
6.1.1 Система механической очистки вод малых поверхностных водотоков на основе представленных разработок 351
6.1.2 Система комплексной механической очистки вод коллектора поверхностного стока в г. Геленджике 357
6.1.3 Система очистки вод поверхностного стока коллектора в г. Новороссийске 369
6.1.4 Система комплексной механической очистки вод ручья «Безымянного» в г. Сочи 372
6.2 Экономическая эффективность систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков 385
6.2.1 Укрупненные показатели стоимости очистного модульного блока многоступенчатой системы очистки воды 387
6.2.2 Предотвращенный эколого-экономический ущерб водным ресурсам, вследствие упредительных мероприятий 388
6.2.3 Учет темпов инфляции в модели оценки эффективности механической очистки вод малых поверхностных водотоков 392
Заключение и выводы 399
Список использованных источников 406
Приложения
- Анализ загрязнения нефтью и нефтепродуктами земель и водных объектов
- Нефтеловушки на принципе сил поверхностного натяжения нефти и нефтепродуктов для охраны водных объектов
- Анализ способов регулирования работы гидроциклонов по принципам действия для разработки классификации
- Натурные исследования расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков
Введение к работе
Актуальность проблемы. В современных условиях удовлетворение потребностей промышленности, сельского хозяйства и населения в воде становится важнейшей проблемой. Пресной воды на Земле около 30,5 млн. км3, из них порядка 97 % находится в горных ледниках и полярных кругах и не может быть использовано человеком. Менее 3 % общего запаса пресной воды сосредоточено в реках, озерах и почве, что составляет около 826 тыс. км3. Проблема охраны и воспроизводства земельных и водных ресурсов является одной из важнейших, направленных на достижение целей повышения уровня жизни и здоровья населения. Доступные к освоению земли сельскохозяйственных угодий и природные запасы пресной воды весьма ограничены и уже с трудом удовлетворяют жизненные запросы человека на современном этапе, особенно на интенсивно развитых территориях.
Истощение резервов чистой воды, реальность угрозы водного голода обусловлены нарастающим загрязнением водных источников промышленными и бытовыми стоками, стоками вод малых поверхностных водотоков с урбанизированных или вовлеченных в хозяйственную деятельность человека территорий.
Крупнейшим потребителем воды, порядка 200 км /год, является орошаемое земледелие, которое в зоне недостаточного увлажнения должно играть основную роль в увеличении производства сельскохозяйственной продукции. На Северном Кавказе прирост орошаемых площадей невозможен с использованием традиционных способов орошения, так как все водные ресурсы практически использованы. Развитие гидромелиорации должно идти по пути коренной реконструкции оросительных систем с внедрением водосберегающих технологий, что позволит рационально использовать оросительную воду, так как в настоящее время коэффициент полезного действия оросительных систем, без учета внутрихозяйственной сети, составляет порядка 0,56, а с ее учетом и того меньше - 0,35 + 0,40. На территориях, подкомандных предгорным рекам, имеются небольшие площади сельскохозяйственных земель - до нескольких десятков гектаров, где с успехом можно выращивать виноград, плодовые и кормовые культуры. Особенно востребованы данные земли в свете фермерского хозяйствования, развития животноводства и перевода его на интенсивный путь. Отличительными особенностями таких участков предгорной зоны являются сложность рельефа, малая мощность плодородного слоя почвы, а также водные источники, обладающие большой кинетичностью потока, насыщенного наносами. В районах с расчлененным рельефом ежегодный смыв почвы составляет от 2 до 40 т/га и более.
Рациональное использование земельных и водных ресурсов предгорной зоны возможно лишь при применении прогрессивных способов орошения, обеспечивающих подачу воды малыми поливными нормами. К их числу относят капельное, инъекционное, импульсное, подкроновое и надкроновое микродождевание. Данные способы, нормирующие воду в соответствии с потребностью растений, исключают поверхностный сток, смыв и эрозию почвы. Возможно проведение подкормок минеральными удобрениями, а также уничтожение вредителей растворами ядохимикатов одновременно с поливами. Использование прогрессивных методов орошения можно осуществлять при любой форме рельефа, доступна полная автоматизация систем. Ряд прогрессивных способов орошения можно использовать в качестве метода защиты от заморозков, как адвективных, так и радиационных.
Применение прогрессивных способов орошения, осуществляемых высокопроизводительной поливной техникой, сдерживается отсутствием надежных средств очистки оросительной воды. Развитие нефтяной, химической и других видов промышленности, интенсификация сельскохозяйственного производства приводят к загрязнению земель и водных акваторий в результате аварийных или неконтролируемых утечек при производстве, транспортировке, применении, хранении и утилизации веществ оказывающих отрицательное воздействие на окружающую среду. Речная вода предгорных зон характеризуется высоким содержанием взвешенных веществ, порядка 5 г/л, а в паводок - до 10 г/л, в ряде случаев и нефтепродуктами до 5 мг/л, если источник проходит через заселенные территории.
