Ультразвуковая электрокоагуляционная очистка нефтесодержащих производственных сточных вод

Ультразвуковая кавитация вызывает дегазационный эффект: в образующиеся кавитационные пустоты проникает растворённый газ, который не успевает снова растворится при захлопывании кавитационной полости и образует газовые пузырьки, коагулирующие и всплывающие при достижении достаточно больших размеров.

В кавитационных пузырьках проходят сложные химические процессы с участием молекул воды и растворённых в ней газов.

Акустическое течение представляет собой мощные гидродинамические потоки жидкости, насыщенной кавитационными пузырьками. Акустические потоки возникают вследствие значительного поглощения жидкостью акустической энергии, затрачиваемой на образование и поддержание режима развитой кавитации. Так как возникновение акустических потоков связано с поглощением энергии, их интенсивность определяется величиной энергетических потерь при ультразвуковой обработке, которая в свою очередь, определяется интенсивностью ультразвука и акустическими свойствами среды.

Акустические течения, так же как и кавитация, влияют на свойства жидкости, в частности, приводит к изменению характера температурного поля, вызывая интенсивное перемешивание, выравнивание температуры и интенсификацию конвективной диффузии. Физическая сущность влияния ультразвука на теплообмен при естественной или вынужденной конвекции заключается в проникновении акустических потоков в пограничные ламинарные слои. Это проникновение приводит к деформации, турбулизации и перемешиванию слоёв, в результате чего происходит выравнивание температуры, увеличивается теплообмен со стенками и окружающей средой, растёт коэффициент теплопередачи и скорость теплообмена. Кроме того, если в жидкости присутствуют мелкодисперсные примеси (например, эмульгированные нефтепродукты) под действием ультразвука изменяется трение между ними.

Когда бегущие ультразвуковые волны наталкиваются на препятствие, оно испытывает не только переменное, но и постоянное давление, создающее участки сгущения и разряжения среды. Эти участки являются причиной добавочных изменений давления в среде, возникающих при прохождении ультразвуковых волн, по отношению к окружающему её внешнему давлению. Такое добавочное внешнее давление носит название радиационного давления или давления излучения.

В следствие радиационного давления при переходе ультразвуковых волн через границу раздела фаз (жидкости и воздуха) происходит отрыв отдельных капелек от межфазной поверхности (эффект фонтанирования).

Для оценки влияния ультразвука на процесс электрокоагуляционной очистки сточных вод от нефтепродуктов, помимо рассмотренных явлений необходимо рассмотреть поверхностные и флотационные эффекты, возникающие в гетерофазных системах

2.1.1 Влияние звуковых волн на различные жидкости

К поверхностным эффектам относятся усиление капиллярности жидкости образование капиллярных волн.

Капиллярные явления, как известно, возникают при помещении в жидкость веществ, обладающих развитой сорбционной поверхностью. Если при этом жидкость под действием ультразвука совершает периодические колебания, то капиллярный эффект резко возрастает, высота столба жидкости повышается в десятки раз, значительно увеличивается скорость подъёма. Экспериментально доказано [], что в этом случае жидкость толкает вверх не радиационное давление и капиллярные силы, а стоячие ультразвуковые волны - ультразвук периодически сжимает столб жидкости и поднимает его вверх.

Другим поверхностным эффектом является образование капиллярных волн малой длины на поверхности раздела жидкой и газовой фаз. Параметры капиллярных волн зависят от поверхностного натяжения, и в определённых случаях их амплитуда может превысить некоторые критические значения, при которых поверхность жидкости дробиться на капли.

2.1.2 Влияние звуковых вол различного диапазона на эмульгированные жидкости

Флотационные эффекты ультразвукового воздействия в гетерофазных средах заключаются в воздействии акустического поля на газовые пузырьки, образуемые в процессе флотации, а также в акустическом флотационном эффекте, который состоит в концентрироании взвешенных в жидкости мелкодисперсных частиц вокруг пульсирующих кавитационных пузырьков.

Находясь в звуковом поле кавитационные пузырьки пульсируют в соответствии с колебаниями давления звукового поля. Для наибольших амплитуд колебаний пузырька, когда Р_ат « Р (Р_ат - амплитуда звукового давления) его резонансная частота может быть определена из выражения [3].Для наибольших амплитуд колебаний пузырька, когда Р_ат « Р (Р_ат - амплитуда звукового давления ) его резонансная частота может быть определена из выражения [3]:

(1)

де г - отношение удельных теплоёмкостей для газа в пузырьке; Р - атмосферное давление, у - поверхностное натяжение, R - радиус пузырька [10], р - Плотность пластовой воды.

При частоте звука выше резонансной схлопывание пузырька не происходит и его движение носит сложный характер.

Интенсивность акустического поля определяется так:

(2)

де н - скорость распространения звука в жидкости [4], А - амплитуда колебаний звука [5].

По формуле Релея [6] время схлопывания кавитационного пузырька в поле давления окружающей жидкости Р₀, при радиусе пузырька R₀ -> 0 определяется так:

(3)

где P_о = р*с² - давление окружающей жидкости к моменту образования кумулятивной струйки; R - начальный радиус кавитационного пузырька [7], R₀ - конечный радиус кавитационного пузырька[7].

Скорость распространения кумулятивной струйки при схлопывании кавитационного пузырька с учётом коэффициента кумуляции К может быть расчитанна так [7]:

(4)

Энергия кавитационного пузырька состоит из кинетической энергии Т и потенциальной энергии U [8]:

(5)

где Р=Р_o - Р_п - парциальное давление газа в кавитационном пузырьке, Р_п - давление пара [8], г - показатель политропы, равный 1 в случае изотермических пульсаций и 4/3 - в случае адиабатических [8].

