Научные основы технологии утилизации нефтяных загрязнений водной среды

Размещено на http://allbest.ru

28

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени

доктора технических наук

Научные основы технологии утилизации нефтяных загрязнений водной среды

Специальность 25.00.36 - Геоэкология по техническим наукам

Евдокимов Александр Александрович

Санкт - Петербург - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Северо-Западный государственный заочный технический университет»

Научный консультант: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ Потапов Анатолий Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Заслуженный эколог России, Рогалёв Виктор Антонович

доктор технических наук, профессор, Журкович Виталий Владимирович

доктор технических наук, Волкодаева Марина Владимировна

Ведущая организация Научно-исследовательский центр экологической безопасности РАН, (Санкт-Петербург)

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.

Учёный секретарь

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 нефтепродукты. 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 препятствует 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.

Задачи исследований:

· 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.

Научная новизна:

· 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.

Объекты исследования: водонефтяные смеси, образующиеся при транспортировке, хранении и использовании 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.

Сконструированы и уже используются в промышленности бессточные промывочные комплексы с высокоэффективными малогабаритными сепараторами, а также серия новых аппаратов: микрофильтров, коалесцирующих фильтров и тонкослойных сепараторов, как с неподвижными, так и с подвижными коалесцирующими пластинами. В т.ч:

· 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».

Основные положения и результаты, выносимые на защиту:

· 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.

Апробация работы. Основные результаты исследований обсуждались 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)

Действующие образцы оборудования для разделения смесей типа «масло в воде» экспонировались на трёх международных выставках:

· ВДНХ (Москва, 1981 г.),

· Охрана окружающей среды - 90 (Таллинн, 1990),

· Экология большого города (Санкт - Петербург, май 1992 г.).

Стенды, посвященные новому экологическому оборудованию, водоочистным комплексам и бессточным системам очистки оборудования от нефтяных загрязнений, ежегодно экспонируются на республиканских экологических выставках «Русский промышленник» в Санкт-Петербурге.

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 F_{z ,} радиального F_x и вращательного М_(У) воздействия потока на частицу:

где использованы относительные размеры:

а = е/r_р, b = r₀/r_p.

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

Где

Определитель Щ 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 F_x < 0. Т.е. в отсутствие других воздействий поток стремится прижать частицу к ближайшей стенке канала.

Влияние гравитационного поля на частицу определяется составляющими:

F_gz= 4/3 р r_p³ (с_р - с_с) g cos ц

и

F_gx = 4/3 р r_p³ (с_р - с_с) g sin ц cos о,

где ц - угол образованный направлениями потока и гравитационного поля,

о - угол поворота поперечного сечения щелевого канала

С учётом гравитации уравнение баланса осевых сил можно записать в виде

А сумму сил, направленных нормально к потоку, выражением

Величину определителя Щ находим из уравнения баланса осевых сил

а затем по найденному значению Щ определить соответствующую ему величину а при интересующем нас значении b.

Расчёт упрощается, когда отставание частицы «масла» от потока (воды) невелико (|а|<0,5) и она находится довольно близко к стенке (b>10).

В этом случае, представляющем наибольший интерес при изучении концентрационной поляризации, графики зависимости Щ от а могут быть аппроксимированы уравнением пучка прямых линий с точностью, достаточной для технологических расчетов:

а = - Щ/ (Зb²).

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

F_x= 4/3 р g r_p³ (с_р - с_с) (sinц cos о + 2/9 р cosц).

Из последнего выражения следует,

· 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 (с_р - с_с<0) нисходящий поток (ц < р/2) прижимает к ближайшей стенке (F_x<0), а более плотную - оттесняет от неё (F_x>0);

· что восходящий поток (ц>р/2) действует противоположным образом.

В вертикально ориентированном потоке (ц =0)

F_x= 4/3 р g r_p³ (с_р - с_с) (0 + 2/9 р cosц) ~ 0,7(4/3) р g r_p³ (с_р - с_с).