Получившие на сегодня наибольшее распространение такие средства водоочистки как пескогравиеловки и отстойники в предгорной местности малоэффективны или вовсе неприемлемы. Пескогравиеловки неудовлетворительно работают при большой кинетичности потока, при этом сброс воды на промыв наносов достигает 10 % и более. Осветлению, то есть активной обработке, в пескогравиеловках подлежит лишь часть оросительной воды и в осветленную воду поступают фракции наносов диаметром 0,25 мм и более, что недопустимо для закрытых оросительных систем, используемых при прогрессивных способах орошения.
Отстойники весьма сложны и дороги при строительстве и эксплуатации в предгорной зоне. Требуют специальных площадок значительных размеров. Работа отстойников с периодическим удалением наносов плохо вписывается в непрерывную технологию орошения прогрессивными способами.
В настоящее время нет достаточно апробированных производством методов и средств очистки вод малых водотоков для целей орошения и охраны земель. Научно-методическое обоснование и разработка качественно новых технологий и средств механической очистки малых поверхностных водотоков является весьма актуальной в научном плане и значимой для практики задачей.
Таким образом, проблема, решаемая в работе, состоит в уменьшении антропогенной нагрузки на воды малых поверхностных водотоков и очистке этих вод для целей орошения и охраны земель.
Цель исследований - разработка методов и технических средств механической очистки вод малых поверхностных водотоков для уменьшения антропогенной нагрузки при орошении, охране земель и водных акваторий.
Задачи исследований: 1. Провести анализ сложившейся практики очистки вод малых поверхностных водотоков, изучить технологии и технические средства, особенности про 10 цессов и работы;
2. Разработать научное обоснование механической очистки вод малых поверхностных водотоков для целей орошения, охраны земель и водных акваторий от техногенных загрязнений;
3. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработать новые способы и технические средства по сбору нефти и нефтепродуктов с поверхности воды;
4. Разработать новые конструкции гидроциклонов для очистки вод малых поверхностных водотоков и способы управления их работой, используя результаты теоретических и экспериментальных исследований;
5. Осуществить, на основе возобновляемых источников энергии, разработку технологий и технических средств очистки вод малых поверхностных водотоков для целей орошения и поверхностного стока с урбанизированных и вовлеченных в хозяйственную деятельность территорий;
6. Выполнить теоретические исследования, математическое моделирование и провести оптимизацию конструктивно-технологических параметров гидроциклонов для механической очистки вод малых поверхностных водотоков и водных акваторий от техногенных загрязнений;
7. Разработать технологические и компоновочные схемы систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков и малых водных акваторий от техногенных загрязнений;
8. Реализовать и использовать в производстве системы механической очистки вод малых поверхностных водотоков для целей орошения, охраны земель и водных акваторий.
Объектами исследования являются системы механической очистки вод малых поверхностных водотоков, в том числе с урбанизированных и вовлеченных в хозяйственную деятельность территорий.
Предметом исследования являются закономерности и тенденции формирования научных основ технологических процессов и технических средств при механической очистки вод малых поверхностных водотоков, в том числе, с урбанизированных и вовлеченных в хозяйственную деятельность территорий.
Методы исследований.
Теоретические исследования проводились с применением системного и функционального анализа, метода взвешенных оценок многоэлементного множества, автоматизированных систем управления, математической статистики, линейной алгебры.
Экспериментальные лабораторные и натурные исследования проводились с применением методов теории планирования эксперимента. Достоверность теоретических положений подтверждается результатами лабораторных и натурных исследований.
Результаты исследований обрабатывались на ПЭВМ с применением математической среды Mathcad, Excel, Statistica и с помощью специально разработанной программы на языке Visual Basic.
Работа выполнена в рамках темы: «Геосистемный мониторинг, охрана вод и водных объектов, мелиорация земель бассейнов рек и ресурсосберегающих технологий воспроизводства плодородия почв» (№ ГР 01200113456).
Научную новизну представляют:
- концептуальные положения системного подхода к анализу способов механи ческой очистки вод малых поверхностных водотоков с целью уменьшения антропогенной нагрузки, для орошения, охраны земель и водных акваторий;
- теоретические обоснования конструктивных и технологических параметров роторных нефтеловушек, расчета скорости точек обода барабана, напора на водосливе и высоты лопастей;
- математические модели расходных характеристик в сливное и песковое от верстия низконапорных наклонных гидроциклонов от следующих факторов: рабочего напора, диаметров сливного и пескового отверстий, разгрузочного отношения; отношения рабочих напоров и угла отклонения оси гидроциклона от вертикали;
- теоретическое обоснование направляющих и образующих наклонных низко напорных гидроциклонов для очистки вод малых поверхностных водотоков; - классификация способов регулирования работы гидроциклонов, позволяющая обоснованно осуществлять выбор, наиболее полно учитывающий условия работы;
- системный подход к анализу и синтезу энергосберегающих технологий очи стки вод малых поверхностных водотоков для орошения, охраны земель и водных акваторий;
- модульный принцип и разработанные на его базе технологии механической очистки вод малых поверхностных водотоков с целью уменьшения антропогенной нагрузки.
