Научные основы технологии утилизации нефтяных загрязнений водной среды

Защита состоится 20 апреля 2010 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д212.244.01 при Северо-Западном государственном заочном техническом университете по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, 200 ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Северо-Западного государственного заочного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим отправлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д. 5, ауд. 313

Автореферат разослан 18 марта 2010 г.

диссертационного совета Иванова И.В.

Общая характеристика работы.

Актуальность темы. Одна из основных проблем защиты водоёмов от загрязнений заключается в разделении неоднородных смесей, в частности, эмульсий типа «масло» в воде, образующихся как в производствах пищевых продуктов, так и на всех без исключения предприятиях, потребляющих, транспортирующих или перерабатывающих нефтепро-дукты. Наиболее перспективны в энергетическом, экономическом и технологическом аспектах для разделения двух и трёхфазных смесей процессы тонкослойной гравитационной сепарации и частичной фильтрации. Это подтверждается мировой практикой и тенденциями в области водоочистки. По этой причине от интенсификации указанных процессов зависят и производственные площади, занимаемые очистными сооружениями, и энергозатраты на обработку эмульсий, и экономика и качество очистки воды, а, в конечном счёте, и экологическая безопасность внутренних водоёмов. Оба указанных процесса протекают при обработке потока жидкости в узких каналах. Закономерности такой обработки изучены недостаточно. Непростую задачу представляет и разделение водного и углеводородного слоёв, образующихся при обработке эмульсий, а также обезвоживание вязких нефтепродуктов. Только после решения указанных вопросов можно полностью замкнуть производственные промывочные циклы нефтеналивного и нефтетранспортного оборудования и отказаться от потребления воды на промывку из природных водоёмов.

Установлено, что частицы, перемещаемые ламинарным потоком жидкости в узких каналах, движутся не прямолинейно. Перераспределение частиц в сечении узкого канала носит аномальный характер, что препят-ствует интенсификации указанных процессов. Наблюдаются, например, снижение эффективности гравитационной сепарации при сужении каналов, а также скопление частиц у поверхности полупроницаемых мемб-ран в процессах частичной фильтрации (концентрационная поляризация).

Чтобы интенсифицировать эти процессы обработки эмульсий и по возможности повысить их эффективность, необходимо вначале разобраться в причинах аномального поведения частиц и выяснить факторы, влияющие на его проявление.

Быстро отогнать воду из вязких нефтепродуктов можно, если предварительно перегреть их и сформировать из них тонкую плёнку. Но даже в этом случае остаётся нерешённым вопрос, как выгрузить из отгонного аппарата остывшую и затвердевшую плёнку.

Цель исследований – повышение эффективности средств утилизации нефтяных загрязнений водной среды.

• Определить экспериментально численные значения скорости поперечного перемещения частиц нефтепродукта в щелевом канале.
• Построить математическую модель взаимодействия частицы с ламинарным потоком вязкой среды в щелевом канале и рассчитать влияние параметров системы на скорость её перемещения в направлении нормальном к потоку.
• Определить условия, при которых можно влиять на перераспределение частиц при обработке эмульсий в узких каналах.
• По результатам теоретического анализа определить особенности режимов обработки и конструкций микрофильтрационного и сепарационного оборудования, при которых перераспределение частиц позволит интенсифицировать процессы разделения эмульсий.
• Построить математическую модель взаимодействия водной среды с плавающей углеводородной частицей. Найти зависимость формы капли от её размеров. Разобраться в причинах низкой селективности декантации углеводородного слоя и обосновать возможность селективного разделения водного и углеводородного слоёв.
• Исследовать недостатки известных методов и средств обезвоживания вязких нефтепродуктов и научно обосновать возможности их интенсификации.
• Проверить в промышленных условиях справедливость результатов научных исследований и эффективность работы нового оборудования: микрофильтров без полупроницаемых мембран и сепараторов с неподвижной и вращающейся насадкой, а также отгонного плёночного аппарата с подвижными дисками.
• Разработать методики инженерных расчётов существующего и вновь созданного оборудования для микрофильтрации, тонкослойной сепарации и разделения водного и углеводородного слоёв.
• Сформулировать основные технологические решения по утилизации обводнённых нефтепродуктов, образующихся при отмывке нефтеналивного оборудования.