Особый интерес представляет случай, когда объёмные силы направлены против потока: более плотная частица (с_р-с_с>0) противодействуют восходящему потоку (ц>3р/4), а менее плотная (с_р - с_с < 0) - нисходящему (ц < р/4).

В этом случае осевые проекции векторов потока и поля полностью, либо в значительной мере уравновешиваются (|e|>r_p и |a|>1), и принятое в п. 3.1. допущение о балансе лобовых действий потока на частицу становится некорректным. Для такого случая действие потока на частицу определяется известным выражением

F_z = 6рмr_pДV.

Из допущения, что действие каждой струи на элемент поверхности частицы (dx.dy) с учётом обтекания описывается тем же уравнением, получены слагаемые радиального F_x,осевого F_z и вращательного М(_У) воздействия потока на частицу:

В общем случае, учитывающем также влияние гравитационного поля, F_x и F_z определены следующими выражениями.

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

4/3 рr_р³(с_р - с_c)g sinц cosо = 2рмr₀(r_p/R)²V_m ,

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

W_p = F_х/(6рмr_p).

Сравнение экспериментальных результатов и расчётных значений скорости «убегания» частиц от пористой стенки

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

	Исследуемая система	Плотность, с, кг/м3 частиц среды	Вязкость среды м, 10-3 Пас	rp 10-6м	Ориентация потока, рад ц о	Скорость 10-б м/с Wф Wp	Источники информации
1	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	р/2 0 р/2 0	1,3 1,42 <18 1,42	[99]
2	эритроциты в сыворотке	1090 1030	1,6	4,2	р /2 0	7-10 1,42	[103]
3	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	0 ? р /2 0	0,9 1,03 1,5 1,42	[79]
4	эритроциты в сыворотке	1090 1030	1,6	4,2	0 ?	0,5-1,0 1,03	[87]
5	эритроциты в сыворотке	1090 1030 1090 1030	1,6 1,6	4,2 4,2	р /2 0 р/2 0	2,7 1,42 2,14 1,42	[96]
6	нефть в воде	800 1000	1,0	2,5	р	2,8-5,5 1,90	[127]
7	нефть в воде	810 1000	1,0	2,5	р	1,8 1,81	гл. 2
8	масло в воде	855 1000	1,0	2,5	р	1,39 1,38	гл. 2

	Дс	м	ц	о
N	кг/м3	сПз	рад	рад
I	0
II	60	1,6	0
III	60	1,6	р/2	0
IV	145	1,0	р
V	200	1,0	р

В пятой главе приведёны особенности расчёта микрофильтрации и обоснование конструкций микрофильтрационных аппаратов и результаты опытной проверки экспериментальных установок. Мгновенную скорость фильтрации в любой точке пористой перегородки можно определить по формуле: обезвоживание нефтепродукт фильтрация экологический



Скорость фильтрации на начальном участке фильтроэлемента

и количество прошедшей через пористую перегородку жидкости G_фх*

Приведён ряд примеров конструкции микрофильтров. Принципиальная конструкция микрофильтра с плоскими щелевыми каналами показана на рисунке. Внутри корпуса

микрофильтра с плоскими стенками 1 размещены плоские элементы - кон-верты 2, отделенные один от другого гофрированны-ми пластинами 3 с посто-янной высотой гофра, что обеспечивает одинаковое расстояние между конвер-тами по всей их площади.

Щели А между конвертами 2 служат для прохода обрабатываемой смеси, поэтому направление гофров (вертикальное) определяет и направление движения жидкости.



Принципиальная конструкция микрофильтра с плоскими щелевыми каналами.

Каждый конверт состоит из пары пористых пластин 6 чаще прямоугольной формы, сваренных или склеенных по периметру. Между каждой парой пластин 6, образующих конверт 2, помещена дренажная сетка 7, сплетенная, склеенная или сплавленная из волокон.

Один из вариантов многоблочного микрофильтра. Корпус такого аппарата 7, снабженный патрубками подвода обрабатываемой эмульсин 7 и отвода концентрата 8, разделен вертикальными перегородками 4 на несколько секций.

