Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние проблемы очистки судовых нефтесодержащих вод и экологическая безопасность СЭУ 14
1.1. Источники загрязнения судовых льяльных вод. 15
1.2. Особенности структуры и химического состава льяльных вод 18
1.3. Анализ методов и технических средств очистки судовых льяльных вод 37
1.3.1. Очистка нефтесодержащей воды флотацией 40
1.3.2. Очистка нефтесодержащей воды центрифугированием 43
1.3.3. Динамические методы очистки нефтесодержащих вод 54
1.3.3.1. Очистка нефтесодержащей воды фильтрованием 54
1.3.3.2. Метод разделения нефтеводяных смесей коалесценцией 65
1.4. Анализ технической эксплуатации нефтеводяного фильтрующего оборудования типа СКМ 81
2. Гидродинамические характеристики фильтрующих материалов 90
3. Исследования структуры зернистого фильтрующего слоя 97
3.1. Геометрия зернистого слоя и его обобщенные характеристики 97
3.2. Гидродинамика зернистого слоя, общие соотношения и критерии подобия 100
3.3. Течение жидкости в зернистом слое при воздействии сил инерции и вязкости 105
4. Выбор конструкции коалесцентного регенеративного фильтроэлемента-деэмульгатора 112
5. Экспериментальные исследования процесса очистки нефтеводяных смесей в слое зернистых полимерных материалов 117
5.1. Исследование режимных характеристик коалесцентного деэмульгатора на основе зернистой загрузки из анионита марки АВ 17-8 с осевым током очищаемой воды 117
5.1.1. Постановка задачи исследования 117
5.1.2. Методика проведения эксперимента 121
5.1.3. Планирование эксперимента и его реализация 122
5.1.4. Обработка и обсуждение результатов эксперимента 124
5.1.5. Использование экспериментальньк данных для создания промышленных конструкций регенеративных коалесцентных деэмульгаторов 128
5.2. Исследование режимных характеристик коалесцентного деэмульгатора на основе анионита марки с радиальным током очищаемой воды 130
5.2.1. Постановка задачи исследования и условия эксперимента 130
5.2.2. Обработка и обсуждение результатов эксперимента 134
5.2.3. Результаты для промышленного использования экспериментальных данных 138
5.3. Экспериментальное определение критической скорости течения нефтеводяной смеси в зернистых коалесцентных материалах 144
5.3.1. Постановка задачи исследования 144
5.3.2. Методика проведения эксперимента 152
5.3.3. Реализация эксперимента и обработка экспериментальных данных .156
5.3.4. Обсуждение результатов эксперимента 162
5.3.5. Результаты внедрения экспериментальных данных на промышленных установках 163
5.3.6. Выводы к разделу 5.3 165
5.4. Исследование смачиваемости мазутом зернистых полимерных материалов 167
5.4.1. Постановка задачи исследования 167
5.4.2. Методика проведения эксперимента 168
5.4.3. Результаты обработки экспериментальных данных 170
5.5. Исследование влияния толщины зернистого слоя на эффективность коалесцентного деэмульгатора 172
5.5.1. Постановка задачи и планирование эксперимента 172
5.5.2. Описание экспериментальной установки и методики проведения опытов 175
5.5.3. Обработка и обсуждение результатов эксперимента 183
6. Технология модернизации нефтеводяных сепарационных установок типа СКМ 186
6.1. Исследование эффективности разделения нефтеводяной смеси в элементах модернизированного механического фильтра 193
6.1.1. Постановка задачи исследования и методика проведения эксперимента 193
6.1.2. Анализ экспериментальных данных. 196
6.2. Типовые испытания установки СК-4М, модернизированной по технологии ДВГМА 198
6.2.1. Технические требования к испытаниям 201
6.2.2. Порядок проведения испытаний 202
6.2.3. Анализ результатов типовых испытаний и промышленного внедрения технологии модернизации установок типа СКМ. 206
7. Исследование процесса разделения нефтеводяной смеси в коалесцентной ступени нефтеводяного сепаратора с зернистой загрузкой из сополимера стирола с дивинилбензолом 212
7.1. Условия проведения эксперимента 217
7.2. Планирование эксперимента и его реализация 217
7.3. Бланк-алгоритм расчета и статистического анализа модели процесса очистки воды 220
7.4. Анализ результатов исследования 227
7.5. Исследование эффективности очистки нефтеводяной эмульсии при фильтрации в зернистом слое ДВБ 233
8. Выбор фильтрующего материала и оборудования для доочистки судовых нефтесодержащих вод . 239
8.1. Разработка фильтрующего оборудования для локального очистного комплекса на базе портового сборщика судовых льяльных вод 244
8.2. Расчет ресурса очистного оборудования 249
8.3. Результаты промышленных испытаний локального очистного комплекса 250
8.4. Результаты промышленного внедрения ДВБ для очистки питательной воды судовых паровых котлов 251
9. Исследование влияния магнитной обработки нефтеводяной эмульсии на процесс разделения её в коалесцентной ступени очистки сепаратора 255
Выводы 269
Литература 272
Приложения 289
- Особенности структуры и химического состава льяльных вод
- Гидродинамика зернистого слоя, общие соотношения и критерии подобия
- Исследование режимных характеристик коалесцентного деэмульгатора на основе анионита марки с радиальным током очищаемой воды
- Типовые испытания установки СК-4М, модернизированной по технологии ДВГМА
Введение к работе
Актуальность проблемы. Очистка нефтесодержащих вод (НСВ) на морском транспорте относится к числу наиболее актуальных задач, решение которой непосредственно связано с надежностью технической эксплуатации судового теплоэнергетического оборудования и охраной окружающей среды от загрязнений сточными нефтесодержащими водами, особенно в прибрежных районах при судоходстве и деятельности береговых предприятий.