На основании (5) и ряда преобразований энергию схлопывания можно представить в таком виде:

(6)

где dR = R-R₀.

Мощность, которая рассеивается при схлопывании кавитационного пузырька, может быть рассчитана так:

N = E / ф (7)

2.2 Технологические эффекты ультразвуковой обработки

С целью повышения эффективности процесс очистки нефтесодержащего стока в ультразвуковом поле целесообразнее проводить в два этапа: обработка стока (реагента) ультразвуком в режиме развитой кавитации в течение малого времени при нормальном давлении; при этом будет происходить термическое окисление и диспергирование эмульгированного нефтепродукта, а также диспергирование реагента;

проведение процесса флотации в сочетании с ультразвуковой обработкой при интенсивности, примерно соответствующей порогу кавитации, при этом будут протекать процессы акустической флотации; кавитационные пузырьки с радиусом, близким к резонансному, выступают в роли промежуточного транспорта: захватив частицу загрязнителя, такой пузырек под действием сил коагулируется другими пузырьками и затем всплывает на поверхность вместе с частицами загрязнителя; захвату частиц загрязнителя пульсирующим пузырьком могут способствовать акустические потоки и радиационное давление, увеличивающее вероятность встречи газового пузырька и частицы.

Оптимальная интенсивность ультразвуковых колебаний, используемых при очистке, составляет 3....5 Вт/см² для водных растворов и 1....3 Вт/см² для органических растворителей. При очистке деталей и узлов железнодорожного подвижного состава также может использоваться ультразвуковая очистка на стадии использования моющих растворов. В таблице2.1. даны составы водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от видов загрязнений и материала очищаемых изделий.

Таблица 2.1 Состав водных моющих растворов и режимы ультразвуковой очистки в зависимости от материала изделий.

Компонент	Содержание, г/см3	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Загрязнения
Едкий натр Сода кальционарованная Жидкое стекло Нитрит натрия Неионогенное ПАВ	20-30 10-20 20 5-10 0,5-1,5	60-80	Сталь	Жир, консервирующие смазки
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	20-35 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, никель	Полировочные пасты, консервирующие и волочильные смазки, минеральные масла
Кальцинированная сода Жидкое стекло Неионогенное ПАВ	15-20 8-10 3	55-80	То же	То же
Жидкое стекло Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	5-10 10-30 3 0,5-1,5	55-80	Сталь, медные сплавы, алюминий	Масла, жиры, густые смазки и полировочные пасты
Дистиллированная вода		45-55	Полимерные пленки	Механические загрязнения, пыль
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол	30 3 1	60-70	Сталь	Прокатные смазки, закаты, плены, конгломерированные загрязнения
Жидкое стекло НеионогенноеПАВ	5	55-80	Алюминий, латунь	Полировочные пасты, сульфафрезол, эмульсол, стружка, масла, эмульсии олеиновой кислоты, флюсы.
Тринатрийфосфат или кальционированная сода	3-5 5-10	85-95	Кремний, германий	Пицеиновый клей
Деионизированная вода		60-80	Кремний	Удаление абразив- ной суспензии
Тринатрийфосфат Неионогенное ПАВ Сульфанол 25% -ный раствор аммиака в воде	10 3 1 5	60-70	Пластмассы Золото, драгоценные камни	Пемза с веретенным маслом, полировочные пасты

Органические растворители, применяемые при ультразвуковой очистке Таблица 2.2

Раствори-тель	Взрывамость смесей	Предель-ная концент-рация, г/м3	Температура, град. С	Материал очищаемых деталей	Удаляемые загрязнения	Недостатки растворителя
Трихлор-этилен	Не взрыва-ется	0,01	5-70	Все металлы, кроме алюминия	Мин. масла, парафинсмлы, каучук, пасты	Разлагается в воде и при перегреве, токсичен
Четырех-хлористый углерод	Не взрывается	0,02	5-70	Сталь	Мин. масла, парафинсмолы, пасты	Разлагается, токсичен
Фреон-113	Не взрывается	0,8	5-70	Все металлы	То же	Высокая стоимость

Важным фактором доочистки является сорбция. Несмотря на широкое распространение сорбционных процессов в современной химической технологии, их применение в целом ряде процессов ограничено из-за недостаточно высокой емкости сорбентов или же из-за длительности их насыщения.

В многих работах показано, что использование колебаний акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.

Наиболее характерным примером ускорения сорбции при воздействии акустических колебаний является процесс абсорбции газа жидкостью. Известно, что в этом процессе при соприкосновении жидкости и газа на поверхности раздела обеих фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый компонент газовой смеси диффундирует сквозь газовую пленку, обедненную этим компонентом. Эти пленки на границе раздела фаз создают большое диффузионное сопротивление и, как следствие этого, замедляют протекающий процесс.

Для ускорения процесса обычно используют следующие методы или их сочетания: увеличение поверхности контакта; взаимодействие абсорбента с абсорбируемым веществом, влияющее на изменение профиля концентрации в абсорбенте; турбулизация жидкости и газа для создания условий массопереноса под действием турбулентной диффузии. Именно на турбулизирующем действии акустических колебаний и основывается сокращение времени насыщения сорбента в акустическом поле.

Наиболее выгодно применять акустические колебания для интенсификации процесса абсорбции, когда механическая турбулизация жидкости невозможна.