Блочный микрофильтр

В нашем случае секций 4: В, Г, Д и Е. Они различны по объему. В этих перегородках имеются отверстия 5 и каналы б, проходя через которые, поток обрабатываемой жидкости попадает из верхней части предыдущей секции в нижнюю часть последующей.

Внутри секций размещено несколько микрофильтрационных блоков (здесь по 4), каждый из которых состоит из комплекта конвертов 2, имеющих по одному отверстию, предназначенному для отвода пермеата, каждый из патрубков укреплен на крышке 3.

Любой из этих блоков может быть демонтирован и установлен в аппарате без демонтажа других узлов аппарата.

Плоская форма фильтрующих элементов (конвертов) позволяет разместить наибольшую фильтрующую поверхность в единичном объеме аппарата.

Благодаря этому конверты наиболее перспективны при создании малогабаритного современного оборудования, но не являются единственным техническим решением, пригодным для реализации процесса микрофильтрации без полупроницаемых мембран. Узкие щелевые каналы могут быть образованы, например, двумя цилиндрическими поверхностями, размещенными соосно одна в другой.

Используя керамические трубы с пористыми стенками и гранулированную загрузку в каналах, предназначенных для отвода пермеата, можно изготовить по уже освоенной технологии простые трубчатые микрофильтры.

Среднюю скорость движения пермеата в порах фильтрующей перегородки можно рассчитать по формуле

Среднюю скорость фильтрации, приведенную к общей площади фильтрующей поверхности, найдем из зависимости

W= V**Ж.

А поверхность микрофильтра, который позволит получить необходимый расход пермеата G, будет найдена из соотношения

F =G/ W,

а число микрофильтрационных модулей с поверхностью F₁ - по формуле

N= F/ F₁.

Часто для изготовления аппаратов большой пропускной способности оказывается необходимым большое число микрофильтрационных блоков (несколько сотен).

В таком случае схема их взаимного расположения представляет собой отдельную и довольно непростую задачу. В качестве исходных данных для решения такой задачи рассчитывается минимальное значение скорости движения обрабатываемой жидкости в щелевых каналах микрофильтра.

Сущность предлагаемого решения заключается в том, что блоки располагают последовательно соединенными группами, в каждой из которых число блоков близко к требуемому соотношению расходов эмульсии и пермеата.

Каждая группа представлена одной или несколькими ступенями с постоянным числом блоков в них. Это число для каждой последующей группы уменьшается на один, достигая в последней группе единицы. Такая схема позволяет поддерживать скорость движения эмульсии в щелевых каналах не ниже заданного значения, а также свести к минимуму непроизводительные энергозатраты.

Опытные проверки найденных решений проведены на полупромышленной микрофильтра-ционной установке пропускной способностью 0,6 м³/ч, показанной на рисунке.

В качестве первой ступени был использован коалесцирующий сепаратор с фильтрующей загрузкой из нетканого полипропилена.

Схема испытательного стенда УСМ-0,6: 1- сепаратор 1-й ст.; 2 - микро-фильтрационные модули; 3 - регулирующие клапаны; 4 - регулировочный вентиль; 5 - насос; б - ротаметр; 7 - манометры; 8 - пробоотборники; 9 - вакуумный пробоотборник исходной смеси

В качестве загрязняющего нефтепродукта использовались дизельное топливо и мазут. УСМ-0,6 была подвергнута двум видам испытаний: на соответствие требованиям ИМО и на определение ресурса. Всего в процессе испытаний установка отработала 108 часов.