Присутствие нефтепродуктов (НИ), например, в питательной воде главных судовых парогенераторов недопустимо, а для вспомогательных паровых котлов весьма ограничено (0,3-0,5 мг/л), т. к. приводит к образованию на теп-лопередающих поверхностях нагрева углеводородных отложений с высоким термическим сопротивлением, вызывающих перерасход органического топлива и снижение надежности котельных установок.
Хотя общее количество сбрасываемых с судов нефтесодержащих вод (сточных вод, имеющих в своем составе нефтеостатки) по абсолютному значению в сравнении с аварийными разливами танкеров невелико, их влияние на экологическое состояние морской среды весьма существенно, особенно при увеличении числа судов, их тоннажа и интенсивности судоходства в прибрежных районах плавания.
На всех морских судах в настоящее время имеются достаточно эффективные технические средства для очистки от НИ конденсатов отработавшего пара и фильтрующее оборудование (ФО) для предотвращения загрязнения моря (ПЗМ) сточными нефтесодержащими водами (СНВ), технологические схемы обработки воды которых нуждаются в совершенствовании.
Качество очистки питательной воды для судового теплоэнергетического оборудования регламентируется правилами его технической эксплуатации, а ФО по ПЗМ подвергается периодическим освидетельствованиям на предмет соответствия требованиям Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов (МАРПОЛ 73/78), оговоренных в Резолюции Международной морской организации (ИМО) МЕРС 60 (33).
На морском транспорте для очистки СНВ получили распространение нефтеводяные сепарационные установки отстойно-коалесцентного типа. Однако это простое и достаточно эффективное оборудование оказалось практически непригодным, когда на морских судах стали использовать тяжелые сорта жидкого топлива с относительной плотностью 0,95-0,98 г/см3. Нефте-водяная смесь, содержащая НП такой плотности в эмульгированном состоянии, не разделяется гравитацией даже при нагреве. Поэтому очистить воду от тяжелых НП можно только фильтрованием её через нефтеёмкий пористый материал. В этой связи Резолюцией ИМО МЕРС 60 (33) с 1998 г. рекомендовано на вновь строящихся морских судах использовать фильтрующее оборудование (ФО), т. е. фильтры или комбинации сепараторов и фильтров, обеспечивающие очистку воды от НП до 15 млн1.
Анализ технической эксплуатации нефтеводяных-сепарациоиньи^ уста
новок на различных морских судах льст-
I СПстербург .,, \
' ОЭ W&/ur/,f/ \
вует об их низкой эффективности в основном из-за недостатка сменно-запасных фильтрующих элементов (импортных и отечественных), ресурс которых обычно не превышает 100 часов. Качество очистки льяльной воды, как и ресурс очистных устройств, зависят в основном от размеров капель НП, их сорта и концентрации в очищаемой воде, а также от наличия в ней поверхностно-активных веществ (ПАВ), стабилизирующих нефтеводяиые эмульсии. Ресурс любого фильтрующего материала ограничен во времени из-за явления кольматации его пористой структуры асфальтенами и парафинами жидкого топлива, а также ограниченной нефтеёмкости. С другой стороны, если материал пригоден для очистки воды, содержащей легкое топливо, то он не пригоден для разделения смесей, содержащих тяжелые НП, и наоборот.
Поэтому разработка и внедрение новых конструкций регенеративных коалесцентных филыроэлементов, обладающих большим ресурсом, для существующих типов ФО является задачей весьма актуальной.
Анализ современных конструкций судовых технических средств очистки СНВ свидетельствует о том, что в большинстве своем выбор технологии очистки льяльных вод и приемов её реализации являются не всегда обоснованными, а, следовательно, и неэффективными.
Цель работы. Расширить представления о природе явления коалесцен-ции нефтепродуктов в очистном оборудовании отстойно-коалесцентного типа с зернистой загрузкой из полимерных материалов в широком диапазоне изменения физических и химических свойств очищаемой дисперсионной среды (пресной, морской воды и их смесей).
