Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время все больше внимания в мире и Республике Беларусь обращается на проблему загрязнения окружающей среды. Одним из путей решения обозначенной проблемы является снижение воздействия вредных факторов на водную среду Наиболее распространенными загрязнителями поверхностных и подземных вод являются нефтепродукты Ранее в СССР значительное внимание уделялось очистке стоков крупных коммунальных и промышленных предприятий В меньшей степени уделялось внимание очистке стоков малых объектов, например, нефтебаз и АЗС, автотранспортных (АТП) и авторемонтных предприятий (АРП), гаражей и стоянок машин, локомотивных депо и дворов сельскохозяйственной техники, котельных и т д. Это было вызвано тем, что недооценивалось влияние на экологическую ситуацию сбросов от малых объектов При этом не учитывалась многочисленность таких объектов, суммарное воздействие которых на экологическую ситуацию огромно и продолжает возрастать в силу бурного развития автомобильного транспорта с обслуживающей инфраструктурой. В настоящее время предприятия различных отраслей народного хозяйства Республики Беларусь, которые могут сбрасывать нефтесодержащие сточные воды без должной очистки, исчисляются тысячами В этом случае в водные источники ежегодно попадают тонны нефтепродуктов, загрязняя окружающую среду Такое положение вызвано рядом причин, и в первую очередь несовершенством технологических схем и конструкций очистных сооружений, а также методик их расчета
В последнее время в мировой практике наметилась тенденция замены устаревших экстенсивных технологий очистки на интенсивные с применением компактных установок и сооружений, в которых реализуется комбинация различных гидромеханических процессов, таких как осаждение, псевдоожижение, флотация, коалесценция, фильтрация и др Разработка и успешное внедрение новых прогрессивных технологий с применением компактных установок во многом зависит от качества методик расчетов Как показывает практика, иногда существующие методики не позволяют оптимизировать проектные и технологические параметры узлов очистных сооружений Это связано с тем, что часто такие методики имеют несовершенную теоретическую основу Для разработки научно обоснованных методик расчетов необходимо знать общие закономерности гидромеханических процессов, применяемых в технологиях очистки
Важным фактором для повышения эффективности работы современных сооружений является повышение степени автоматизации и механизации их эксплуатации Прогресс в этом направлении может достигаться путем широкого применения гидроструйных аппаратов (эжекторов, гвдроструйных насосов, гидроэлеваторов) и контрольно-измерительных приборов При этом для широкого практического применения таких устройств появляется необходимость разработки новых конструкций повышенной технологичности
Применение гидроструйных аппаратов оправдано рядом их преимуществ возможностью перекачки агрессивных сред, жидкостей, газов, смесей воды с газами или твердыми веществами, отсутствием подвижных частей, простотой конструкций, малыми габаритами и тд Однако широкому применению гидроструйных аппаратов препятствует несовершенство методик их расчетов Разработкой теории струйных процессов и методик расчетов струйных аппаратов занимались многие исследователи Но, несмотря на то, что существует ряд методик расчетов основных элементов устройств, все же положение нельзя считать удовлетворительным Разные методики дают противоречивые результаты и не позволяют осуществлять оптимизацию расчетов, обеспечить надежную, наиболее экономичную работу струйных аппаратов, что свидетельствует о необходимости ведения дальнейших исследований
Связь работы с крупными научными программами, темами. Основные результаты диссертационной работы получены автором при участии в выполнении задания 3 313 "Разработать и внедрить малогабаритные установки для очистки нефтесодержащих сточных вод" (№ ГР 19973479, сроки выполнения 1997-1998 гг) в соответствии с программой ГНТП "Природопользование и охрана окружающей среды", заданий Министерства образования Республики Беларусь на проведение НИР по темам "Исследовать закономерности гидромеханических процессов и разработать новые технологии, проектные и технологические параметры установок по очистке сточных вод" (№ ГР 19973097, сроки выполнения 1995-1997гг) и "Создать теоретические основы инженерных расчетов физических процессов водоочистки" (сроки выполнения 1999-2000 гг), задания ГПОФИ "Механика-39" "Исследование закономерностей гидромеханических процессов в аппаратах струйной техники" № ГР 20043454 (2004-2005 гг)
Цель и задачи исследования. Цель работы — решение важной народнохозяйственной проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды нефтепродуктами за счет развития теоретических основ гидромеханических процессов, применяемых в технологиях очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов
Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи
Осуществить аналитические исследования для формирования и обоснования концепции технологической схемы очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов с рациональным набором и эффективной последовательностью гидромеханических процессов
Провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие теоретических основ гидромеханических процессов и получение математических зависимостей для расчетов элементов сооружений очистки нефтесодержащих сточных вод.