Использование акустических колебаний для увеличения емкости сорбента возможно лишь в случае использования твердого сорбента. Твердые сорбенты, как известно бывают двух типов: микрокристаллические (пористые) со средним размером пор больше 150 Е и смолистые (ионитовые) - с размером пор менее 5 Е.

Увеличение емкости сорбента при воздействии акустических колебаний происходит вследствие того, что кавитационные пузырьки вскрывают новые поры в зернах.

При акустическом воздействии на микрокристаллический сорбент

изменяется не только поверхностный слой зерен, но и капиллярная структура сорбента. В некоторых случаях возможно также повышение некомпенсированных молекулярных сил поверхности, включая поверхность стенок микро- и микрокапилляров.

Вследствие различной механической прочности, время акустического

воздействия подбирается для каждого сорбента индивидуально.

Например, при одноминутном акустическом воздействии на анионит АВ-17 величина сорбционной емкости не изменилась и осталась равной 144 мг/г. Одноминутное акустическое воздействие на анионит ЭДЭ-10П поднимает его сорбционную емкость со 134 до 152 мг/г. При 15-минутном воздействии емкость анионита АВ-17 возрастает до 190 мг/г, а анионита ЭДЭ-10П падает до исходной вследствие разрушения поверхности зерен.

При применении твердого сорбента акустические колебания также способны значительно интенсифицировать процесс сорбции. Это происходит в результате снятия диффузионных ограничений в поверхностном адсорбционном слое и выравнивания концентрации при перемешивании жидкости. Данные по сорбции иона натрия из раствора на катионите СГ-1 (рН=8) свидетельствуют о том, что акустическое воздействие повышает скорость сорбции примерно в два раза.

Ультразвуковые технологии были бы удачной альтернативой традиционным методам, использующим химикаты типа хлора для

избавления от органических соединений. Несомненные преимущества этого метода: отсутствие дополнительных реагентов и легкость его применения на практике. Он не требует от операторов высокой квалификации.. Эта система к тому же очень устойчива. Ультразвуковые системы работают при разных условиях, выдерживая большие разницы температур.

2.3 Использование ультразвука в процессах очистки от эмульгированных нефтепродуктов

1. Гидродинамические кавитационные технологии обработки любых типов жидкосткей.

Сам процесс возникает в тех участках потока, где давление понижается до некоторого критического значения. Присутствующие в жидкости пузырьки газа или пара, двигаясь с потоком жидкости и попадая в область давления меньше критического, приобретает способность к неограниченному росту. После перехода в зону пониженного давления рост прекращается и пузырьки начинают уменьшаться. Если пузырьки содержат достаточно много газа, то при достижении ими минимального радиуса, они восстанавливаются и совершают несколько циклов затухающих колебаний, а если мало, то пузырек схлопывается полностью в первом цикле. Таким образом, вблизи обтекаемого тела создается кавитационная зона, заполненная движущимися пузырьками. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом, тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырек.

1. Водо-мазутные эмульсии

При хранении и подогреве мазута потребитель получает мазут с повышенным содержанием влаги. Обводненный мазут, содержащий твердые фракции, имеющий повышенную температуру вспышки и другие отклонения от норм, нарушает режим горения, загрязняет поверхности нагрева, повышает недожог топлива, образует отложения несгоревших частиц кокса по газовому тракту, может привести к обрыву факела и аварийному останову оборудования.

В настоящее время стоит вопрос и о нейтрализации промышленных сбросных потоков, загрязненных органосодержащими веществами. Кроме того, применяемые сейчас методы организации процесса сжигания топлива, преследующие цель подавление образования NO, СО, SO₂, способствуют усиленному образованию высокомолекулярных углеводородов С₂₀Н₁₂. Тем не менее наличие в дымовых газах бензапирена или диоксинов может быть значительно опаснее для биосферы, чем выбросы N_o или SO₂.

Благодаря гидродинамическому кавитационному воздействию мазут превращается в гомогенную суспензию, в которой полностью перемешаны находившиеся в нем легкие и тяжелые (битумные) фракции, а также вода. Это улучшает работу горелочных: насадки меньше закоксовываются, факел становится однородным и не пульсирует, уменьшается количество сажи. Форсунки стабильно функционируют при снижении нагрузки. Сводится к минимуму негативное влияние воды, присутствующей в мазуте.

Если при сжигании заменить мазут на водо-мазутную эмульсию с содержанием воды до 10%, то удается сэкономить около 5% мазута без каких-либо ухудшений технологических характеристик котлов. Имеется возможность замены дорогостоящих сортов мазута на низкосортные; при их использовании в составе водо-мазутных эмульсий сохраняются все основные физико-механические свойства топлива (теплота сгорания, вязкость и др). ~ дисперсность смеси 0,1-0,2 микрон

3. Получение гомогенезированного (смесевого) бензина и другого топлива

Обычное топливо, помимо углеродов, содержит также молекулы воды, парфины, молекулы серы и механические примеси. Большая часть молекул топлива находится в полимеризованном (связанном) состоянии. При поджигании такой смеси процесс горения начнется на активной стороне каждого большого, «слипшегося» полимерного звена. При этом процесс горения будет тормозиться при столкновении с водяными полимерными молекулами, а сгорание парафинов или серы будет неполным, что приводит к замедлению горения, токсичным отходам и неполному сгоранию топливной смеси в целом. Гидродинамическая кавитационная обработка топлива приводит к целому ряду положительных изменений, влияющих на его калорийность и качество сгорания.