На основе совершенствования процесса разделения нефтеводяных смесей коалесценцией предложить новые конструктивные решения, повышающие эффективность и надежность работы судового оборудования для очистки нефтесодержащих вод в соответствии с новыми требованиями Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов (МАРПОЛ 73/78), оговоренных Резолюцией ИМО МЕРС 60(33). Для решения поставленной цели: выполнен анализ информации о составе и свойствах судовых нефтесодержащих вод, а также современных методов их очистки; экспериментально определены зависимости, описывающие влияние параметров обработки на эффективность и основные режимные характеристики новых коалесцентных деэмульгаторов;
обоснован и произведен выбор зернистых коалесцентных материалов, обладающих оптимальными гидродинамическими характеристиками, механической прочностью и стойкостью к действию воды и агрессивных сред для новых конструкций регенеративных филыроэлементов-деэмульгаторов;
исследованы режимные характеристики новых конструкций филыро-элементов-деэмульгаторов, а также выполнены их полномасштабные натурные и промышленные испытания под надзором Тихоокеанской инспекции Регистра в составе судового очистного оборудования;
исследована эффективность доочистки СНВ в напорных фильтрах с природным сорбентом (цеолитизированным туфом Чугуевского месторождения Приморского края);
разработана и внедрена более чем на 120 морских судах Тихоокеанского бассейна технология очистки СНВ до значений предельно допустимых сбросов (ПДС), в том числе и для прибрежных морских акваторий хозяйственно-бытового назначения и береговых" судоремонтных предприятий:
Научная новизна работы. На основе метода физического моделирования процессов разделения нефтеводяных смесей в аппаратах с зернистой загрузкой из коалесцентных материалов, синтезированных из нефти, экспериментально исследованы процессы очистки нефтеводяных смесей в диапазоне 1,0-25%-го нефтесодержания. Установлены аналитические зависимости, описывающие процесс очистки воды в коалесцентной ступени нефтеводяного сепаратора в зависимости от её нефтесодержания, скорости фильтрации, толщины зернистого слоя полимерных материалов.
Результаты экспериментальных исследований смачиваемости мазутом полимерных материалов позволили установить их пригодность для разделения грубодисперсных нефтеводяных смесей. Эффективность разделения нефтеводяных смесей зависит в основном от структуры и размеров гранул зернистой загрузки коалесцентного аппарата.
Установлено, что в поровом пространстве между гранулами загрузки коалесцентного аппарата протекают процессы межкапельной и контактной коалесценции, кинетика которых определяется временем утончения и разрыва пленки дисперсионной среды, заключенной между каплями НП и поверхностью гранул. Эффективность разделения нефтеводяной смеси коалесценци-ей зависит от вязкости НП и толщины слоя зернистой загрузки, его структуры и гидродинамики потока, а также от неразрывности дренажа пленки НП с поверхности гранул загрузки и удерживающего устройства.
Обработка потока нефтеводяной смеси в постоянном магнитном поле повышает эффективность разделения её в коалесцентной ступени очистки нефтеводяного сепаратора.
Практическая ценность работы заключается в том, что впервые решена проблема создания регенеративных коалесцентных деэмульгаторов на основе зернистой загрузки из синтетических материалов, обладающих стойкостью к воде и различным детергентам, с большим ресурсом и высокой очистной способностью.
Разработаны конструкции регенеративных коалесцентных филыроэле-ментов-деэмульгаторов с радиальным и осевым током - очищаемой воды, а также технология модернизации сепарационных установок типа СКМ с целью повышения их очистной способности до 15 млн1. Внедрение этой технологии более чем на 120 морских судах различного назначения Тихоокеанского бассейна России позволило отечественным судовладельцам обеспечить своевременное выполнение новых требований МАРПОЛа.
Результаты исследований использованы при создании промышленных очистных комплексов на базе танкеров водоизмещением 20000 per. т и судовых нефтеводяных сепараторов типа ККС-50 (производительностью 50 м3/ч, японской фирмы «Taiho Industries Co., LTD») ДВМП, а также для неф-тетранспортных и судоремонтных предприятий.
Впервые установлено, что лучшими зернистыми материалами для разделения нефтеводяных эмульгированных смесей являются анионит марки АВ 17-8 и сополимер стирола с 7,8 %-м содержанием дивинилбензола (ДВБ).
Автором разработана и прошла промышленные испытания портовая плавучая установка (ООО «Транс Эко») очистной способностью до 3,0 млн*1 на базе модернизированного ФО типа СК-4М для локальной очистки СНВ в бухте Золотой Рог во Владивостоке.
Достоверность научных выводов и рекомендаций обеспечивается использованием классических положений теории процесса коалесценции, подтвержденных положительным и длительным опытом эксплуатации внедренных промышленных установок.
Апробация работы. Результаты работы докладывались на международных, всесоюзных, российских и региональных научных конференциях: «Проблемы охраны окружающей среды и рекуперации вторичных ресурсов на предприятиях Минсудпрома и при эксплуатации судов» (Николаев, 1982 г.); «Проблемы автоматизации, эксплуатации и проектирования специальных систем танкеров» (Владивосток, 1987 г.); «Рабочие процессы в теплоэнергетических установках» (Владивосток, 1993); «Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов» (Владивосток, 1994 г.); «Экология и безопасность жизнедеятельности (энергетика и технология)» (Владивосток, 1994 г.); «Нетрадиционная энергетика и технология» (Владивосток, 1995 г.); «Наука — морскому флоту на рубеже XXI века» (Владивосток, 1998 г.); международные экологические конгрессы «Новое в экологии и безопасности жизнедеятельности» (Санкт-Петербург, 1998 и 2000 гг.); «Экология, безопасность, охрана труда и устойчивое развитие Дальневосточных территорий» (Владивосток, 1998, 1999, 2003 гг.); Первый международный инвестиционный конгресс «Новейшие технологии в системе интеграционных процессов территорий стран Азиатско-Тихоокеанского региона» (Владивосток, 2000 г.); международные научно-практические конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 2001 и 2003 гг.); «Вопросы теории и практики магнитной обработки воды и водных систем» (Москва, 1969, 1971 и 1981 гг.; Новочеркасск, 1975 г.) и др.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту.