Результаты испытания УСМ-0,6 по программе ИМО

Этап испытаний	Содержание нефтепродуктов в пробах, мг/л
Вид нефтепродукта	Выработано	После	После сепаратора	После
	часов	насоса	1 -й ступени	микрофильтра
Соляр	1	1 588	4,2	1,0
Соляр	2	1677	2,0	1,0
Соляр	3	3 165	9,9	1,0
Соляр	4	51 800	15,0	5,0
Соляр	5	78 950	3,2	1,0
Соляр	6	54 190	32,0	5,0
Мазут	1	3 300	2,9	1,0
Мазут	2	7 280	2,0	1,0
Мазут	3	3 250	3,6	1,0
Мазут	4	41 000	0,1	1,0
Мазут	5	45 500	18	1,0
Мазут	6	31 700	8,5	1,0
Мазут	7	4 000	1,4	1,0
Мазут	8	1 430	9,0	1,0

Результаты замеров и анализов при ресурсных испытаниях УСМ-0,6

ф,	Расход	Давление, кг/см2	t,	Содержание нефтепродукта, мг/л
ч	эмульсии, м3ч	до насоса	после насоса	после 1-й ст	после м/фильтра	°С	до насоса	после насоса	после 1 ступени	после м/фильтра
4	0,3	0,05	0,35	0,30	0,25	22	-	-	-	-
8	0,3	0,05	0,35	0,30	0,25	22	-	350,0	0,7	0,8
12	0,3	0,05	0,35	0,30	0,25	22	2977,5	137,3	0,8	3,9
16	0,3	0,05	0,50	0,30	0,25	22	-	-	-	2,4
20	0,3	0,05	0,50	0,30	0,25	22	-	-	-	0,1
24	0,3	0,28	0,62	0,45	0,40	22	1389,2	235,0	3,9	4,8
28	0,3	0,26	0,65	0,45	0,40	22	389,5	620,8	4,7	10,0
32	0,3	0,23	0,70	0,40	0,35	22	2606,8	106,0	18,5	2,4
36	0,3	0,21	0,70	0,40	0,35	22	360,0	21,5	2,0	1,0
40	0,3	0,22	0,75	0,60	0,45	21	2888,8	364,1	14,0	2,4
44	0,3	0,24	0,78	0,60	0,45	21	1323,3	19,6	3,0	1,0
48	0.3	0,22	0,80	0,55	0,40	21	883,0	-	10,0	4,1
52	0,3	0,23	0,80	0,55	0,45	21	6898,0	-	71,8	12,6
56	0,3	0,20	0,80	0,70	0,40	20	816,1	98,3	34,9	3,8
60	0,3	0,21	0,90	0,70	0,40	21	785,8	126,3	185,2	8,4
64	0,3	0,23	0,80	0,60	0,35	21	684,5	240,5	30,7	9,6
68	0,3	0,20	0,80	0,80	0,40	21	-	-	-	-
72	0,25	0,22	0,95	0,80	0,40	21	168,2	1240,0	59,0	4,4
76	0,3	0,22	1,20	1,00	0,50	21	1032,7	177,1	48,2	4,62
80	0,3	0,22	1,25	1,10	0,50	21	38482,5	49,4	4,2	4,9
84	0,3	0,20	1,30	1,13	0,50	21	1522,8	3190,0	20,2	1,1
88	0,28	0,30	1,40	1,20	0,50	22	158,5	40,8	48,9	2,1
92	0,3	0,22	1,42	1,22	0,50	23	224,0	35,5	14,0	2,1
96	0,3	0,33	1,40	1,30	0,47	23	170,0	150,0	60,0	2,7
100	0,3	0,23	1,60	1,30	0,47	23	552,6	2595,0	41,1	3,0

Полученные результаты доказывают возможность эффективного микро-фильтрационного разделения эмульсий без полупроницаемых мембран.

В шестой главе получены основные уравнения тонкослойной сепарации и описаны основные конструктивные особенности аппаратов. При горизон-тальном расположении канала (sinц=1-частица дрейфует) результи-рующую радиального воздействия потока и поля находят из уравнения

Эта сила перемещает частицу нормально к направлению потока со скоростью V_х, преодолевая сопротивление 6рмr_pV_х.