2. Изготовление консервирующих смазок.

Практика изготовления консервирующих смазок на основе нефтепродуктов показала, что структурные изменения (упорядоченная структура длинных связей парафина, церезина) позволили получить продукцию нового качества. Уменьшилась дисперсность, увеличилась гомогенность и проникающая способность дисперсность смеси 0,1-0,2 микрон.

3. ВЫБОР ТЕХНОЛОГИЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОКОВ ПРЕДПРИЯТИИЙ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА С ПОМОЩЬЮ ЭЛЕКТРОФЛОТАЦИИ В УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ

3.1 Способы очистки сточных вод с помощью электрофлотации в ультразвуковом поле

Прецизионная очистка и обезжиривание. Под воздействием ультразвука определенной интенсивности на жидкость возникает кавитация (возникновение и взрыв множества микроскопических пузырьков). При взрыве пузырька на поверхности какого-либо изделия, погруженного в раствор, происходит выделение колоссальной энергии на микроуровне, что приводит к интенсивному отделению различных загрязнений. Данная технология позволяет добиться высокой степени очистки и реализуется с помощью ультразвуковых ванн с вмонтированными, либо с погружными излучателями. Применение ультразвука в ряде случаев позволяет отказаться от применения химически агрессивных и экологически вредных растворов.

В серийном производстве находят применение специализированные промывочные комплексы. Комплекс состоит из узлов, монтируемых по модульному принципу, использование которого обеспечивает широкий круг технологических возможностей под конкретные условия Заказчика. Узлы объединяются в механизированную или автоматическую линию очистки поверхности изделий после операций изготовления. Комплекс в общем случае состоит из ультразвуковой ванны для очистки, ополаскивающей ванны для финишной промывки, камеры сушки очищенных изделий, транспортного манипулятора, системы автоматического контроля и управления.

Для непрерывной прецизионной очистки прокатных изделий (проволока, лист, провод) применяются специализированные ультразвуковые линии. Модули очистки и промывки представляют собой устройства с подачей моющего раствора и одновременным наложением мощных ультразвуковых колебаний. После модуля промывки имеется сушильная камера. На выходе линии, при необходимости нагрева изделия перед покрытием, может быть установлена система индукционного нагрева. Линия встраивается непосредственно на выходе прокатного оборудования, либо выносится на отдельный производственный участок и оснащается своими механизмами подачи.

Очистка металлических труб (3) от различных производственных и эксплуатационных загрязнений осуществляется с помощью комплекта из двух ультразвуковых инструментов (1), оборудованных каналами для подачи моющего раствора (4). Очистка внешней поверхности производится торцевым магнитострикционным излучателем с акустическим трансформатором, соответствующей конструкции и отражающей накладкой (2) с противоположной стороны трубы. Очистка внутренней поверхности трубы производится снарядом, состоящим из ультразвукового излучателя и акустического трансформатора преобразующего фронтальные колебания торца излучателя в радиальные. Механизм подачи обеспечивает движение трубы через узлы очистки внешней и внутренней поверхности со скоростью обеспечивающей требуемый уровень очистки. На входе может устанавливаться индукционный нагреватель (5) для размягчения нефтяных и парафиновых отложений.

Дополнительно для экономии средств и улучшения экологической обстановки вышеперечисленные установки могут оснащаться системами фильтрации и регенерации рабочих растворов. Для снабжения модулей промывки дистиллированной водой в комплекте может быть поставлен промышленный дистиллятор.

Дегазация расплавов. При воздействии ультразвука на расплав значительно увеличивается интенсивность процесса образования пузырьков растворённого газа, и в результате, его содержание может быть снижено в двое и более, даже если ультразвуковая обработка кратковременна. Возникновение газовых пузырьков в расплаве сопровождается флотацией рассеивающихся твёрдых неметаллических включений, что увеличивает плотность литья и текучесть расплава, позволяя проникать в самые маленькие выемки литейной формы. Кроме дегазации, наблюдается значительное уменьшение зерна, что приводит к дополнительному улучшению физико-механических свойств отливки. Обработка расплава обычно производится непосредственно перед разливкой и может осуществляться как в стационарном объёме печи или раздаточного ковша с помощью погружных излучателей с рабочим инструментом из тугоплавких материалов, так и путём «озвучивания» металла в протоке посредством специального лотка или при помощи многослойных экранных фильтров из стеклоткани которые обеспечивают, кроме дегазации ультразвуком, фильтрование расплава. Технология применима для легкоплавких металлов малой плотности и их сплавов.

Интенсификация гальванических и химических процессов. Под воздействием ультразвука в процессах (меднения, никелирования, хромирования, кадмирования, цинкования, серебрения и т.д.) снижается водородная поляризация и облегчается разряд ионов, т.о. обеспечивается повышение катодной плотности тока, ускоряется отложение покрытий. Фактически ультразвук увеличивает активную площадь катода в 3 раза. Покрытие получается равномернее и толще в несколько раз, улучшается его адгезия к подложке. Технология реализуется с помощью погружных ультразвуковых излучателей с фронтальным типом излучения. Приведённый график иллюстрирует резкое повышение скорости осаждения покрытия под воздействием ультразвука (кривая 1) по сравнению с традиционными установками (кривая 2).

Сегодня катализаторы - самый распространенный элемент химических технологий. Но мало кто знает, что сходных, причем специфических эффектов можно добиться с помощью мощных ультразвуковых колебаний. Кроме того, ультразвук способен интенсифицировать многие физические и физико-химические процессы, на которые катализаторы вообще не влияют. Конструктивно соответствующие установки выполняются в виде стационарных объёмов (например ультразвуковые ванны), либо в виде систем с погружными излучателями.