Модель физического процесса разделения нефтеводяной смеси в коалесцентной ступени очистки нефтеводяного сепаратора на основе зернистой загрузки из полимерных гранул круглой формы.
Зависимости изменения качества очистки нефтеводяных смесей в коалесцентных ступенях сепараторов от исходного нефтесодержа-ния, скорости фильтрации и толщины слоя зернистой загрузки из полимерных материалов.
Наиболее эффективный материал (ДВБ), впервые предложенный для разделения нефтеводяных смесей в судовых системах очистки технологических и сточных нефтесодержащих вод.
Конструкции регенеративных коалесцентных фильтроэлементов-деэмульгаторов с осевым и радиальным током очищаемой воды на основе зернистой загрузки из полимерных материалов.
Разработанная автором технология модернизации судовых нефтеводяных сепарационных установок типа СКМ, внедрение которой на морских судах Тихоокеанского бассейна России внесло значительный вклад в развитие технических средств очистки судовых технологических и сточных нефтесодержащих вод.
Результаты применения природного цеолитизированного туфа Чугуевского месторождения Приморского края в качестве сорбента для глубокой доочистки сточных нефтесодержащих вод.
7. Метод предварительной обработки нефтеводяных смесей в посто
янном магнитном поле с целью повышения эффективности процесса
разделения их коалесценцией.
Личный вклад автора. В диссертации изложены результаты многолетних исследований, выполненных непосредственно самим автором:
направление работы и методика решения проблемы, постановка за
дач и программы исследований;
организация, планирование и проведение экспериментальных исследований на лабораторных и промышленных установках;
обработка, анализ и обобщение данных экспериментальных исследований, формулировка основных закономерностей физического моделирования процесса очистки нефтесодержащих вод;
участие в проектировании, изготовлении, монтаже и натурных ис
пытаниях ФО, организация его крупномасштабных промышленных испыта
ний под надзором инспекции Российского Морского Регистра судоходства.
Автор выражает глубокую признательность коллективу кафедры судового вспомогательного энергетического оборудования и систем Морского государственного университета имени адмирала Г. И. Невельского, оказавших содействие и принявших участие в проведении экспериментов и натурных испытаниях модернизированных промышленных установок.
Публикации. Список публикаций по материалам диссертации включает 70 работ, в том числе основных - 30 наименований, из них 2 патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, девяти глав, выводов, списка литературы и приложения. Основное содержание работы изложено на 288 страницах машинописного текста и включает 88 рисунков, 25 таблиц. Список литературы состоит из 184 наименований. Приложение содержит акты типовых испытаний оборудования, модернизированного по технологии, разработанной автором, и результаты внедрения работ на промышленных объектах Дальнего Востока.
Особенности структуры и химического состава льяльных вод
Если нефтепродукт находится в воде в виде шарообразной частицы (рис. 1.1), имеющей объем Ун и плотность Рн, то на частицу при естественных условиях действует сила тяжести Рм, равная массе частицы Рн Уи, и подъемная сила Р„, равная (согласно закону Архимеда) массе вытесненной воды Рв Ун, имеющей плотность Рв., действующих на частицу нефти в объеме воды Если плотность нефтепродукта Рн меньше плотности воды Рв и размеры частицы достаточно велики, то под действием разности сил п м частица всплывает.
Если Рн = Рв, то -vп = м и частица будет находиться в объеме воды во взвешенном состоянии, перемещаясь под действием и в направлении конвективных токов и броуновского движения.
Если Р„/Рв и частица нефтепродукта имеет достаточно большой размер, то п}Рм и поэтому в объеме воды она будет осаждаться.
Всплытию в воде частицы нефтепродукта шарообразной формы поперечным сечением SH со скоростью w„ препятствует сила сопротивления внутреннего трения водной системы R , направленная в сторону, противоположную направлению её движения. По закону Ньютона для случая, когда
Рн \Рв, всплытию частицы нефтепродукта препятствует сопротивление воды, которое можно определить по формуле где - безразмерный коэффициент сопротивления частицы; & - ускорение силы тяжести. Попадая в объем воды, частица капельного нефтепродукта, если она легче воды, в начальный период времени движется вверх ускоренно, поскольку ( Р„ - Рм ))R . Однако при постоянных Рп и Рм очень скоро наступает момент достижения равенства движущей силы и сопротивления \ Рп Р м ) R ) поэтому скорость всплытия w„ становится постоянной и частица начинает всплывать равномерно.
Подставив развернутые значения сил в уравнение установившегося движения частицы, получим отсюда скорость всплытия для шарообразной частицы нефтепродукта где "н - диаметр частицы нефтепродукта. Установлено, что режим движения дискретной частицы в воде характеризуется численным значением критерия Рейнольдса в виде) где Мв коэффициент динамической вязкости воды.
Каждому режиму всплытия капли соответствуют свои значения Re и коэффициента сопротивления \. Ламинарный режим имеет место при Re 0,2; турбулентный при Re 500 и переходный при 0,2 Re 500 [4].