• Построена математическая модель взаимодействия одиночной сферической частицы с потоком жидкости в узком щелевидном канале, которая учитывает плотности компонентов системы и ориентацию потока в гравитационном поле.
• Определены причины перераспределения частиц в сечении канала, вызывающие в одном случае эффект концентрационной поляризации, а в другом – снижение эффективности тонкослойной сепарации.
• Выведены аналитические зависимости связывающие действие потока на частицу с его скоростью, размерами и ориентацией канала, размерами и плотностью частиц, плотностью и вязкостью среды.
• Сформулированы условия, при которых действие потока на частицы способствует их тонкослойной сепарации или противодействуют их концентрационной поляризации.
• Определены условия осуществления микрофильтрационного разделения эмульсий без полупроницаемых мембран.
• Определены условия сепарации частиц и сбора плавающей плёнки нефтепродукта подвижными коалесцирующими дисками.
• Определены условия эффективного обезвоживания вязких нефтепродуктов.

Практическая ценность полученных результатов.

Разработаны практические рекомендации по устройству и расчёту микрофильтров, тонкослойных сепараторов с блоками неподвижных коалесцирующих пластин, сепараторов с подвижными коалесцирующими дисками и отгонных плёночных аппаратов с подвижными дисками.

• тонкослойные коалесцирующие сепараторы (КС-01, КС-02, КС-03, КС-04 и КС-05) с блоками наклонных и вертикальных пластин выпускаются серийно ООО «Чистые технологии» по ТУ 3683-012-50905025-2001;
• сепараторы с блоком наклонных пластин использованы АО «Айсберг» для судовых камбузов (атомный ледокол «60 лет Победы»);
• сепараторы с подвижными дисками (НЖЛ) производятся серийно ООО «Чистые технологии» по ТУ 3689-013-50905025-2001;
• микрофильтры без полупроницаемых мембран использованы ПКБ «Прогресс» в составе установок типа УСМ;
• приёмными колодцами с НЖЛ оборудованы вагонные депо Октябрьской и Восточно-Сибирской железных дорог, а также цех водоочистки АО «Кировский завод»;
• универсальные мобильные промывочные станции (УМПС, СПУМ-01, СПУМ-02, СПУМ-03 и СПУМ-К) с блоками для тонкослойной сепарации производятся серийно для отмывки внутренней поверхностей цистерн ООО «Чистые технологии» по ТУ 3185-004-50905025-2001;
• промывочные комплексы для отмывки щебня, замасленной окалины, букс, подшипников, крышек, колёсных пар, багажников автомобилей и др. функционируют в вагонных депо Октябрьской и Восточно-Сибирской железных дорог, а также на предприятиях Петербургской транспортной компании (ПТК), заводах Выксунском металлургическом и «Вибратор».

• Результаты теоретического анализа взаимодействия частицы с потоком вязкой среды в узком щелевом канале, объясняющие механизм перераспределения частиц в сечении этого канала.
• Научные основы расчёта микрофильтрационного и тонкослойного сепарационного оборудования, а также обоснование режимов обработки эмульсий нефти в воде.
• Технология отмывки нефтетранспортного оборудования.
• Технология утилизации обводнённых нефтепродуктов, образующихся при отмывке нефтетранспортного оборудования.
• Технология и средства сбора нефтепродуктов, разлитых на поверхности открытых водоёмов.
• Конструктивные особенности сепарационного и микрофильтрационного оборудования, которые позволяют интенсифицировать процессы разделения нефтеводяных эмульсий и обоснование этих особенностей.

• на Втором советско-американском симпозиуме по защите морей, строительству портов и торговле (г. Сиэтл, 1991 г.);
• на Международной экологической конференции «Охрана окружающей среды -90» (Таллинн, 1990 г.);
• на Международной конференции по терминалам, кораблестроению и морским перевозкам в Восточной Балтии (Таллинн-Лакузалу, 1994 г.);
• на Международной конференции по судостроению, судоходству и разработке шельфа «Нева - 95» (Санкт-Петербург, 1995 г.);
• на 1-й Международной конференции «Экология и развитие Северо - Западного региона РФ» (Санкт-Петербург, 1995 г.);
• на 2-й Международной конференции «Экология и развитие Северо - Запада России» (Санкт-Петербург-Кронштадт, 1997 г);
• на Всесоюзном научно-техническом семинаре «Теория и оборудование для селективного разделения сред с использованием полупроницаемых мембран» (Краснодар, 1983 г);

• на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции молодых специа-листов по холодильной технике и технологии с участием профессорско-преподавательского состава ЛТИХП (Ленинград, октябрь 1977 г);
• на 1 республиканской научно-техн. конференции «Эксплуатация, ремонт и проектирование специальных систем танкеров» (Владивосток, 1978);
• на Всесоюзной научно-технической конференции по проблемам охраны окружающей среды при эксплуатации судов (Ленинград, 1982 г.);

• на Всесоюзной научно-технич. конференции по вопросам обеспечения охраны окружающей среды при эксплуатации судов (Николаев, 1986 г.);
• на Всесоюзной научно-практической конференции «Интенсификация производства и применения искусственного холода» (Ленинград, 1986 г.);
• на Всесоюзной научно-технической конференции «Защита водного и воздушного бассейнов от загрязнений при постройке и эксплуатации судов» (Ленинград, 1990)

• ВДНХ (Москва, 1981 г.),
• Охрана окружающей среды - 90 (Таллинн, 1990),
• Экология большого города (Санкт - Петербург, май 1992 г.).