Из условия баланса этих сил можно найти установившееся значение скорости V_х:



Нормальное перемещение прекратится (V_х= 0), когда действия потока и поля уравновесят друг друга

Это случится, когда координата частицы r₀ будет удовлетворять условию

Двигаясь со скоростью V_х, частица преодолеет участок dr₀= Rdи за время

Когда объёмные силы противодействуют потоку среды в щелевом канале, ориентированном вертикально (sinц = 0), радиальная составляющая суммы этих сил (формула 43) принимает вид

F_x= - 2рr₀(r_р/R)² мV_m

Под действием этой силы частица перемещается нормально к направлению потока с такой скоростью, при которой вязкое сопротивление среды её уравновешивает:

6 рмr_pV_x-2 рмr₀(r_p/R)²V_m=0.

Решая это уравнение, получаем закон перераспределения частиц в вертикальном канале, когда сила Пуазейля ускоряет сепарацию частиц:

(V_x/V_m) = (1/3) (r_p/R) (r₀/R),

относительная скорость нормального перемещения частицы равна половине произведения её относительного размера на координату, а направлено это перемещение к ближайшей стенке.

Особенности конструкций сепараторов. На основе изложенных решений мы сконструировали целую серию сепараторов, основным элементом которых является коалесцирующая загрузка (волокна, гранулы), либо блок параллельных коалесцирующих пластин.

В корпусе сепаратора по а. с. СССР № 1001961 установлена кассета, которая представляет собой блок параллельных пластин 1, ориентированных вертикально. Щелевой зазор между пластинами обеспечивается за счёт калиброванных прокладок 2.

Обрабатываемая смесь поступает в него через патрубок 4 и распределяется по щелевым каналам, которые имеют три участка: вертикальный З₁ где происходит сепарация частиц масла на пластинах 1, поворота З₂, где поток изменяет направле-ние в гравитационном поле, и расширения З₃, где плёнка отсепарированного масла всплывает в верхнюю часть аппарата и выводится через коллектор 5. Очищенная вода выводится через коллектор 6.

Коалесцирующий сепаратор. Требуемая эффективность и пропускная способность аппарата обеспечиваются подбором числа и размеров щелевых зазоров, а также режимов обработки жидкости.

Основное преимущество такого сепаратора - высокая эффективность и пропускная способность, поскольку обе стороны пластины являются рабочими.

В сепараторе (пат РФ 2032443), корпус которого 1 наклонён к горизонтали под углом ц?р/4, размещена кассета из плоских параллельных пластин 2. Кассета повёрнута также вокруг своей оси на угол о ? р/4, так что общий наклон пластин к горизонту ? р/3. Такая конструкция обеспечивает высокую эффективность сепарации трёхфазных смесей, в непрерывном режиме работы.

Наклон и поворот кассеты достигается только при монтаже аппарата. Большой угол наклона пластин облегчает полное самоочищение насадки даже в режиме повседневной работы.

Чтобы обеспечить удаление отсепарированного высоковязкого продукта (мазут, битум, мазеобразный животный жир), пластины следует ориентировать строго вертикально, а поток обрабатываемой смеси направлять в щелевые каналы, под некоторым углом к вертикали.

Сепаратор жиросодержащих вод. В корпусе сепаратора непрерывного действия размещается кассета, образованная блоком параллельных пластин, ориентированных вертикально.

Обрабатываемая жидкость входит через коллектор 1 в одном из верхних углов сепаратора. Выходит очищенная дисперсионная среда через коллектор 3, расположенный в нижнем углу по диагонали от входа, так что направление потока образует с вертикалью некоторый угол. При этом в щелевых каналах, примыкающих к двум другим углам сепаратора, образуются застойные зоны 5 и 6. Варьируя высотой и шириной щелей, можно подобрать оптимальные условия для накопления сепарации в других двух углах в них слоев отсепарированных фаз. Лёгкие углеводороды по мере накопления в верхней застойной зоне 6 отбирают через коллектор 2. А частички более плотные, чем среда, скапливаются в зоне 5 и отбираются через коллектор 4.

Последняя конструкция по сравнению с аналогами позволяет не только эффективно и полностью использовать рабочий объём аппарата (и обе стороны пластин), но удалять накапливающиеся продукты разделения потоком, не прекращая процесса разделения.