Для шарообразных частиц критические значения коэффициента сопротивления , составляют: в турбулентном режиме - 0,44; в ламинарном - 24/ Re и переходном - 18,5/ Re б [4]. В эмульсии НСВ сохраняется в устойчивом состоянии около 50% капель НП диаметром от 10 до 30 мкм, остальное - это капли от 30 до 200+-250 мкм. В НСВ содержатся также и растворенные НП, количество которых колеблется в пределах 5-40 млн"1, причем нижний предел соответствует морской НСВ, а верхний - пресной [7].
Отличительной особенностью льяльной воды морского судна является присутствие в ней кроме НП некоторого количества эмульгаторов, создающих условия для образования стойких нефтеводяных эмульсий. Поэтому, если не происходит энергичного перемешивания (например, из-за качки судна в шторм), накопление нефтеводяной смеси в льялах МО обеспечивает расслоение её на три слоя: верхний, средний и нижний.
Верхний слой, в котором содержится основная масса обводнённых НП, представляет собой «обратную» эмульсию, где вода диспергирована в нефти и при качке корпуса судна обводнённость НП может достигать 80 %.
Средний слой составляет так называемая стабилизированная часть НП концентрацией от 500 до 3000 млн"1, представляющая собой «прямую» эмульсию типа «масло в воде», а также растворенные в воде НП.
Нижний слой состоит практически из чистой воды со следами НП, растворенных в ней. Присутствие в льяльной воде ПАВ замедляет естественный процесс разделения НП и воды из-за уменьшения межфазного поверхностного натя жения в результате адсорбции ПАВ на; границе раздела фаз «нефть - вода». Это также способствует эмульгированию нефтепродуктов в насосных агрегатах при перекачивании нефтеводяной смеси из льяльных колодцев МО в сборные цистерны и из них далее в очистное оборудование.
Можно выделить три основные характеристики НСВ, которые могут быть использованы при рассмотрении технологии процесса очистки НСВ, а также при разработке и выборе очистного оборудования: дисперсность НП, их концентрация и стойкость эмульсии.
Дисперсность НП. Нефтесодержащие смеси, подлежащие очистке на судне, представляют собой системы, в которых раздробленные на мелкие шарообразные частицы НП находятся в воде во взвешенном состоянии. Основным фактором, характеризующим свойства эмульсий, является их дисперсность. Нефтесодержащие воды, являющиеся прямыми эмульсиями, полидисперсные и содержат частицы различных размеров. При этом НП, как указывалось ранее, могут находиться в сточной воде в эмульгированном, коллоидном или растворенном состоянии.
Если НП в воде находятся в эмульгированном состоянии, т. е. их частицы имеют размер 10-К20 мкм, они плохо отстаиваются даже при нагревании смеси. Степень дисперсности нефтепродукта в воде, поступающей на очистку в ФО, различна и зависит от многих факторов, основными из которых являются: тип, техническое состояние и режим работы насосного агрегата, а также вязкость НП и концентрация в НСВ каких-либо детергентов и ПАВ.
Стабилизаторами эмульсии в НСВ могут быть и механические примеси. В этом случае капельки НП обволакиваются механическими примесями, что препятствует их коалесценции и всплытию. Содержащиеся в морской воде ионы различных металлов и солей также могут способствовать образованию эмульсии.
Удалять из воды эмульгированные НП гораздо сложнее, чем грубодис-персные, поэтому по возможности при очистке НСВ следует исключать фак торы, способствующие образованию нефтеводяных эмульсий. С этой целью рекомендуется способ вакуумного приема НСВ в ФО для очистки или самотеком. Если вакуумный прием или слив НСВ самотеком невозможен, следует применять тихоходные насосы объемного типа, такие как винтовые или поршневые..