Новизна разработанных методов и технических решений подтверждена 31 патентом Российской Федерации на 42 изобретения.
На защиту выносятся:
- новые технологии, технические средства и технологические схемы по систе мам механической очистки вод малых поверхностных водотоков с целью уменьшения антропогенной нагрузки, для орошения, охраны земель и водных акваторий;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований по обоснова нию основных конструктивных и технологических параметров разработанных систем;
- математические модели расходных характеристик низконапорных наклонных гидроциклонов и сравнительный анализ модификаций;
- классификация способов регулирования работы гидроциклонов;
- способы управления работой гидроциклонов в ручном и автоматическом ре жимах, функциональные схемы их реализующие;
- компоновочные схемы систем гидроциклонной очистки воды на базе модуль ного принципа, для стационарных и управляемых в работе аппаратов. Достоверность результатов исследований подтверждена:
- большим объемом экспериментальных данных, полученных в лабораторных и натурных исследованиях различных конструктивных и технологических решений, однозначно отражающих изменение процессов;
- данными математического анализа, достоверностью полученных результатов и высокими значениями коэффициентов корреляционных отношений в полученных зависимостях и уравнениях;
- сходимостью экспериментальных положений с данными теоретических ис следований и адекватностью в математических моделях, апробированных в лабораторных и натурных условиях.
Практическую значимость представляют:
- технологии и технические средства систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков с целью уменьшения антропогенной нагрузки;
- технологические схемы многоступенчатой системы механической очистки вод малых поверхностных водотоков с целью уменьшения антропогенной нагрузки, для орошения, охраны земель и водных акваторий, дающие обоснование места и роли технических средств при реализации поставленной задачи;
- способы управления работой гидроциклонов в ручном и автоматическом ре жимах, функциональные схемы их реализующие, позволяющие адекватно реагировать на изменение факторов возмущения, с целью повышения эффективности работы системы; і
- компоновочные схемы систем гидроциклонной очистки воды на базе модуль ного принципа, для стационарных и управляемых в работе аппаратов, охватывающие реальные ситуации по расходным характеристикам вод, подлежащих очистки;
- методические рекомендации по расчету, проектированию и эксплуатации систем механической очистки вод малых поверхностных водотоков, с целью уменьшения антропогенной нагрузки, для орошения, охраны земель и водных акваторий.
Реализация результатов исследований. Новые технологии и технические средства были реализованы в производстве при очистке воды для закрытой оросительной системы в ООО «Колос - ЛЕ» с годовым экономическим эффектом в 177 тыс. руб.; для закрытой оросительной системы в 000 «Нива» с годовым экономическим эффектом в 296,970 тыс. руб.; для закрытой оросительной системы в ООО «ГЛОРРШ» с годовым экономическим эффектом в 320,576 тыс. руб. и на системах оборотного водоснабжения автомобильных моек в г. Аби иске и в п. Ахтырском, где последние показали хорошую работоспособность в течение 4 лет.
На нефтеперерабатывающем заводе ООО «Строй - инвест» в п. Иль-ском Краснодарского края была реализована система очистки вод поверхностного и производственного стоков по проекту, выполненному на базе разработанных технологических и конструктивных решений. Проект прошел санитарно-эпидемиологическую экспертизу Федеральной службы по надзору в сфере защиты прав потребителей и благополучия человека по Краснодарскому краю.
В городах Геленджик, Новороссийск и Сочи для коллекторов вод поверхностного стока были разработаны проекты на комплексную механическую очистку, проекты прошли экспертизу Черноморского территориального контрольно-инспекционного отдела Комитета природных ресурсов по Краснодарскому краю и рекомендованы к внедрению. Коллекторов воды, которые подлежат очистке в г. Геленджике - 23, в г. Новороссийске - 48 и более 100 в г. Сочи.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных конференциях «Использование отходов и местного сырья» (Новосибирск, 2001 г.); «Математика. Компьютер. Образование» (Москва-Дубна, 2002 г.; Москва-Ижевск, 2003 г.); «Математика. Образование. Экология» (Воронеж, 2003 г.; Москва, 2003 г.); региональных конференциях и отчетных ежегодных конференциях КубГАУ (Краснодар, 1997 - 2006 г.).
Работа по технологии очистки водных акваторий от нефтепродуктов экспонировалась на международном экономическом форуме «Кубань - 2003» в г. Сочи. Работа по технологии очистки и обеззараживанию сточных вод экспонировалась на международном экономическом форуме «Кубань - 2004» в г. Сочи. Разработка систем и технологий очистки водных акваторий от нефтепродуктов (действующая модель и медиа - проект) экспонировалась на ВВЦ РФ, за которую автор награжден бронзовой медалью V Московского международного салона инноваций и инвестиций (Москва, 2005 г.).
Основные результаты исследований изложены на 503 страницах диссертационной работы, в том числе 426 страниц основного текста, иллюстрированного 146 рисунками и содержащего 39 таблиц и 11 приложений. По теме диссертационной работы опубликованы 82 печатные работы, в том числе, две монографии, 9 статей в изданиях, рекомендуемых ВАК, и 31 патент Российской Федерации на 42 изобретения. Общий объем публикаций - 71,7 п. л.
