Кинетика процесса экстракции нефтепродуктов из воды тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Иванов, Дмитрий Александрович

• Иванов, Дмитрий Александрович
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Иванов, Дмитрий Александрович

Обозначения.

Введение.

ГЛАВА I. Литературный обзор и постановка задачи исследования.

1.1. Особенности загрязнения окружающей среды нефтепродукми.

1.2. Краткий обзор существующих методов очистки сточных вод от нефтепродуктов.

1.3. Кинетика процесса экстракции согласно традиционной механике сплошной среды.

1.4. О неоркальной версии термодинамики.

1.5. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования.

ГЛАВА II. О кинетике процесса массопередачи на примере извлечения нефтепродуктов из воды органическим растворителем.

2.1. Классический подход не основе механики сплошной среды.

2.2. Нелокальная кинетика.

2.3. Поверхность массопередачи.

2.4. Сравнение классического и нелокального подходов для определения основных кинетических параметров массопередачи.'.

ГЛАВА III. Экспериментальная часть.

3.1. Цели и задачи эксперимента.

3.2. Выбор растворителя.

3.3. Описание и принцип работы экспериментальной установки.

3.4. Степень извлечения нефтепродуктов.

3.5. Характеристика дисперсной фазы.

3.6. Оценка поверхности массообмена.

3.7. Нелокальный подход к методике масштабного перехода.

3.8. Технологическая схема промышленной установки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Кинетика процесса экстракции нефтепродуктов из воды»

Нефть и нефтепродукты в настоящее время являются одними из основных загрязнителей рек и внутренних водоемов, вод и морей Мирового океана, поэтому очистка промышленных сточных и ливневых вод от нефтепродуктов — это одна из актуальных экологических проблем.

К существенным причинам загрязнения водоемов углеводородами относятся:

- активная эксплуатация портовых сооружений;

- сброс в водоемы неочищенных, либо недостаточно очищенных промышленных сточных и ливневых вод из автохозяйств, предприятий автосервиса, АЗС, котельных, а также крупных промышленных предприятий, использующих нефтепродукты в качестве топлива, смазочных материалов и технологических жидкостей.

В настоящее время существует большое многообразие методов и подходов к ликвидации загрязнений, вызванных проливами нефтепродуктов. Наибольшее распространение получили в основном физико-химические способы (коагуляция, флокуляция, флотация и др.) и биологические методы очистки нефтесодержащих сточных вод! При относительно высоком содержании в сточных водах растворенных органических веществ эффективным методом очистки сточных вод во многих случаях является экстракция растворителями.

Целью исследования являлось определение режимных и конструктивных параметров процесса экстракционной очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием низкокипящих экстрагентов. Апробирование новых методов расчета кинетики процесса экстракции на основе нелокальной версии термодинамики (НВТ).

Задачи исследования. В соответствии с поставленной целью в задачи исследования входило:

- выбор рациональных режимных и конструктивных параметров процесса;

- сравнение эффективности двух способов теоретического описания кинетики процесса экстракции: методами традиционной механики сплошной среды и с применением расширенной версии термодинамики, основанной на дискретизации параметров (нелокальная версия термодинамики).

Научная новизна работы непосредственно вытекает из целей исследования и заключается в освоении и продвижении в исследовательскую практику концепции дискретного подхода, как альтернативы классической теории сплошной среды.

Практическая значимость научных результатов. Выбраны конструктивные и режимные параметры процесса экстракционной очистки сточных вод от нефтепродуктов с использованием низконизкокипящих растворителей в аппарате с мешалкой. Проведена оценка эффективности работы экстрактора с использованием нелокальной версии термодинамики.

Апробация работы. Результаты работы были доложены и обсуждались на III Международной научно-практической конференции-выставки «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Донецк - Авдеевка, май 2005 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Большая нефть XXI века», Альметьевск, октябрь 2006 г.; IV Международной научно-практической конференция «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов», Москва, июнь 2007 г, XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Тамбов, 2006.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе две научные статьи в изданиях из списка журналов, рекомендованных ВАК РФ.