Гидродинамика зернистого слоя, общие соотношения и критерии подобия
Движение жидкости через зернистый слой из коалесцентного материала в каждой точке между зернами внутри слоя должно подчиняться основным законам гидродинамики - уравнениям Навье - Стокса. Для стационарного течения ньютоновских жидкостей можно написать [107,108] где U - вектор скорости в данной точке потока, м/с; V- оператор Набла; Р - плотность жидкости, кг/м3; Р - ее динамическая вязкость, Па-с; р давление в данной точке, Па; g - ускорение свободного падения (9,81 м/с ). Это уравнение выражает равенство сил инерции (левая часть) сумме всех действующих сил - перепада давлений, силы внутреннего трения и веса жидкости (правая часть). Поскольку скорости течения в аппаратах всегда ма лы по сравнению со скоростью звука, то поток жидкости и даже газа можно считать практически несжимаемым. Тогда уравнение неразрывности примет вид div й = 0 . (3.2.2) К этим уравнениям следует добавить граничные условия отсутствия скольжения, т. е. йА = 0 (3.2.3) по всей поверхности А зернистого слоя. Сложная геометрическая структура фильтрующего слоя (рис. 3.2) не позволяет точно определить положение точек, в которых выполняется граничное условие. Это обстоятельство, а также нелинейность уравнения типа (3.2.1) не позволяют получить точные решения для скоростей и перепада давлений в коалесцентном фильтрующем слое. ментальному материалу с использованием при его обработке методов теории подобия. Влияние гравитационных сил, направленных вниз по оси Z, может быть учтено введением гидростатического напора, т. е. преобразованием давления р Рассматривая фильтрующий слой зернистой загрузки деэмульгирую-щего аппарата как однородную в среднем среду, мы можем усреднить все входящие в уравнение (3.2.5) слагаемые по сечению аппарата и получить выражение для перепада давления вдоль потока через аппарат Здесь первое из слагаемых в правой части характеризует силы инерции, а второе - силы вязкости. Характер течения и зависимость потери напора от скорости потока определяются соотношением этих двух слагаемых. Для оценки этого соотношения введем линейный размер L , определяющий течение в системе. Величина L характеризует те расстояния, на которых локальная скорость течения и уменьшается от максимального значения в ядре потока до нуля на границах потока, образуемых наружной поверхностью элементов слоя. Тогда градиенты скорости (первые производ и и_ ные) будут порядка 7", а оператор Лапласами (вторые производные) -г2 . Оценивая, таким образом, отношение сил инерции к силам вязкости, получим величину критерия Рейнольдса При малых значениях Re преобладает вязкостный режим течения, а при больших - инерционный [168]. Поскольку соотношение (3.2.7) носит оценочный характер, в критерий Рейнольдса, определяющий режим, должны входить не локальные значения U и L , меняющиеся от точки к точке, а некоторая средняя скорость и характерный средний размер системы. Выбор этих величин для потока сквозь фильтрующий слой может быть сделан различными способами. В соответствии с этим и определение критериев Рейнольдса у различных исследователей несколько отлично. В гидро- и аэродинамике обычно рассматриваются два предельных случая. При обтекании твердого тела поток является внешним по отношению к граничным поверхностям. С другой стороны, при течении по трубам и каналам поток течет внутри ограничивающих его поверхностей. С этой точки зрения исследование течения сквозь зернистый или волокнистый слой является смешанной задачей. Поток жидкости и обтекает зерна или волокна, и протекает в порах между ними. Выбор характеристического размера течения в зернистом слое, поэтому может быть произведен различно в зависимости от того, как подходить к рассматриваемой задаче. 1. Можно в качестве характеристического размера L выбрать диаметр зерна d, м. Эта величина является определяющим линейным размером исходных элементов слоя. Полностью структура слоя диаметром его элементов охарактеризована быть не может даже в случае совокупности одинаковых шаров. Однако величина d удобна для использования, если неподвижный слой является предельным случаем движущегося, взвешенного или падающего, в котором непосредственная связь между отдельными зернами утрачивается. Для слоя из элементов, по форме отличных от шара, величина d может быть определена как диаметр шара равной поверхности. Для полидисперсных систем средний диаметр зерен можно определить различным образом, усредняя различные степени диаметра і где Я.І - (весовая или объемная) доля частиц каждого размера. Отсюда при к = 1 определяется средневесовой диаметр, а при к = -1 соответственно - среднеповерхностный диаметр. 2. Рассматривая течение в слое как внутреннее, можно ввести эквивалентный диаметр порового канала "э, м. Жидкость течет через слой по проходам сложного сечения, определяемым поверхностью элементов в единице
Исследование режимных характеристик коалесцентного деэмульгатора на основе анионита марки с радиальным током очищаемой воды
В ходе работ по совершенствованию судовых нефтеводяных сепараци-онных установок возникла потребность в создании регенеративного коалесцентного фильтроэлемента-деэмульгатора для сепаратора марки ККС-50 фирмы «TAIHO» (Япония), производительностью 50 м3/час. Общий вид сепаратора представлен на рис. 5.7. Замена штатных коалесцентных фильтро-элементов 6, имевших небольшой ресурс (100 ч), была весьма трудоемка и требовала значительных инвалютных затрат (стоимость комплекта - $ 18000).
На основе имевшихся данных, описанных в предыдущем разделе, была разработана конструкция регенеративного фильтроэлемента-деэмульгатора для сепаратора типа ККС-50. Ввиду его большой производительности и габаритов определение режимных характеристик осуществлялось на модели (рис. 5.8), имевшей поперечное сечение идентичное натурному образцу, заполненной анионитом марки АВ 17-8 по ГОСТ 20301-74, имевшим частицы круглой формы диаметром 0,4-4,2 мм.
Использование в сепараторе штатного горизонтального коалесцентного фильтроэлемента на основе тканого материала с радиальным током очищаемой воды и конструкция сепаратора ККС-50 (рис. 5.7) в целом определили условия эксперимента.
Скорость фильтрации, рассчитанная по выходной поверхности модели фильтра V, была принята равной 0,8-К,5 мм/с. Нефтесодержание очищаемой сточной воды на входе в регенеративную модель фильтроэлемента С/ было принято в соответствии с условиями эксплуатации ФО в составе Как было сказано выше, ввиду большой производительности сепаратора и габаритов фильтроэлемента-деэмульгатора определение его режимных характеристик производились на модели, представляющей собой часть фильтроэлемента-деэмульгатора в натуральную величину (рис. 5.7) длиной LM= 0,15 м, при общей длине натурного фильтроэлемента LH = 1,45 м.
Длина модели LM выбиралась из условия Тм = Тн, равенства времени задержки потока жидкости Тн в камере сепаратора и в боксе экспериментальной установки Тм.