Анализ загрязнения нефтью и нефтепродуктами земель и водных объектов
Для того чтобы более детально разобраться в негативном воздействии нефти и нефтепродуктов на окружающую среду, рассмотрим природу нефти, ее особенности и основные положения при переработке, особенно те, которые могут оказывать негативные воздействия [11]. В общем случае нефть состоит из различных углеводородов, ароматических углеводородов и их гибридов и соединений, содержащих гетероатомы -кислород, серу и азот. Пластовая нефть, находящаяся в залежах на значительной глубине, в различной степени насыщена газообразными углеводородами. В составе нефти имеются хемофоссилии - весьма своеобразные, часто сложно построенные молекулярные структуры явно биогенной природы, унаследованной (целиком или в виде фрагментов) от органических веществ. Нефть - результат литогенеза. Она представляет собой жидкую (в своей основе) гидрофобную фазу продуктов фоссилизации (захоронения) органического вещества (керогена) в водоосадочных отложениях.
Нефть растворима в органических растворителях, в воде при обычных условиях практически нерастворима, но может образовывать с ней стойкие эмульсии [12]. Перед переработкой нефть подвергают обессоливанию и одновременно обезвоживанию [13, 14, 15]. С этой целью на нефтеперерабатывающих заводах применяют электрообессоливающие установки. Нефть при тщательном перемешивании промывают небольшим количеством пресной воды с добавкой де-эмульгатора, образующуюся эмульсию подогревают до 100 - 140 С, а иногда и до 160 С и подают в непрерывно действующие электродегидраторы. Под воздействием электрического поля высокого напряжения (1,5-3 кв/см), деэмуль-гатора и нагревания эмульсия быстро разрушается, вода с растворенными в ней солями отстаивается и удаляется. После электрообессоливания содержание влаги в нефти снижается до 0,05 - 0,2 % и хлоридов до 0,05 - 5 мг/л. Многие легкие нефти после обезвоживания и обессоливания подвергают стабилизации -отгонке пропанобутановой, а иногда частично и пентановой фракции углеводородов. Нефть сильно варьирует по цвету (от светло-коричневой, почти бесцветной, до темно-бурой, почти черной) и по плотности - от весьма легкой (0,65 - 0,70 г/см ) до весьма тяжелой (0,98 - 1,05 г/см ). При попадании нефти или любого нефтепродукта на почвогрунт они располагаются следующим образом: тяжелые фракции проникают на незначительную глубину, то есть задерживаются верхними слоями грунта; более легкие фракции обладают большей проникающей способностью и проходят в нижележащие слои грунта.
При этом загрязнение окружающей среды происходит тяжелыми фракциями на ограниченном пространстве, а легкими фракциями на гораздо большем, в силу их активной способности к миграции. На загрязненных участках проникшая нефть и нефтепродукты обнаруживается на глубине в несколько метров. При этом по прошествии времени, концентрация нефтепродуктов в почве уменьшается, однако площадь загрязне ния увеличивается, в основном вследствие частичного смыва ее атмосферными осадками. На сильно загрязненных участках растительность погибает полностью и не воспроизводится в течение нескольких лет. Менее загрязненные участки, также подвержены негативному воздействию, что сказывается на чахлости всего растительного покрова. Наиболее негативные последствия наступают при достижении нефтью или нефтепродуктами уровня грунтовых или поверхностных вод. В этом случае процесс распространения загрязнения становится практически неуправляемым. Нефть и нефтепродукты движутся по направлению естественного уклона местности или поверхности грунтовых вод, захватывая все новые площади. Остановить данный процесс можно, лишь исключив дальнейшее поступление нефти в грунт, тогда может быть достигнута остаточная насыщенность (составляющая порядка 10—12 %) и нефть перестанет мигрировать и остановится. Тем не менее, под влиянием капиллярных сил тенденция расширения пятна загрязнения сохраняется. Проявление капиллярного эффекта хорошо прослеживается при значительной рыхлости почв и пористости грунтов. В горных породах нефть и нефтепродукты могут двигаться только по трещинам. Существенную роль в процессах распространения нефтяного загрязнения играет сорбционная способность почвогрунта. Она, в свою очередь, зависит от физико-химических свойств грунта и, прежде всего, от его капиллярности, которая определяется гранулометрическим составом грунта и его влажностью. Природная вода при этом играет значительную роль, ведь обладая меньшей вязкостью, она обладает большей проникающей способность и заполняет более мелкие капилляры, вот почему любые грунты сорбируют большее количество воды, чем нефти и нефтепродуктов. Исходя из этого, чем выше насыщенность грунтов водой, тем ниже их способность сорбировать нефтепродукты. Водонасыщенные грунты связывают только остаточное количество нефтепродуктов. При содержании нефтепродуктов, превышающем остаточное, избыток их вытесняется водой в слой с более низкой влажностью, что открывает еще один путь миграции нефти и нефтепродуктов. При попадании нефти и нефтепродуктов на поверхность земли наблюдается следующая картина изменения их количества: основная масса нефти и нефтепродуктов уносится атмосферными осадками и фильтруется в пределах до полугода; далее процесс замедляется, дальнейшее уменьшение концентрации нефтепродуктов в грунте происходит очень медленно.