Работа отдельных полупромышленных образцов эксклюзивного оборудования демонстрировалась неоднократно (январь и сентябрь 1996, 1998 г) в телевизионных передачах: ИНФОРМ - ТВ (Санкт - Петербург).

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 68 работах, в том числе 16 авторских свидетельствах, 21 патенте РФ, одной международной заявке РСТ и одной монографии. Основные результаты исследований представлены 14-ю научными статьями в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Объём и структура работы. Диссертация включает 9 глав, выводы и приложения. Библиографический список содержит 187 наименований, из них 32 иностранных источника. Изложена диссертация на 171 странице машинописного текста, 9 таблицах, 26 рисунках и 23 приложениях.

Основное содержание работы.

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, теоретическая значимость и прикладная ценность полученных результатов, а также основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе дан информационно-аналитический обзор по проблеме: источники образования эмульсий, методы их разделения, обработка эмульсий в узких каналах, эффект аномального перераспределения частиц в сечении канала, эффекты «убегания» и концентрационной поляризации, вопросы разделения слоёв и обезвоживания вязких нефтепродуктов.

Во второй главе описаны экспериментальные исследования процессов микрофильтрации и определены скорости «убегания» частиц от фильтрующей перегородки.

В третьей главе выполнен анализ взаимодействия частицы с потоком в узком канале, имеющем форму плоской щели с размерами 2RхB (2R«B). Поток рассматривается как сумма параллельных элементарных струй. Приняты допущения: перемещаемая потоком частица сферическая, жёсткая и не оказывает влияния на распределение динамических напоров в поперечном сечении канала на достаточно большом удалении от неё. Рассмотрены два варианта. В первом, когда частица не противодействует потоку (дрейфует), баланс осевых воздействий на частицу возможен только при балансе составляющих динамического напора. Во втором варианте, когда объёмные силы противодействуют потоку, определяющую роль играет сопротивление, вызванное обтеканием частицы.

Для первого варианта были получены следующие слагаемые осевого Fz , радиального Fx и вращательного М(У) воздействия потока на частицу:

πρcVm 2 rp 5 r0

Fx = —————— [a(2b – а) + 0,1];

ρcVm 2 rp 6 2 2 16 28

R 4 3 3 3 15

1+(1–a 2 ) 0,5 (2b-a) 2 (2b+a) 2 -3a 2 2 a 2 8a 3 (1 – a 2 ) 1,5

+a 5 lg ————[——— –b(2b-a)+————— – — ab+ —] + ————— –

1-(1–a 2 ) 0,5 3 5 3 7 21

2 (2b+a) 2 –3a 2 1 3а(1-a 2 ) 0,5 (l-2a 2 )(2b + а) 2 –За 2 5

1. 10 14 2 5 42

– (arcsina) [ – a 2 (2b – a) 2 + —————— + —]>;

ρcVm 2 rp 7

(1- a 2 ) 1+ a + a 2 + 9a 3 4a 2 (2b - a) 2 + (2b + a) 2

+2(1– a 2 ) 1,5 [ —— – (1+ a) —————— + 2 ————————— ]>,

где использованы относительные размеры:

а = е/rр, b = r0/rp.

Если частица не испытывает никаких внешних воздействий, кроме тех, что оказывает на неё поток, условие баланса осевых воздействий на неё можно записать в виде

ρc Vm 2 rр 6

2 2 16 28 1+(1-а 2 ) 0,5 Ω=2b(l-a 2 ) 0,5 [a(2b-a)+–]– – b(l-a 2 ) 1,5 [5a(2b-a)+—]+—b(l-a 2 ) 2,5 +a 5 lg———— •