Приготовление эмульсий и суспензий. Под воздействием ультразвука на смесь взаимно нерастворимых жидкостей происходит переход одной жидкости в дисперсное состояние в среде другой - эмульгирование (ультразвуковое диспергирование жидкости в жидкости). Стойкость эмульсии, полученной ультразвуком, значительно превышает стойкость систем полученных другим путём. Возможно получение устойчивых взвесей и порошков в жидкости - суспензий. Технология реализуется с помощью ультразвуковых ванн или ультразвуковых установок с погружными излучателями, при больших объёмах производства используются проточные установки.

Ультразвуковая пропитка. Основана на звукокапиллярном эффекте. При этом, пропитанная жидкость как бы «вгоняется» в капилляры и время пропитки сокращается в десятки раз. Этот способ используют для пропитки электротехнических изделий: обмоток трансформаторов, роторов, статоров, катушек и др., а также для герметизации литых пористых деталей. В результате время пропитки сокращается в несколько раз, и в ряде случаев достаточно одноразовой пропитки вместо многократной.

Ультразвуковое экстрагирование. Основным технологическим процессом извлечения биологически активных веществ является экстракция. Под воздействием ультразвуковых колебаний наблюдается не только ускорение процесса во времени, но и увеличение, по сравнению с другими способами экстрагирования, выхода биологически активных веществ.

Сварка полимеров и металлов. Наиболее перспективная технология соединения полимерных материалов - сварка при помощи ультразвука. Ультразвук позволяет: производить сварку фасонных изделий из жестких пластмасс на большом удалении от места ввода ультразвука (до 200-250 мм); производить сварку многослойной конструкции из мягких пластмасс и армированных тканей из искусственных материалов; производить сварку полимеров, которые не свариваются или плохо свариваются другими способами сварки; производить прецизионную закладку металлических деталей в пластмассу; производить сварку полимеров по загрязненным поверхностям, не требуя их предварительной очистки и обезжиривания.

Основным преимуществом ультразвуковой сварки металлов является узкая направленность теплового воздействия и высокая повторяемость результатов, что особенно важно при крупносерийном и поточном производстве. Кроме того, ультразвуковое воздействие исключает значительное тепловое и световое излучение при сварке, отсутствуют расплавленные массы металла. Ультразвук позволяет сваривать однородные и разнородные металлы различной толщины. Технология наиболее широко распространена в электронной промышленности.

Прошивка отверстий и размерная обработка хрупких материалов. Технология позволяет осуществить прошивку отверстий и углублений различной конфигурации и размеров в изделиях изделий из камня, стекла, фарфора, керамики, ферритов и других хрупких материалах с помощью абразивного порошка и инструмента, колеблющегося с ультразвуковой частотой.

Обработка призабойных зон скважин. Эффект от воздействия ультразвука на призабойную зону скважины состоит в следующем: разрушаются отложения солей на стенках пор, что увеличивает проницаемость пласта, происходит акустическая дегазация и устраняются газовые пробки в капиллярах, разрушается тормозящий электростатический слой, снижается поверхностное натяжение жидкости в капиллярах, снижается вязкость жидкости. Комплект оборудования состоящий из ультразвукового генератора и излучателя-снаряда специальной конструкции, размещается на геофизическом автомобиле с бухтой каротажного кабеля длиной до 5 км (например КТ 7-70-180).

3.2 Технологическая схема установки для очистки нефтесодержащих стоков с помощью ультразвука

Обычное топливо или водянисто-грязе-парафиновая топливная смесь. Большая часть молекул топлива находится в полимеризованном (связанном) состоянии. При поджигании этой смеси, процесс горения начнется на активной стороне каждого большого, «слипшегося» полимерного звена. При этом, процесс горения будет тормозиться при столкновении с водяными полимерными молекулами, а сгорание парафинов или серы будет не полным, что приводит к замедлению горения, токсичным отходам и неполному сгоранию топливной смеси (мазута) в целом. Степень экономии мазута зависит только от дополнительных катализаторов, дорогих специальных мазутных форсунок, и других аппаратных методов. Несгоревший мазут откладывается на поверхностях теплообменников и резко снижает кпд котла

Размешивание, такой смеси, даже интенсивное, незначительно, изменяет длину полимеризированных молекул воды и топлива, временно перемешивает смесь, но не разрушает парафиновые цепочки и не приводит к созданию мелкодисперсной эмульсии. При этом, размешивание требует длительного времени, больших затрат энергии, а время для восстановления топлива до исходного состояния очень короткое. Кавитационная обработка в ультрозвуковом поле, приводит к целому ряду последствий -

- Молекулярные полимерные цепочки органического топлива рвутся, при этом образуется большое количество активных сторон молекул, которые вступают в процесс окисления происходит разрыв связей самих молекул, с образованием свободных радикалов, которые имеют гораздо большую способность к возгоранию, чем замкнутые молекулы. (Такое явление принципиально не возможно при любом размешивании).

- Полимерные цепочки молекул воды разрушаются, вода переходит в мелкодисперсное состояние (что не тормозит горение так как крупные вкрапления воды) с образованием свободных радикалов H и OH, которые участвуют в процессе горения значительно активнее и образуют нестабильные, легко окисляемые соединения со свободными радикалами органического топлива.