При этом пропорционально уменьшению концентрации нефти и нефтепродуктов в очаге загрязнения или непосредственной близости от него, через определенный промежуток времени будет возрастать концентрация данного продукта на участке более удаленном от очага загрязнения. Опасность загрязнения нефтепродуктами заключается в том, что нефть и нефтепродукты очень подвижны, токсичны и не разлагаются в природе в течение длительного периода (до нескольких десятков лет). Остаточная нефть может подвергаться микробиологическому разложению, может минерализоваться или превратиться в нерастворимый продукт метаболизма, но для этого необходимо благоприятное сочетание многих природно-климатических факторов. До тех пор пока нефть не разложится, она будет оказывать негативное воздействие, вызывая существенные изменения в морфологических свойствах почвы, снижая ее биологическую продуктивность и фи-томассу растительного покрова. Нефть и нефтепродукты, попавшие на поверхность почвы, битуминизируют гумус, закупоривают капилляры почвы, нарушая ее аэрацию, и, как следствие, все окислительно-восстановительные реакции. В составе почвенного воздуха скапливаются легкие токсичные фракции нефти, вредные как для растений, так и для многих микроорганизмов. Битуминизиро-вание ухудшает или вообще сводит на нет водопроницаемость почвы. Атмосферные осадки не впитываются в почву, а стекают по уклону, вызывая эрозию почвы, которая к тому же остается без растительного покрова. При загрязнении почвы нефтью и нефтепродуктами происходит подще-лачивание почвенных растворов, увеличивается количество углеводородов. Наличие нефти и нефтепродуктов в почве нарушает процессы, связанные с круго
Нефтеловушки на принципе сил поверхностного натяжения нефти и нефтепродуктов для охраны водных объектов
На основе проведенных теоретических обоснований и анализа существующих технических решений была разработана группа устройств для сбора нефти и нефтепродуктов с поверхности воды. Данные устройства аккумулировали в себе лучшие свойства рассмотренных технических решений и вместе с тем лишены указанных ранее недостатков. Рассмотрим технические решения, работающие на принципе использования сил поверхностного натяжения. Устройство для сбора нефтепродуктов с поверхности воды, рисунок 2.5 [126], включает цилиндрический нефтепродуктосборный барабан 1 с приводом, обеспечивающим направление вращения барабана указанное на рисунке, и с эластичными лопастями 2, корпус 3, выполненный в виде рамы с заданной плавучестью и образующий с вышеуказанным барабаном 1 нефтепроводной канал 4, длина которого может изменяться за счет телескопической вставки 5, двигающейся по направляющим. Кювета 6, замкнутая по периметру, без дна, образованная плоскими стенками рамы.
В кювете 6 находятся датчик уровня раздела сред нефть-вода 7, всасывающий патрубок 8 насоса 9 и источник колебаний 10, например, ультразвуковой генератор. Вся система может быть навесной как на судне, так и над нефтесборной емкостью или плавающей посредством понтонов 11, обрамляющих корпус 3, причем во всех случаях системе задается погружение и центровка таким образом, чтобы барабан 1 был погружен в жидкость приблизительно на высоту эластичных лопастей 2, причем лопасти могут быть выполнены из различного материала и иметь различную форму. Устройство, которое мы называем роторной нефтеловушкой с эластичными лопастями, работает следующим образом: при вращении барабана 1 с лопастями 2 в направлении указанном стрелкой, нефтепродукты с поверхности воды дискретно захватываются лопастями 2 и продвигаются по нефтепровод-ному каналу 4 в кювету 6, образованную корпусом 3. Если толщина слоя нефтепродуктов на поверхности воды равна или больше высоты эластичной лопасти 2, то телескопическая вставка 5 задвинута в корпус по направляющим и устройство работает с максимальной производительностью, которая может регулироваться скоростью точек обода барабана, и не зависит от свойств нефтепродуктов. Если же толщина слоя нефтепродуктов незначительна, то выдвигается телескопическая вставка 5 на такую величину, чтобы глубина жидкости над порогом, образованным крайней кромкой выдвигаемой вставки, была бы соизмерима с толщиной разлитого нефтепродукта. В этом случае нефтепродукты переливаются через кромку водослива без воды или при ее минимуме в неф-тепроводной канал 4 и далее также дискретно лопастями подаются в кювету 6. Поступившие в кювету 6 вместе с водой нефтепродукты обезвоживаются посредством импульсного действия ультразвукового генератора 10, расположенного в кювете, и вытесняют воду из кюветы, и заполняют ее до нижнего уровня. Этот уровень отслеживается датчиком 7, тогда включается насос 9, и через всасывающий патрубок 8 происходит откачивание обезвоженного нефтепродукта до верхнего уровня, в это время в кювету вода поступает снизу, при этом в рабочем или в нерабочем состоянии устройства нефтепродукты, собранные в кювету, отсечены от водной акватории. По представленному патенту был изготовлен натурный образец, на котором осуществлены необходимые исследования по оптимизации его конструктивно-технологических параметров.