Разработать усовершенствованные элементы и узлы технологических схем локальной очистки нефтесодержащих сточных вод, позволяющих повысить технологичность конструкций, степень механизации приемов эксплуатации и культуру производства
4 Внедрить в производство на стадии опытного образца усовершенствованные установки для очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообра-зуюгцих объектов
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются технологические схемы и сооружения локальной очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразуюших объектов. Предмет исследования — гидромеханические процессы в элементах технологических схем при взаимодействии потока жидкой среды с внутренней диспергированной фазой и внешними граничными поверхностями
Методология и методы проведенного исследования. Для выработки перспективных идей и выявления прогрессивных технических решений осуществлялся анализ отечественных и зарубежных научно-технических и патентных источников В качестве методологической основы теоретических исследований для вывода основных расчетных зависимостей использовались математические соотношения, выражающие законы сохранения массы, энергии и количества движения, а также положения теории подобия и анализа размерностей Для определения неизвестных членов в основных расчетных зависимостях, путем анализа и обработки данных экспериментальных исследований, устанавливались дополнительные соотношения Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики с использованием современного программного обеспечения При проведении работы использовались традиционные методы, приборы и оборудование Исследования процессов псевдоожижения и фильтрации проводились на приборе Дарси При исследова-ниях гидроструйных аппаратов использовались манометры и вакуумметры класса точности 0,4. Плотности испытуемых материалов определялись пикно-метрическим методом Гранулометрический состав твердых зернистых материалов определялся рассев-анализатором РА-5 Пористость зернистых материалов определялась по объемам поглощенной гравитационной и пленочной воды Достоверность полученных результатов подтверждалась сопоставлениями вычисленных по новым формулам значений с опытными данными, полученными как автором диссертации, так и другими исследователями, успешным внедрением разработок при проектировании, строительстве, наладке и эксплуатации сооружений очистки нефтесодержащих сточных вод
Научная новизна и значимость полученных результатов. Обеспечено дальнейшее развитие в направлении поиска универсальных зависимостей для расчетов взаимосвязанных гидромеханических процессов, применяемых в практике очистки сточных вод, при реализации которых происходит обтекание тел жидкостью Получена обобщенная безразмерная математическая модель гидромеханических процессов осаждения и взвешивания одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды в пористых зернистых средах Математическая модель базируется на известных формулах Стокса и Ньютона, которые справедливы для частных случаев свободного осаждения одиночного шара в жидкости, и распространена на другие случаи с учетом влияния условий стес-
нения, формы тел и характера граничной поверхности Новая математическая модель отличается от известных тем, что позволяет производить расчеты вышеперечисленных процессов в широком диапазоне изменения физических параметров
Дано дальнейшее развитие теории струйных аппаратов путем исследований гидроструйных устройств, на основе которых получены новые математические зависимости для расчетов эжекторов, применяемых в сооружениях водоочистки Экспериментально установлены оптимальные конструктивные параметры эжекторов с соплом в виде диафрагмы и показано, что усложнение формы отверстия сопла не дает положительного эффекта
Практическая значимость полученных результатов. Усовершенствованные технологические схемы и установки позволят эффективно решить важную техническую задачу локальной очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий с относительно малым объемом стоков в соответствии с современными нормативными требованиями и экологическими стандартами
Полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований зависимости позволяют производить расчеты гидромеханических процессов и являются основой для разработки научно обоснованных методик расчетов проектных и технологических параметров очистных сооружений
Разработанные в результате исследований гидроструйные устройства и КИП обладают повышенной технологичностью конструкции и могут найти применение в различных отраслях народного хозяйства.