- Полимерные цепочки серы и парафинов не только рвуться, что так же ускоряет горение полученной эмульсии, но сера и парафин, в мелкодисперсном виде и в просессе кавитационного дробления, образуют Поверхностно-Активные-Вещества (ПАВ), которые, как контейнер окружают микрочастицы эмульсии и препятствуют их дальнейшему слипанию.

Физически, когда микро капсула с водой влетает в раскаленный мазутный котел, "капля" не испаряется а взрывается.

При этом

- происходит дополнителное перемешивание горящего мазута - выделяется атомарный кислород и водород который является и дополнительным топливом и окислителем.Таким образом, разницу между горением обычного сухого мазута и водо-мазутной смеси, можно сравнить как разницу в горении - деревянной доски и равной по массе куче спичек.

Если мазут содержит влагу, то аналогия более интересна -влажная доска и куча спичек с рюмкой бензина все эти факторы и приводят к значительной экономии мазута, увеличению к.п.д. котла, снижению вредных выбросов.

3.3 Использование ультразвука в реагентных методах очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий железнодорожного транспорта

Несмотря на широкое распространение сорбционных процессов в современной химической технологии, их применение в целом ряде процессов ограничено из-за недостаточно высокой емкости сорбентов или же из-за длительности их насыщения. В многих работах показано, что использование колебаний акустических колебаний в процессах сорбции позволяет резко сократить продолжительность насыщения сорбента, а в некоторых случаях и увеличить его емкость.

Наиболее характерным примером ускорения сорбции при воздействии акустических колебаний является процесс абсорбции газа жидкостью. Известно, что в этом процессе при соприкосновении жидкости и газа на поверхности раздела обеих фаз образуется жидкостная и газовая пленки. Растворимый компонент газовой смеси диффундирует сквозь газовую пленку, обедненную этим компонентом. Эти пленки на границе раздела фаз создают большое диффузионное сопротивление и, как следствие этого, замедляют протекающий процесс.

Для ускорения процесса обычно используют следующие методы или их сочетания: увеличение поверхности контакта; взаимодействие абсорбента с абсорбируемым веществом, влияющее на изменение профиля концентрации в абсорбенте; турбулизация жидкости и газа для создания условий массопереноса под действием турбулентной диффузии. Именно на турбулизирующем действии акустических колебаний и основывается сокращение времени насыщения сорбента в акустическом поле.

Наиболее выгодно применять акустические колебания для интенсификации процесса абсорбции, когда механическая турбулизация жидкости невозможна.

Использование акустических колебаний для увеличения емкости сорбента возможно лишь в случае использования твердого сорбента. Твердые сорбенты, как известно бывают двух типов: микрокристаллические (пористые) со средним размером пор больше 150 Е и смолистые (ионитовые) - с размером пор менее 5 Е.

Увеличение емкости сорбента при воздействии акустических колебаний происходит вследствие того, что кавитационные пузырьки вскрывают новые поры в зернах.

При акустическом воздействии на микрокристаллический сорбент изменяется не только поверхностный слой зерен, но и капилярная структура сорбента. В некоторых случаях возможно также повышение некомпенсированных молекулярных сил поверхности, включая поверхность стенок микро- и макрокапиляров.

Вследствие различной механической прочности, время акустического воздействия подбирается для каждого сорбента индивидуально.

Например, при одноминутном акустическом воздействии на анионит АВ-17 величина сорбционной емкости не изменилась и осталась равной 144 мг/г. Одноминутное акустическое воздействие на анионит ЭДЭ-10П

поднимает его сорбционную емкость со 134 до 152 мг/г. При 15-минутномвоздействии емкость анионита АВ-17 возрастает до 190 мг/г, а анио нита ЭДЭ-10П падает до исходной вследствие разрушения поверхности зерен.

При применении твердого сорбента акустические колебания также способны значительно интенсифицировать процесс сорбции. Это происходит в результате снятия диффузионных ограничений в поверхностном адсорбционном слое и выравнивания концентрации при перемешивании жидкости. Данные по сорбции иона натрия из раствора на катионите СГ-1 (рН=8) свидетельствуют о том, что акустическое воздействие повышает скорость сорбции примерно в два раза.

Специальная аппаратура для процессов акустической сорбции в настоящее время не выпускается, поэтому используются акустические аппараты, выпускаемые для других целей. При использовании твердого сорбента, в связи с трудностью проникновения акустических колебаний вглубь слоя сорбента, применяют аппараты с большой излучающей способностью (ванны).

Во избежании разрушения сорбента при воздействии акустических

колебаний необходим постоянный контроль процесса.

3.4 Исследование влияния ультразвуковой обработки на эффективность удаления нефтепродуктов

Мощный ультразвук является уникальным экологически чистым средством стимуляции физико-химических процессов современной технологии.

Ультразвуковые колебания частотой 20 000 - 60 000 Герц и интенсивностью свыше 0,1 Ватта / кв. см - мощный ультразвук - могут вызывать необратимые изменения в среде распространения.

Мощный ультразвук; является средством активного воздействия на протекание химических реакций, стимуляцию тепло-, массообменных процессов в веществах, на структуру твердых тел и процессы их контактного взаимодействия. Возможность использования ультразвука в различных физико-химических технологических процессах зависит от явлений одной и той же природы, таких, как кавитация, акустические течения, эрозия поверхности твердого тела (при воздействии на гетерогенные системы жидкость - твердое тело) etc. Проведенные Центром Ультразвуковых Технологий исследования показали, что мощный ультразвук может быть эффективно использован в следующих областях:

Горное дело, гидро- и пирометаллургния.