Нефтеловушка была апробирована в производственных условиях при сборе нефтепродуктов в отстойниках автомобильных моек и в отстойниках при нефтяных буровых скважинах. Она показала хорошую работоспособность [127]. Ниже на рисунке 2.6 представлена фотография нефтеловушки с электрическим приводом в работе. При сборе нефтепродуктов с небольших водных акваторий, например, в отстойниках на автомобильных мойках нет необходимости в устройстве отведения собранных нефтепродуктов посредством насосов, как в предыдущем техническом решении. Гораздо целесообразнее, более надежно в работе и реально удовлетворяющее ситуации в действительности будет устройство по сбору нефтепродуктов, которое один оператор мог бы устанавливать для работы, затем после сбора нефтепродуктов в кювету, удалять их из нее посредством сня тия всей нефтеловушки с рабочего места и удаления собранного в накопительную емкость. Такая нефтеловушка была разработана нами и представляет собой устройство, описанное в работе [128], что соответствует рисунку 2.7. цилиндрический нефтепродуктосборный барабан 1 с приводом, обеспечивающим вращение барабана указанное на чертеже, и с эластичными лопастями 2, корпус 3, выполненный в виде рамы с заданной плавучестью и образующий с барабаном 1 нефтепроводнои канал 4, длина которого может изменяться за счет телескопической вставки 5, двигающейся по своим направляющим. Кювета 6, замкнутая по периметру, образованная плоскими стенками рамы имеет дно с уклоном в сторону патрубка 7 с внутренней резьбой. В кювете 6 находится датчик 8, выполненный в виде герметичной емкости, установленной с возможностью перемещения по направляющим 9. Датчик 8 имеет на конусообразном дне патрубок 10 с наружной резьбой соосный патрубку 7, а в верхней части шток 11. Вся система может быть навесной как на судне, так и над нефтесборной емкостью или плавающей посредством понтонов 12, обрамляющих корпус 3, причем во всех случаях системе задается погружение и центровка таким образом, чтобы барабан 1 был погружен в жидкость равномерно, приблизительно на высоту эластичных лопастей 2, причем лопасти могут быть выполнены из различного материала и иметь различную форму.
Анализ способов регулирования работы гидроциклонов по принципам действия для разработки классификации
Гидроциклоны, гидроциклонные комплексы и системы в силу неоспоримых положительных качеств внедряются во все большие сферы производственных процессов. Организация использования гидроциклонов в любой из отраслей начиналась с экспериментов по оптимизации конструктивно технологических параметров, а в виду того, что технологические факторы везде разные говорить об оптимальности конструкции, примененной не в такой же, а в подобной данной технологии уже не приходится. Ставить же эксперимент и оптимизировать конструкцию каждый раз нецелесообразно, да и всегда есть вероятность опять таки изменения уже измененных параметров. Именно подобная ситуация, а также то, что зачастую по технологии требуется изменять выходные параметры у гидроциклонов во времени или же наоборот поддерживать их на определенном уровне, независимо от изменяющихся показателей входа, поставила задачу разработки и создания способов регулирования работы гидроциклонов, как в механическом, так и в автоматическом режимах, а также систем автоматического регулирования (САР).
Одной из первых конструкций гидроциклонов с регулировкой плотности шлама является конструкция фирмы «Дорра», представленная на рисунке 3.13 на а [109]. Работа системы регулирования размеров шламового отверстия основана на использовании величины разряжения в воздушном столбе аппарата. Изменение вакуума осуществляется посредством специального зонда. В английском патенте №837157 «Усовершенствованный гидроциклон» приводится простейшая схема поддержания постоянной концентрации твердого в шламе, этого добиваются путем того, что на шламовую насадку гидроциклона надевают V-образную резиновую трубку, вертикальное перемещение свободного конца которой позволяет изменять плотность шлама. По утверждению автора изобретения такое устройство позволяет поддерживать постоянную концентрацию сгущенного продукта при колебаниях концентрации твердого в питании. Например, при сгущении титанового шлама с колебаниями концентрации в питании от 0,1 -г 4 % удается обеспечивать постоянную и достаточно высокую концентрацию твердого в шламе (« 45 %). В другом английском патенте, рисунок 3.13 б, №893764 «Процесс и аппарат для центробежной классификации и разделения твердых частиц в жидкой среде» приведено описание устройства для регулирования параметров суспензии на выходе из гидроциклона. Регулирование осуществляется путем введения сжатого воздуха в воздушный столб. Внутрь гидроциклона 1 через центры сливного и шламового отверстия вводится специальная трубка 2 с отверстиями 3, к трубке подводится сжатый воздух, расход которого устанавливается в зависимости от условий разделения.