Расчёт тонкослойных сепараторов. Время, необходимое для перемещения частицы, измененяющей координату от r₁ до r₂ в вертикальном щелевом канале, можно рассчитать по формуле

Необходимая высота сепарационной зоны (длину пластин) определяется зависимостью

Н = [(2/3)V_m + 2r_p²(с_p - с_с )g/9м] ф.

При скорости потока намного больше, чем скорость Стоксовского витания частиц, можно определить требуемую высоту зоны сепарации из выражения

Н = 3/r_p [R² ln (r₂/r₁) - (r₂ - r₁)²/2].

Граничные координаты сепарируемых частиц определяют условиями:

r₂ = R - r_р и Э=(R-r₁)/R,

где Э - требуемая эффективность сепарации.

В седьмой главе рассмотрены вопросы разделения слоев в отстойнике. Проанализировав силы, способствующие и противодействующие дефор-мации капли «масла», плавающей в воде, удалось вывести аналитическую зависимость размеров капли от плотностей среды и «масла», а также от коэффициента поверхностного натяжения на границе фаз.

Используя эту зависимость, можно, например, определить толщину слоя жирового пятна по его диаметру. Анализ результатов расчёта, применительно к различным маслам, жирам и нефтепродуктам, позволяет разобраться в причинах низкой эффективности не только декантации, но и традиционных средств сбора плавающего слоя углеводородов (воронки, скиммеры).

Результаты выполненного теоретического анализа позволили предсказать априори способ и средства удаления плавающей масляной плёнки с водной поверхности. В 1976 г. был впервые изготовлен нефтежироловитель (НЖЛ) с подвижными коалесцирующими дисками. Результаты испытаний НЖЛ на стенде ЛТИХП в 1980 г. подтвердили предсказанную эффективность сепарации частиц масла и масляной плёнки с помощью вращающихся дисков. Сразу после экспонирования НЖЛ в 1981 г. на ВДНХ он нашёл себе широкое применение во всём мире и для оснащения нефтеловушек, и для ликвидации аварийных разливов.

Пример одной из конструкций НЖЛ показан на рисунке. Неподвижный узел такого сепаратора включает полуцилиндрический корпус 1, секционированный полудисками 2 и снабженный патрубками для входа эмульсии 9 и для выхода очищенной воды 10.

Нефтежироловитель (НЖЛ)

Над патрубком входа эмульсии 9 имеется карман 8 для сбора отсепарированного «масла» с патрубком 11 для отбора «масла» по мере его накопления в кармане. Подвижный узел представлен набором одинаковых дисков 7, насаженных соосно на общий вал 3, который закреплен в подшипниковых узлах 4 так, что половина каждого диска 7 оказывается между двумя неподвижными полудисками 2, образуя узкие щели для прохода разделяемой эмульсии. Вал сепаратора располагают горизонтально, поэтому щелевые каналы оказываются ориентированными вертикально.

Опираясь на одну половину ребер полудисков 2, между подвижными дисками размещены съемные ножи 5, соединяющиеся далее между собой с образованием желоба 6 для стока масла в карман 8, для чего ножи 5 наклонены в его сторону. Вместе с подачей эмульсии через патрубок 9 на разделение приводят во вращение барабан, так чтобы диски и жидкость двигались в одном направлении. Вращение осуществляется с такой скоростью, чтобы диски в любой точке щелевого канала двигались не медленнее, чем жидкость.

Частицы «масла» в восходящем потоке несколько опережают окружающую их дисперсионную среду, поэтому поток стремится оттеснить их в ту часть сечения, где скорость движения среды максимальна, т.е. к диску. К нему и прижимает поток частицы «масла».

За время прохождения того участка щелевых каналов, где диск и жидкость движутся в одном направлении, частицы «масла» должны успеть достичь стенок подвижного диска и смочить их, образовав пленку. Освобожденная от углеводородных частиц вода отводится из аппарата через патрубок 10. По мере коалесценции частиц толщина пленки, покрывающей поверхности дисков, увеличивается, и она начинает сниматься скребками 5 и сдвигаться по наклонному жёлобу 6 в карман 8, откуда извлеченное масло по мере накопления отбирается через патрубок 11.