Нефтяная и газовая промышленность.

Традиционная и альтернативная энергетика.

Строительное и автодорожное дело.

Машиностроение, электро- и радиотехника.

Химическая технология и биотехнология.

Сельское хозяйство, пищевая и легкая промышленность.

Коммунальное хозяйство.

Технологии, связанные с защитой окружающей среды.

В нефтяной и газовой промышленности мощный ультразвук может быть эффективно использован в следующих направлениях:

Рекуперация нефтяных скважин, экстракция вязкой нефти.

Подготовка буровых растворов.

Процессы разделения в системе песок - тяжелая нефть.

Повышение жидкотекучести нефти

Восстановление катализаторов, используемых при переработке нефти.

Низкотемпературный крекинг нефти и т.д.

Интенсификация процессов гидрообессеривания нефтепродуктов

Иследования показали, что в процессах, связанных с защитой окружающей среды, мощный ультразвук может быть эффективно использован в следующих технологиях:

Ультразвуковая интенсификция процессов очистки сточных, поверхностных и подземных вод.

Ультразвуковые методы рекуперации водозаборных скважин, подготовка питьевой воды.

Мощный ультразвук в процессах очистки загрязненных почв.

Ультразвуковые методы стимуляции процессов переработки вторичного сырья.

Мощные ультразвуковые колебания могут быть применены для процессов очистки сточных вод и водоподготовки. Еще более значительные эффекты наблюдаются при комбинированном использовании нескольких физико-химических методов (ультразвук и ультрафиолет, ультразвук и озон и т.д.). Так, в частности, использование ультразвука в процессах реагентной флотационной очистки нефтесодержащих сточных вод, сточных и подземных вод, загрязненнных

нефтепродуктами, тяжелыми металлами, позволит ускорить процессы очистки в 3 - 4 раза и увеличить ее глубину, сократить необходимые для размещения оборудования площади. Разработка новых комбинированных физико-химических (ультразвуковых) процессов очистки подземных кислых рудных вод и переработки твердых промышленных отходов позволит ускорить процессы очистки в 3 - 5 раза и существенно увеличить ее глубину Ультразвуковые колебания могут стимулировать процессы переработки отходов птицефабрик, биологически активного ила при получении биогаза, электроэнергии, органических удобрений, применяемых для получения экологически чистых сельскохозяйственных продуктов.

Ультразвуковые методы могут быть эффективно использованы при разработке новых комбинированных физико-химических процессов очистки почв, загрязненных нефтепродуктов, стойкими органическими веществами и радионуклидами. Ультразвуковое воздействие дает возможность повысить эффективность отделения нефтепродуктов от песка, окалины.

В последние годы при строительстве и реконструкции различного рода станций нейтрализации и очистных сооружений широкое распространение получил гальванокоагуляционный способ очистки сточных вод от тяжёлых металлов, нефтепродуктов и других органических загрязнений. Для реализации этого способа применяются проточные аппараты барабанного типа (гальванокоагуляторы), работающие в непрерывном режиме методом микроферритизации с использованием магнетита, получаемого электрохимическим путём непосредственно во вращающихся барабанах. В основе процесса лежит принцип работы короткозамкнутого гальванического элемента «железо-медь» или «железо-кокс», помещённого в очищаемый раствор. Экспериментально выявленное существенное повышение активности наработанных в гальвано коагуляторе кристаллов при ультразвуковом воздействии позволило разработать новую технологию очистки значительных объёмов загрязнённых вод в специальных реакционных аппаратах. При этом, гальванокоагулятор является практически разработчиком железосодержащего реагента, в основном, магнетита. Эффективность новой технологии и данные, полученные в процессе обследования этого и подобных объектов, легли в основу разработки промышленного образца автономного синонимического комплекса очистки загрязнённых вод, который легко вписывается в инфраструктуру участков мойки действующих предприятий обеспечивая возможность повторного использования очищенной воды, что позволит не менее чем в 6ч8 раз снизить общее водопотребление.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Выводы и постановка задачи

Анализ существующих методов и сооружений очистки нефтесодержащих стоков на предприятиях железнодорожного транспорта показал:

Недостатками традиционных методов очистки воды от нефтепродуктов являются высокая стоимость, малая производительность, большие расходы энергии, воды и пара, необходимость наличия очистных сооружений большого объема или дорогостоящего оборудования для отделения нефтепродуктов

Эффект очистки с доочисткой составляет не более 80 %.

нефтеловушки, отстойники и гидроциклоны хотя и являются наиболее применяемыми методами очистки нефтесодержащих стоков на сегодняшний день, но из-за больших габаритов требуется выделять для них большие территорий а также значительные затраты для их эксплуатаций.

Доочистка нефтесодержащих стоков производится на фильтрах, но недостатком всех рассмотренных фильтров (кроме пенополиуретановых) является то, что в результате их регенерации образуются высокоэмульгированные и весьма стойкие эмульсии, существенно затрудняющие утилизацию выделенных нефтепродуктов.

Общий недостаток тонкослойных отстойников - необходимость создания емкости для предварительного отделения легко отделимых нефтяных частиц и больших сгустков нефти, окалины, песка и др. Сгустки имеют нулевую плавучесть, их диаметр может достигать 10-15 см при глубине в несколько сантиметров. Такие сгустки очень быстро выводят из строя тонкослойные отстойники. Если часть пластин или труб будет забита подобными сгустками, то в остальных повысится расход жидкости. Такое положение приведет к ухудшению работы отстойника.