Устройство позволяет проводить регулирование работы аппаратов, а также стабилизировать процесс разделения за счет снижения пульсации давления в воздушном столбе. В германском патенте №915291 «Способ и устройство для сгущения суспензий и эмульсий», в соответствии с рисунком 3.13 в представлена схема устройства для отбора шлама гидроциклона с определенной концентрацией твердого. Техническое решение задачи состоит в следующем: при открытом шламовом патрубке гидроциклона 1 сгущенный продукт разгружается с образованием характерного зонта 2, угол, между нижними образующими которого зависит от концентрации твердого в шламе. Повышение содержания твердой фазы приводит к уменьшению указанного угла, снижение, наоборот - к увеличению. Использование этого явления осуществляется путем размещения под шламовым патрубком цилиндрических или конических приемных камер 3, 4. Более концентрированный продукт собирается в центральной камере 4, менее концентрированный - в периферийных камерах. Количество и размеры приемных камер зависят от требований, предъявляемых к сгущенному продукту. Известен способ автоматического управления гидроциклоном [158], структурно-функциональная схема, которого приведена на рисунке 3.14 а, где с целью повышения точности разделения твердых частиц по крупности за счет улучшения качества управления, расход песков изменяют в зависимости от отношения расходов пульпы на сливе и песках гидроциклона. В качестве регулирующего органа при реализации данного способа используют резиновую пес-ковую насадку в виде кольца (тора), управляемую с помощью исполнительного пневматического механизма. Известно устройство для автоматического регулирования работы гидроциклона [159], принципиальная схема которого представлена на рисунке 3.14 б. Устройство содержит делительный блок 1, датчики 2 и 3 расхода пульпы в гидроциклоне 4 и на его сливе, включенные на вход делительного блока 1, датчик 5 давления пульпы перед гидроциклоном 4 и связанный с ним блок масштабирования 6, к входам которого подсоединены выход делительного блока 1 и датчик 7 граничного размера частицы пульпы, задатчик 8, датчик 9 и регулятор 10 плотности пульпы в зумпфе 11, к входу которого подключен выход блока масштабирования 6, а выход регулятора 10 плотности связан с регулирующим органом 12 на линии подачи воды в зумпф 11, причем регулятор 13 уровня пульпы в зумпфе 11 связан с датчиком 14 уровня и регулирующим органом 15, установленным в байпасной линии насоса 16. Данное устройство автоматического регулирования работы гидроциклона, с целью повышения надежности работы, снабжено делительным блоком, датчиком расхода пульпы в гидроциклоне и на сливе гидроциклона, включен Также известен способ автоматического управления процессом разделения в гидроциклоне [160], устройство и схема с помощью которых он реализуется, представлены на рисунке 3.15. Блок схема системы автоматического регулирования работой гидроциклона включает зумпф 1 гидроциклона 3, насос 2, датчик 4 давления, датчики 5 и 6 удельного веса твердого, вычислительное устройство 7, блок размножения сигналов 8, вторичные приборы 9 и 10, регуляторы 11 и 12, задатчики 13 и 14, исполнительные механизмы 15 и 16, регулирующие песковую насадку 17, регулирующий орган 18.
По данному способу автоматического управления процессом разделения в гидроциклоне, с целью повышения качества управления при изменяющихся свойствах перерабатываемой руды, дополнительно измеряют удельный вес твердого в сливе и питании гидроциклона, и изменяют сечение песковои насадки гидроциклона с коррекцией величины давления перед гидроциклоном пропорционально относительно величины приращения удельного веса твердого в сливе и питании. Известно устройство для автоматического регулирования процессом разделения твердой фазы в буровом растворе [161], принципиальная схема которого приведена на рисунке 3.16. Устройство содержит емкость 1 с буровым раствором, выходящим из скважины, в которую помещают электроды 2, соединенные с источником постоянного тока 3, емкость 1 разделена на две секции перегородкой 4, которые сообщаются между собой посредством задвижки 5 с регулируемым проходным сечением. Вторая секция оборудована датчиком предельного уровня 6, соединенным посредством регулятора 7 и приводом 8 насоса-дозатора бурового раствора 9. Датчик контроля электропроводности раствора 10 установлен во второй секции емкости 1 на приеме насоса-дозатора 9, питающего очистное устройство 11, например, батарею гидроциклонов, и через регулятор производительности 12 соединен с задвижкой 5, приводом 8 насоса-дозатора 9 и регуля
Натурные исследования расходных характеристик низконапорных гидроциклонов механической очистки вод малых поверхностных водотоков
Нами на специальном натурном стенде проведены производственные исследования низконапорных гидроциклонов-осветлителей (НГО) двух диаметров 300 и 500 мм, двух модификаций НГО-1 и НГО-2, отличающиеся друг от друга типоразмерами таких элементов конструкций, как диаметры сливных, питающих и Песковых отверстий. Сокращение НГО расшифровывается как низконапорный гидроциклон-осветлитель. На рисунке 4.9 представлена схема гидроциклона-осветлителя с размерами основных элементов конструкции различных модификаций. На рисунке 4.10 представлена фотография натурной площадки производственных исследований в процессе испытания гидроциклона-осветлителя )=300 мм модификации НГО-2. На нижеследующих рисунках представлены конструктивные элементы гидроциклонов-осветлителей различной модификации. На рисунке 4.11 представлены цилиндрические части гидроциклонов-осветлителей: слева модификации НГО-1, справа модификации НГО-2. На рисунке 4.12 приведены сливные патрубки гидроциклонов с торцовыми стенками: справа модификации НГО-1, слева - НГО-2, на которых были осуществлены ниже представленные производственные исследования [187]. в производственных условиях.