Не оказывая влияния на сепарацию отдельных частиц «масла», нисходящая часть дисков, как показали дальнейшие исследования, играет очень важную роль в том случае, когда водо-углеводородная смесь расслаивается уже на входе в сепаратор. Образующаяся пленка перекрывает поперечное сечение щелевых каналов и непрерывно смачивает поверхности опускающихся дисков. Наличие неподвижных дисков для сбора масляной плёнки уже необязательно.

Результаты проверки эффективности НЖЛ на лабораторном стенде показали, что очистка воды от взвешенных частиц масла с размерами 20 мкм и более осуществляется практически полная (остаточное содержание масла в очищенной воде соответствует его растворимости).

Принципиальная схема установки очистки сточных вод от плавающего масла (для того случая, когда уровень жидкости в отстойнике должен поддерживаться постоянным) показана на рисунке. Установка включает: сепаратор 1, сборник очищенной воды 2, сепаратор 3 с подвижными коалесцирующими дисками, сборник отсепарированного слоя масла 4 с подогревом 5, сборник отстоявшегося масла 6 и сборник очищенной воды 7.



Схема установки для очистки сточных вод от плавающего «масла».

При разделении смеси воды и масла, например, в тонкослойном отстойнике 1 образуется слой плавающего масла. По мере накопления, он улавливается подвижными дисками сепаратора 3, снимается с них скребками и сдвигается далее по жёлобу в сборник 4. Водный слой перетекает в сборник очищенной воды 2 и направляется на повторное использование.

В восьмой главе рассмотрены возможности интенсификации процессов обезвоживания. Приведена схема пилотной установки обезвоживания вязких нефтепродуктов и результаты её испытания на Киришской ППС. Показано, что формирование плёнки предварительно перегретого вязкого нефтепродукта на вращающихся дисках позволяет практически полностью отогнать из него воду и принудительно выгрузить застывший продукт.

В девятой главе и приложениях приведены сведения о промышленном использовании результатов диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1. Построена математическая модель и исследован механизм взаимодействия жёсткой сферической частицы с потоком вязкой среды в щелевом канале. Найдены причины аномального перераспределения частиц (эффекта Пуазейля). Поток, как сумма элементарных струй с гиперболическим распределением скоростей, действует на сферическую воспринимающую поверхность частицы несимметрично.

2. Рассмотрены различные варианты ориентации канала, направления потока и соотношения плотностей среды и частицы:

· при равенстве плотностей среды и частицы, независимо от ориентации канала, частица отстаёт от потока и оттесняется им в область меньших скоростей - к ближайшей стенке;

· если щелевой канал ориентирован нормально к гравитационному полю, поток оттесняет частицу к ближайшей стенке, независимо от соотношения плотностей компонентов рассматриваемой системы;

· если канал ориентирован вертикально, а направление потока совпадает с направлением поля (нисходящий поток), то к ближайшей стенке он оттесняет только менее плотные частицы, а более плотные частицы, не отстающие от потока, он отгоняет от стенки в область более высоких скоростей;

· восходящий поток в вертикальном канале, напротив, оттесняет к ближайшей стенке более плотные частицы, а менее плотные, не отстающие от потока, он отгоняет от стенки в область более высоких скоростей.

3. Рассмотрение вариантов (п.2.) позволяет не только объяснить причины снижения эффективности тонкослойных отстойников и эффекта концентрационной поляризации, но и сформулировать качественные рекомендации по организации процессов частичной фильтрации и тонкослойной сепарации.

4. Получены аналитические зависимости действия потока от плотностей среды и фазы, от ориентации канала и направления потока и рассчитаны ожидаемые скорости «убегания» частиц от фильтрующей поверхности в вертикально ориентированном канале. Эксперимен-тальные данные (7-ми авторов) о скоростях фильтрации, при которых эффект концентрационной поляризации не наблюдался, практически совпадают с расчётными значений скорости «убегания» частиц. Этот факт свидетельствует о пригодности выбранной математической модели для рассмотрения вза...