В настоящее время реальными практическими методами, обладающими необходимым потенциалом очистки нефтесодержащих стоков с малым объемом и большой концентрацией является создание компактных установок.

Для очистки от нефтепродуктов, находящихся в эмульгированном состоянии, необходимы методы, позволяющие изменить агрегатное состояние вещества. Одним из таких методов является обработка эмульгированных сточных вод ультразвуком в сочетании электрокоагуляцией.

Таким образом, задачей настоящих исследований является разработка модуля ультразвуковой обработки нефтесодержащих сточных вод в комплексной установке очистки и влияния на ультразвука на очистку при различных сочетаниях методов и связанных с ними сооружений.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Доклад Президента Республики Узбекистан Ислама Каримова на заседании Кабинета Министров, посвященном основным итогам 2011 года и приоритетам социально-экономического развития на 2012 год. «Народное слово» 20.01.2012г.

2.И.А.Каримов "Узбекистан на пороге XXI века"."Экологические проблемы".

3.Законы Республики Узбекистан "О воде и водопользовании", 1993 г.

4.Исходные данные (Рекомендации) для проектирования технологии очистки промышленных сточных вод Бухарского Нефтеперерабатывающего завода - ТАШНИИ ВОДГЕО. Т 1995.

5.Айзатулин Т.А., Лебедев Ю.М. Моделирование трасформации органических загрязнений в экосистемах и самоочищения водотоков и водоемов./ В сб. Общая экология. Биоценология. Гидробиология. - ВИНИТИ -М: 1977, Т.4.-С.8-75.

6..Бойченко М. М. О формировании качество воды./ Биологические науки -М: 1975 N4 (136) с. 74- 78

7Винберг Т.Г., Остапеня П.В., Сивко Т.Н., Левина Р.У. Биологические пруды в практике очистки сточных вод. Минск. Беларусь. 1966-231 с.

8Законы Республики Узбекистан "О воде и водопользовании" от мая 1993 г.

9.Справочник проектировщика. Канализация населенных мест и промышленных предприятий. М: Стройиздат. 1981. 637 с.

10.Королев А.А. О возможности прогнозирования спуска сточных вод в водоемы с учетом вредного влияния продуктов трасформации -гигиена и санитария. 1978, N2,c.l0-12.

11.Ю.Теметченко М.М. О формировании биологически полноценной воды гидробионтами. /В сб. Биологическое самоочищение и формирование качества воды. М: Наука. 1975, с 9-14

12.Проскурняков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л: Химия. 1977 - 464с.

13.Кутикова Л.А., Фауна аэротенков - Л: Наука. 1984. - 263 с.

14.Исходные данные (Рекомендации) для проектирования технологии очистки промышленных сточных вод Бухарского Нефтеперерабатывающего завода - ТАШНИИ ВОДГЕО. Т 1995.

15. Н.Митин Б.А. Особенности конструирования и эксплуатации фильтров для очистки промышленных стоков. Реф. сб. 2П4 Сантехпроект, М, №2 (97), 1975.

16.Кравцова Н.В. Исследование процессов доочистки биохимически очищенных сточных вод промпредприятий на скорых фильтрах (Диссертация), М.

17.Смирнова Д.Д., Бурмистрова Н.В. и др. Гигиеническая оценка

доочистки городских сточных вод на фильтрах с зернистой загрузкой. Сб. науч.тр. ин - та общ. И коммун гигиены. 1977. №5. 79-81 с.

18Море Ж. Конструкция, эксплуатация и эффективность прудов для биологической очистки сточных вод. Бюллетень всемирной организации здравоохранения. М: Медицина, 1966, т. 34. с. 745-777 с.

19.Родзиллер И.Д., Зотов В.М. К расчету биологических прудов доочистки сточных вод. Проектирование водоснабжение и канализации. Информационный реферативный сборник. Вып. 4(73). Сер IV-М. 1971. 16-24 с.

20.Телитченко М.М., Телитченко Л.А. Биологические пруды в практике очистки сточных вод. - Водные ресурсы. 1974. № 6. 126-134 с.

21. Некрасов В.Г., Кассихин С.Д., Климашевский И.П. О качестве трансформаторных масел для высоковольтных вводов и их надёжности. Электрические станции. - 1996. - №8. - С. 79-81.

22. Липштейн Р.А., Шахнович М.И. Трансформаторное масло. - М.: Энергоиздат, 1983. - 273 с.

23. Липштейн Р,А., Глазунова Т.В., Довгополый Е.Е. Шведские трансформаторные масла фирмы "Nynas" марок Nitro 11GX и Nitro 10 X // Электрические станции. - 1998. - №1. - С. 61-64.

24. Хабибуулина Л.Р., Коваль А.В., Тутубалина В.П. Анализ методом газовой хроматографии газосодержания трансформаторного масла. // Известия ВУЗов. Проблемы энергетики. - 2002. - №11-12. - С. 100-103.

25. Сагдуллаев Д.И. «Очистка маслосодержащих стоков предприятий ж/д транспорта». Магистерская диссертация. 2008.

26. Гальперина И. "Основные процессы и аппараты химической технологии, М.: Химия, 1981, стр.612-636.

27. Чепулис.А. патент РФ № 2171711 2001.08.10 изобретение Способ отделения и/или очистки твердого, жидкого или газообразного субстрата от органических примесей (в соавторстве).

28. Романова О.Н. Исследование и разработка метода ультрафильтрации для очистки нефтесодержащих сточных вод/ Автореферат на соиск. уч. ст.к.т.н. - М:2007.

Размещено на Allbest.ru

...