В состав производственных исследований вошло изучение взаимосвязи и влияния основных конструктивных и технологических факторов таких как: диаметров гидроциклона-осветлителя; входного, сливного и пескового отверстий или их отношений; рабочего напора на входе и угла отклонения оси гидроциклона от вертикали на его производительность по сливу и пескам; изучение осветляющей способности низконапорных гидроциклонов при различной мутности и фракционном составе твердого во входящем потоке и влияния на этот процесс изменения выбранных к исследованию конструктивных и технологических факторов. Для целенаправленного и эффективного анализа механизма явления по выбранным факторам при производственных исследованиях нами намечено выявить взаимосвязь между факторами, определяющими ход процесса, и представить их в количественной форме - в виде математических моделей. Модели, как и при лабораторных исследованиях, будем представлять в виде алгебраических уравнений, полученных в результате статистической обработки экспериментальных данных. С целью получения математических моделей процессов, происходящих в низконапорных гидроциклонах в производственных условиях, нами был Установка и фиксация факторов нами осуществлялась при помощи следующей аппаратуры: рабочий напор на входе в гидроциклон - оттарированным манометром с точностью 0,5 кПа; угол отклонения оси гидроциклона от вертикали - геодезическим транспортиром с точностью до 1; диаметры сливного и пескового отверстий, а так же размеры питающего патрубка измерялись штангенциркулем с точностью до 0,1 мм. Измерение расхода воды по сливу производилось водосливом-водомером трапецеидальной формы, который устанавливался в емкости, снабженной ситовыми успокоителями. Расчет расхода произ Замер уровня воды перед водосливом производился посредством иглы шпицельмасштаба с точностью до ±0,5 мм, устанавливаемой в выносном пьезометре. В связи с тем, что наименьший из фиксированных в производственных условиях расходов по сливу равнялся 0,013 м /с, предельная относительная ошибка в измерении расхода воды по сливу не превышала 5 % [182]. Измерение расхода воды, проходящей через песковую насадку, производилось при исследовании расходных характеристик низконапорных гидроциклонов водосливным водомером треугольной формы с углом выреза 60, применяемым и при лабораторных исследованиях, то есть оттарированным объемным способом и обеспечивающим точность замера в пределах 3 %. Для взятия проб при исследовании осветляющей способности гидроциклонов использовались емкости 0,02 м для пескового отверстия и 0,001 м для слива. Для получения результатов опыта с надежностью 0,95 в соответствии с рекомендациями [185], нами в каждой точке плана проводилось по три повторных опыта. Для проверки адекватности полученных математических моделей вне плана для каждой из них бралась точка, в которой проводилось 4 повторных опыта. Отсев грубых ошибок из экспериментальных данных при повторных опытах осуществлялся при помощи критерия Стьюдента [186]. Порядок проведения производственных экспериментов приняли следующий: ось гидроциклона одной из исследуемых модификаций определенного диаметра устанавливали на один из углов отклонения от вертикали на 1,047 рад, 1,395 рад, или на 1,743 рад, при этом рабочий напор на входе в аппарат и разгрузочное отношение, определяемое для каждой модификации гидроциклона только диаметром пескового отверстия, фиксировались на значениях в соответствии с номером опыта, согласно плана.
Так при угле отклонения оси гидроциклона от вертикали на 1,395 рад в четвертом опыте отношение рабочих напоров устанавливали 0,25, а разгрузочное отношение - 0,15, в таком состоянии системы и происходило фиксирование расходных характеристик по сливу и пескам. После снятия расходных характеристик в опыте, приступали к исследованиям осветляющей способности данного гидроциклона, при этом исследование происходило как на естественной воде, так и на искусственной пульпе, создаваемой твердым различного фракционного состава и плотности. Пределы изменения факторов в процессе экспериментов будут более подробно рассмотрены в следующих параграфах, касающихся непосредственно анализа исследований, здесь же мы отметим, что величины этих изменений соответствуют наиболее характерным условиям возможной работы низконапорных гидроциклонов-осветлителей вод поверхностного стока в производственных условиях. Проведенные же таким методом исследования позволили выявить основные тенденции развития процессов в аппаратах, и обосновано назначить размеры элементов конструкций гидроциклонов и технологические параметры системы, обеспечивающие нормальные условия работы комплексов гидроциклонной очистки воды. Как уже отмечалось, для реализации поставленной цели нами был использован план Бокса - Бенкина типа В - В , который по своим свойствам близок к D - оптимальному плану и позволяет оценивать степень влияния каждого из выбранных к исследованию факторов и их сочетаний на функцию отклика и при этом получать минимальную обобщенную дисперсию оценок параметров математических моделей.