Объем и структура работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, основных результатов и выводов и списка литературы из 107 наименований публикаций отечественных и зарубежных авторов. Работа изложена на 108 страницах машинописного текста, содержит 17 рисунков, 17 таблиц и одно приложение.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Иванов, Дмитрий Александрович

Основные результаты и выводы

1. Проведен сравнительный анализ выбора рационального экстрагента для извлечения нефтепродуктов из воды.

2. Экспериментально исследован процесс извлечения нефтепродуктов из воды низкокипящим растворителем. Получены характерные кинетические параметры процесса.

3. Впервые выполнено сравнение классической методики расчета кинетики массообмена (на примере поглощения нефтепродуктов из воды хлористым метиленом), с решением той же задачи методом нелокальной версии термодинамики. Показано, что эти методы приводят к сопоставимым результатам, однако классический подход основан на использовании ряда эмпирических параметров, в то время как метод обобщенной термодинамики реализуется на термодинамических табулированных характеристиках. Рассчитываемая при этом плотность массообменного потока изначально ориентирована на термодинамически оптимальный вариант с минимальным производством энтропии.

4. На основе нелокальной версии термодинамики показаны особенности масштабного перехода от кинетики лабораторного аппарата к промышленному. В частности такое масштабирование сводится к необходимости надежной оценки удельной поверхности массообмена в единице объема аппарата. Что же касается моделирования кинетики обменного процесса, то оно основано на свойствах минимального макроскопического масштаба и от производственного масштаба практически не зависит.

5. На основе термодинамически предельной плотности потока массы сформулирован коэффициент эффективности работы экстрактора.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Иванов, Дмитрий Александрович, 2010 год

1. A.c. 548316 СССР, МКИ3 С 02 С 5/12,1977. Электрофлотационный разделитель эмульсий.

2. Астарита Дж. Массопередача с химической реакцией. Л.: 1971. — 224 с.

3. Ахназарова С. Л., Кафаров В. В., Оптимизация эксперимента в химии и химической технологии, М., 1978.

4. Базаров И.П. Термодинамика: Учеб. Для вузов. — 4-е изд., перераб. и доп.-М.: Высш. шк., 1991.-376 е.: ил.

5. Барабаш В.М., Кокотов Ю.В. Указатель ВИНИТИ «Деп. Рукописи», 1979, №9 (95), с. 82-83.

6. Баранаев М.К., Тверовекий E.H., Трегубова Э.Л. ДАН СССР, 1949, т. 66, с. 821.

7. Бельков В.М., Чой Санг Уон. Методы глубокой очистки сточных вод от нефтепродуктов// Химическая промышленность. — 1998.-, № 5.-С. 1422.

8. Берд Р., Стьюарт В., Лайтфут Е., Явления переноса, пер. с англ., М., 1974.

9. Бирон Е., ЖРФХО, 42, 135, 167.

10. Брагинский Л.Н. Бегачев В.И. -ТОХТ, 1969, т. 3, № 1, с. 103 109.

11. П.Брагинский Л.Н., Бегачаев. В.И., Барабаш В.М. Перемешивание вжидких средах: Физические основы и инженерные мотоды расчёта. — Л.: Химия, 1984 336 е., ил.

12. Брагинский Л.Н., Павлушенко Н.С. Об определяющем числе оборотов при перемешивании в системе жидкость-жидкость. «ЖПХ», 1963, т. 36, с. 322-328.

13. Брэдшоу П. Введение в турбулентность и ее измерение. М.: Мир, 1974, 277 с.

14. Вайсбергер А., Праскауэр Э., Риддик Дж., Тупс Э. Органические растворители. Физико-химические свойства и методы очистки. Пер. с англ.к.х.н. H.H. Тихомировой под ред. д.х.н. Я.М. Варшавского. Москва, Изд. Иностранной литературы, 1958.

15. Векслер Г.Б., Волчек A.M., Шаровар И.И., Иванов Д.А. Комплексная установка очистки нефтесодержащих стоков и донных отложений с использованием низкокипящих экстрагентов. — Записки горного института, Санкт-Петербург, 2005, т. 166, с. 40-41.