3 3 3 15 l- (l-a 2 ) 0,5

(2b-a) 2 (2b+a) 2 -3a 2 2 a 2 8a 3 (l-a 2 ) 1,5 2

•[——— – b(2b-a)+ ———— – – ab+ –]+ ———— –2a(l-a 2 ) 0,5 [– a 2 (2b-a) 2 +

(2b+a) 2 -3a 2 1 3a(l-a 2 ) 0,5 (l-2a 2 ) (2b+a) 2 -3a 2 5 2

(2b+a) 2 -3a 2 1

Определитель Ω равен нулю при определённых значениях а для каждого значения b. Эти значения можно вычислить приближённо по формуле:

а* = – 0,132b – 1

Подставляя а* в выражение, характеризующее радиальную составляющую действия потока, находим Fx 3 (ρр – ρс) g cos φ и Fgx = 4/3 π rp 3 (ρр – ρс) g sin φ cos ξ,

где φ – угол образованный направлениями потока и гравитационного поля, а ξ – угол поворота поперечного сечения щелевого канала

С учётом гравитации уравнение баланса осевых сил можно записать в виде

4 π ρсVm 2 rp 6

– — π rp 3 (ρр – ρс) g cosφ + ———— Ω = 0.

3 R 4

А сумму сил, направленных нормально к потоку, выражением

4 ρсVm 2 rp 5 r0

Fx= – — π rp 3 (ρр – ρс) g sinφ cos ξ + ————— [ а (2 b – а) + 0,1 ]

3 3R 4

Величину определителя Ω находим из уравнения баланса осевых сил

4 π rp 3 (ρр – ρс) g cosφ R 4

3 ρс Vm 2 rp 6

а затем по найденному значению Ω определить соответствующую ему величину а при интересующем нас значении b. Расчёт упрощается, когда отставание частицы «масла» от потока (воды) невелико (|а| 10). В этом случае, представляющем наибольший интерес при изучении концентрационной поляризации, графики зависимости Ω от а могут быть аппроксимированы уравнением пучка прямых линий с точностью, достаточной для технологических расчетов:

а = – Ω/ (Зb 2 ).

Подставив полученное значение а в уравнение, определяющее нормальное действие потока, получаем выражение силы Пуазейля

Fx= 4/3 π g rp 3 (ρр – ρс) (sinφ cos ξ + 2/9 π cosφ).

• что на величину силы Пуазейля, когда частица находится достаточно близко к стенке канала (b>10), уже не оказывают влияния ни размеры щелевого канала, ни вязкость среды, ни скорость её движения в канале;
• что менее плотную частицу (ρр– ρс 0);
• что восходящий поток (φ>π/2) действует противоположным образом.

Fx= 4/3 π g rp 3 (ρр – ρс) (0 + 2/9 π cosφ)

0,7(4/3) π g rp 3 (ρр – ρс).

Особый интерес представляет случай, когда объёмные силы направлены против потока: более плотная частица (ρр–ρс>0) противодействуют восходящему потоку (φ>3π/4), а менее плотная (ρр – ρс 2 Vm;

4πμ Vm rр 3 r0 е r0 21

Fz = —————[( — – —) 2 – (—) 2 ] – —>;

R 2 rр rр rр 80

6 πμVm rр 3 r0 е r0

М(у)= —————[( — – —) 2 – (—) 2 ] – 0,25>;

R 2 rр rр rр

В общем случае, учитывающем также влияние гравитационного поля, Fx и Fz определены следующими выражениями.

Fx= (4/3)πrр 3 (ρр – ρc)g sinφ cosξ – 2 πr0(rр/R) 2 μVm

4 4π μVm rp 3 r0 е r0 21

Fz= — πrр 3 (ρр – ρc)g cosφ + —————[(— – —) 2 – (—) 2 ] – —.

3 R 2 rр rр rр 80

Анализ последних двух уравнений позволяет заранее предсказать результат процесса, протекающего в наперёд заданных условиях. Так, при Fx = 0 объёмные силы уравновешивают силу Пуазейля

4/3 πrр 3 (ρр – ρc)g sinφ cosξ = 2πμr0(rp/R) 2 Vm ,

и перемещение частицы нормально к потоку прекращается (что и наблюдается при эксплуатации секционированных отстойников).

В четвёртой главе выполнена оценка результатов теоретического анализа. Дано сравнение полученных результатов теоретических исследований с наиболее надёжными экспериментальными данными других авторов, а также с теми, что получены в процессе собственных экспериментальных исследований микрофильтрации эмульсий, приведённых в главе 2. Результаты сравнения представлены в виде графиков и таблиц. Скорость «убегания» частиц от фильтрующей перегородки под действием силы Пуазейля рассчитана по формуле

Сравнение экспериментальных данных установившейся скорости отбора пермеата Wф с расчётной скоростью «убегания» частиц дисперсной фазы Wp