Для пересчета результатов экспериментальных данных, полученных при испытании модели, на натурный образец регенеративного фильтроэлемента-деэмульгатора были введены масштабные коэффициенты: для одного фильтроэлемента К\ = —— = 9,67; для всего сепаратора, состоящего из шести фильтроэлементов, ;,
Поперечное сечение выбранной модели деэмульгатора идентично штатному коалесцентному фильтроэлементу. Модель коалесцентного деэмульгатора (рис. 5.8) представляет собой цилиндрической каркас 1, снаружи обёрнутый тремя слоями пористой стеклоткани 2 для удержания зернистой загрузки. С одного торца корпус модели ограничен глухой стенкой с заглушкой для засыпки анионита (не показана), а с противоположной стороны в стенке установлена раздающая труба, обёрнутая стеклотканью. По входному патрубку 5 нефтеводяная смесь поступает в раздающую трубу 4 и проходит полость модельного отсека в радиальном направлении сквозь слой анионита 3, на гранулах которого капли НП налипают и коалесцируют, образуя пленку. Испытания модели деэмульгатора производились на экспериментальной установке (рис. 5.1). Модель своим входным патрубком закреплялась горизонтально на штуцере в крышке люка 6 на высоте 1 м от днища (рис. 5.2), через который подавались НП, чистая или нефтесодержащая вода.
В начале бокс заполнялся чистой водой. Затем загрузка модели заполнялась чистым мазутом марки Ф5 (до полного насыщения) и промывалась чистой водой с повышенным расходом, Такое кондиционирование зернистой загрузки модели повторялось перед каждым опытом.
После кондиционирования модели устанавливалась расчетная подача исходной НСВ (с известной концентрацией НП) и обеспечивалась постоянная скорость ее движения через зернистую загрузку модели, в соответствии с планом эксперимента. Включался отсчет времени выхода установки на установившийся режим.
После выхода установки на установившийся режим, что срответствова ло пропусканию через нее 0,5 м исходной НСВ, производился отбор контрольных проб воды (на входе в модель фильтроэлемента-деэмульгатора и на выходе очищенной воды из бокса) для определения ее нефтесодержания на ИК-спектрофотометре. Качество очистки НСВ в течение всего эксперимента автоматически регистрировалось с точностью до 1 млн 1 при помощи самописца концентра-томера нефтесодержания типа BWAM S-646. Для исследуемого процесса предварительно, как в и разделе 5.1.3 была принята квадратичная модель (уравнение 5.1).
Исследуемая модель процесса очистки нефтесодержащих вод в коалес-центной ступени очистки, как и в разделе 5.1.3, имеет две независимые переменные (скорость фильтрации очищаемой смеси V через модельный отсек в боксе и ее исходное нефтесодержание Q) и одну зависимую переменную (нефтесодержание очищенной воды на выходе из экспериментального бокса установки С2).Для принятой модели процесса очистки НСВ применен дополненный план эксперимента в виде шестиугольника с размещением опытов в вершинах и центре (рис.5.3.) [78]. Обработка результатов проводились на ЭВМ с использованием программы "ETALON", описанной в приложении 1. Окончательные результаты выполненных экспериментов приведены в табл. 5.2.1. В результате обработки получен ряд моделей, адекватно описывающих процесс разделения нефтеводяных смесей в коалесцентной ступени экспериментальной установки на основе зернистого анионита АВ 17-8 с радиальным током очищаемой среды:
Типовые испытания установки СК-4М, модернизированной по технологии ДВГМА
Принципиальная схема модернизированной сепарационной установки типа СКМ представлена на рис. 6.3, где электровинтовым насосом 3 через клапанную коробку 4 очищаемая вода подается в гидроциклон предвключен-ного механического фильтра 2, а отделившийся от воды капельный нефтепродукт сливается из нефтесборника 10 при открытии клапана 5. Затем, вода из гидроциклона фильтруется через сетку 9 и слой плавающей зернистой загрузки из полипропилена 8, размещенного между штатными фильтрующими сборками 6 и 7. Очищенная таким образом вода, имеющая частицы Ш1 диаметром не более 20 мкм, поступает после фильтра 2 в первую ступень очистки сепаратора 1, где предварительно подогревается в подогревателе 12. Этот подогрев интенсифицирует процесс разделения капельного НП в полости первой ступени очистки 13, способствует его отделению от воды в нефтес-борнике этой ступени, но увеличивает его растворимость в воде.
Мелкие капли НП, не всплывшие в нефтесборник полости 13, потоком воды увлекаются в регенеративные фильтроэлементы-деэмульгаторы, где коалесцируют на поверхности частиц зернистой загрузки и в виде пленки формируются на внутренней поверхности удерживающего устройства перфорированной обечайки. Здесь, по мере накопления НП, толщина пленки увеличивается, и она перемещается вверх, заполняя всю полость внутренней обечайки деэмульгатора. Со временем во внутренней перфорированной обечайке устанавливается равновесный уровень отсепарированного НП, который периодически вытекает по горизонтальным трубам, на которых установлены фильтроэлементы-деэмульгаторы, во вторую полость гравитационного отстоя 14. Количество НП на выходе из фильтроэлементов соответствует его содержанию на входе в них. Только на выходе из собирающих горизонтальных труб капли НП после обработки в деэмульгаторах крупнее и имеют возможность всплыть перед полуперегородкой и отделиться от воды в полости второй ступени очистки 14. Так НП накапливается в нефтесборнике, а очищенная вода из сепаратора вытесняется избыточным давлением из нижней полости второго каскада очистки по вертикальной трубе 15, преодолевая сопротивление пружины невозвратного отливного клапана.