Практическая значимость проведенных исследований подтверждена внедрением результатов работы на ряде предприятий
Разработана, изготовлена и внедрена на РУП "Брестоблнефтепродукт" малогабаритная установка для очистки нефтемаслосодержащих сточных вод
Разработана и внедрена в рабочий проект "Реконструкция очистных сооружений сточных вод от мойки автомобилей МАЗа" проектно-конструкторская документация малогабаритной установки для очистки нефтемаслосодержащих сточных вод
Разработана и внедрена в рабочий проект "Реконструкция очистных сооружений производственных сточных вод канифольно-терпентинного цеха ОАО "Лесохимик" (г Борисов) проектно-конструкторская документация малогабаритной установки для очистки сточных вод
Успешное внедрение в производство на стадии опытного образца усовершенствованной малогабаритной комбинированной установки для очистки нефтесодержащих сточных вод в дальнейшем позволяет использовать ее в качестве коммерческого продукта в различных модификациях
Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1 Обобщенная математическая модель гидромеханических процессов осаждения и взвешивания восходящим потоком воды одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды в пористых зернистых средах, которая устанавливает единую взаимосвязь перечисленных процессов и позволяет производить расчеты в широком диапазоне изменения физических параметров
Результаты исследований гидроструйных аппаратов, которые позволяли получить новые математические зависимости для расчетов эжекторов, а также установить оптимальные конструктивные параметры и разработать аппарат, обладающий высокой технологичностью конструкции.
Усовершенствованная установка для очистки нефтесодержащих сточных вод, обладающая повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с аналогичными образцами
Усовершенствованные приборы для систем контроля и управления технологическими процессами при эксплуатации очистных сооружений, характеризующиеся высокой технологичностью конструкции.
Личный вклад соискателя. Соискателем разработаны методики и лабораторные установки для проведения экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования, произведена обработка опытных данных с использованием современных компьютерных программ, по результатам теоретических и экспериментальных исследований получены математические зависимости для расчетов гидромеханических процессов осаждения и взвешивания восходящим потоком воды одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды, гидроструйных аппаратов
Аналитические исследования, а также разработка новых конструкций элементов и узлов очистных сооружений осуществлялась совместно с канд техн наук М В Кравцовым Работы, связанные с разработкой технологических схем и внедрением в производство новых разработок, проведены совместно с главным специалистом РУТТ "Белпромпроект" В И Сачковым
Апробация результатов исследования. Результаты работы представлялись научной общественности на Водном форуме "Современное состояние, проблемы и перспективы использования водных ресурсов Беларуси" (Минск, 2003 г ); 57-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БНТУ, в рамках 2-й Международной НТК "Наука— образованию, производству, экономике" (Минск, 2004г), ученом совете ИПКиГЖБНТУ (Минск, 1997, 1998, 2000, 2004 гг.), ученом совете ЦНИИКИВР (Минск, 2004 г )
Опубликоваяность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе 8 статьях в журналах, входящих в перечень научных изданий ВАК, 2 статьях в материалах конференций, 5 патентах, 4 статьях в прочих изданиях Общее количество опубликованных материалов составляет 60 с
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, общей характеристики работы, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений Полный объем диссертации 164 с, в том числе ПО с текста, 51 рисунок, 1 таблица, 9 приложений Библиографический список включает 123 наименования