Эффективность работы сепарационной установки зависит от герметичности сливной арматуры (клапанов А, Б, С и Д), т. к. осушение сепаратора и корпуса механического фильтра в период останова насосного агрегата приводит к снижению уровня воды в них. Поэтому отсепарированные нефтепродукты в нефтесборниках с понижением уровня воды равномерно покрывают все внутренние поверхности ФО, загрязняя их. Это приводит к кольматации поролона в механическом фильтре и зернистой загрузки фильтроэлементов-деэмульгаторов асфальтенами и парафинами. Все внутренние полости оборудования при этом покрываются пленкой НП, что приводит к увеличению площади контакта его с водой и к повышению растворимости НП в воде при повторном заполнении ФО. При очередном запуске насосного агрегата установки из пустого сепаратора сразу выходит неочищенная вода.
Разработанная технология модернизации сепарационных установок типа СКМ была реализована на установке типа СК-4м танкера «Степан Вос-трецов» (ОАО ПМП). Типовые испытания её проводились по программе ИМО А.393(Х) в присутствии Приморской инспекции Регистра. Программа испытаний представлена на графиках (рис. 6.4).
На участке трубопровода между насосным агрегатом 3 и клапанной коробкой 4 (рис. 6.3) устанавливались две цилиндрические емкости для подачи нефтепродуктов во всасывающую полость насосного агрегата (одна емкость для подачи 100 % и 25 % топлива, а другая, меньшего диаметра, для подачи НП в количестве не более 1 %).
Испытания проводились непрерывно при полной проектной производительности ФО с применением двух сортов жидкого топлива: жидкого остаточного топлива (топливо «А») с относительной плотностью не менее 0,94 г/см3 при 15 С и вязкостью не менее 17 сантистоксов при 100 С (220 сантистоксов при 37,8 С), а также лёгкого дистиллятного топлива (топлива «В»), имеющего относительную плотность не менее 0,83 г/см3 при 15 С;
Для испытаний ФО применялась чистая морская вода на рейде бухты Америка (залива Петра Великого) с относительной плотностью не более 1,015 г/см3 при 15 С.
Для достижения изокинетического отбора проб пробоотборные устройства были, типовыми. Перед отбором каждой пробы обеспечивался свободный слив жидкости из кранов в течение не менее одной минуты. Контрольные точки отбора проб воды были расположены на вертикальных участках трубопроводов входа и выхода её из оборудования (на расстоянии от поворота не менее восьми диаметров трубы) и при движении воды в направлении «снизу-вверх». Подача испытательной воды и нефтеводяной смеси в систему производилось при температуре машинного отделения судна, не выше 40 С. Перед испытаниями фильтрующее оборудование заполнялось чистой забортной водой. Затем включался в работу насосный агрегат подачи нефтеводяной смеси. Типовые испытания проводились непрерывно (рис. 6.4).
Вначале (рис. 6.4А) для гарантии того, что подводящая система трубопроводов и нефтесборник ФО будут должным образом запачканы нефтепродуктом, в оборудование подавали чистое топливо «А» в течение не менее пяти минут (после заполнения ФО чистой водой).
После этого в оборудование подавалась нефтеводяная смесь с содержа / нием топлива «А» от 5000 до 10000 млн". Поэтому за время тр при помощи соответствующих регулировочных клапанов устанавливалось вышеука занное нефтесодержание и начинался отсчёт времени выхода установки на установившийся режим ( ).Под установившимся режимом понимался режим, устанавливавшийся после прокачки через оборудование объёма нефте-содержащей воды, не менее чем в два раза превышающего весь внутрен ний объём ФО, т. е.
После выхода установки на установившийся режим испытание ФО проводилось в течение 30 минут. Причём первый раз на 10-й, а второй раз на 20-й минутах, считая от начала этого промежутка времени, для анализа отбирались пробы на входе смеси и выходе воды из ФО. На входе в ФО отбиралась одна проба смеси, а на выходе - три пробы воды, чтобы рассчитать среднее значение концентрации НП в ней. На 30-й минуте этого испытания, при подъеме шланга из топливной цистерны на всасывающей стороне насоса обеспечивался «прохват» воздуха. В то время, когда прекращался слив воды, этот момент устанавливался через смотровое окно, отбирались в третий раз три пробы воды на выходе её из ФО. Испытания далее продолжались по вышеуказанной программе, но на смеси, состоящей из 25 % топлива «А» и 75 % воды. Для этого в течение времени tр при помощи регулировочных клапанов на стенде устанавливались соответствующая подача топлива и воды, после чего снова начинался отсчёт времени выхода установки на установившийся режим. После завершения этого периода испытание проводилось в течение 30 минут в последовательности и с отбором проб, как было указано выше. Последовательность маркировки проб соответствовала отбору их в четвёртый, пятый и шестой раз.