16. Водоподготовка: Справочник. /Под ред. д.т.н., действительного члена Академии промышленной экологии С.Е. Беликова. М.: Аква-Терм, 2007.- 240 с.

17. Галуткина К.А., Немченко А.Г., Рубинская Э.В. и др. Использование метода химического окисления в процессе очистки сточных вод нефтеперерабатывающих и нефтехимических производств. Тематический обзор.- М. : ЦНИИЭТНефтехим, 1979.

18. Дагестани Надер. Термодинамика и кинетика ректификации дискретных и непрерывных (нефтяных) смесей: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1996.

19. Дерффель К. Статистика в аналитической химии, Москва, Мир, 1994

20. Зубарев C.B., Кузнецова Е.В., Берзун Ю.С., Рубинская Э.В. Применение окислительных методов для очистки сточных вод нефтеперерабатывающих, нефтехимических производств. -М.: ЦНИИТЭНефтехим, 1987.

21. Иванов Д.А., Волчек A.M. Определение поверхности массопередачи при экстракции из воды нефтепродуктов хлористым метиленом. Химическое и нефтегазовое машиностроение, 2007, № 5, с. 11 — 13.

22. Карасев И.Н. В кн. Теория и практика перемешивания в жидких средах. М.: НИИТЭхим, 1971, с. 30-31.

23. Кафаров В.В. Процессы перемешивания в жидких средах. М.: Госхим-издатб 1949. 230 с.

24. Кобзарь А. И. Прикладная математическая статистика. М.: Физматлит, 2006. —816 с.

25. Колесников В.А., Ильин В.И. Электрофлотационный способ очистки сточных вод гальванических производств// Водоснабжение и санитарная техника Haustechnik. 1997.-№8.-С. 10-11.

26. Колмогоров А.Н. ДАН СССР, 1941, т. 32, № 1, с. 19.

27. Колмогоров А.Н. ДАН СССР, 1949, т. 66, № 5 с. 825.

28. Крамер Г., Математические методы статистики, пер. с англ., 2 изд., М., 1975.

29. Кремнев Л.Я., Равдель A.A. Коллоид, ж., 1954, № 1, с. 16-17

30. Кузубова Л.И, Морозов C.B. Очистка нефтесодержащих сточных вод: Аналитический обзор. Новосибирск, 1992. — 72 с.

31. Л. И. Мандельштам, И. Е. Тамм «Соотношение неопределённости энергия-время в нерелятивистской квантовой механике», Изв. Акад. Наук СССР (сер. физ.) 9, 122-128 (1945).

32. Л. И. Мандельштам, Полное собрание трудов 2, 306-315, М.-Л. (1947).

33. Левин В.Г. Физико-химическая гидродинамика. М.: Физматгиз, 1959. 698 с.

34. Лейте В. Определение органических загрязнений питьевых природных и сточных вод.-М.:Химия, 1975.-199 с.

35. Майков В.П. Квантовая макрофизика альтернатива классической физике сплошной среды //Вестник РАН. - 1996. - Т. 66. - №6. - С. 566-567.

36. Майков В.П. Методология физики с неньютоновым временем Философия физики: актуальные проблемы. Материалы научной конференции 17-18 июня 2010 г. М.: ЛЕНАНД, 2010, стр. 95 - 99.

37. Майков В.П. О нелокальной версии классической термодинамики: Лекция.-М.: МГУИЭ, 2001.-32 с.

38. Майков В.П. О расширенной версии классической термодинамики — Теплоэнергетика №9, 1998. с. 14 - 19.

39. Майков В.П. Расширенная версия классической термодинамики — физика дискретного пространства-времени. — М.: МГУИЭ; 1997 160 е.: ил.

40. Майков В.П., Иванов Д.А. Нелокальная термодинамика процесса мас-собмена. Сборник трудов XIX Международной научной конференции «Математические методы в технике и технологиях», Воронеж, 2006, с. 143-145.

41. Матвеевич В.А. Электрохимические методы очистки природных и сточных вод // Электронная обработка материалов. -2000.-№ 5 (205).-С.105.111.

42. Матов Б.М. Электрофлотационная очистка сточных вод. Кишинёв: Картя Молдовеняскэ, 1982. - 170 с.

43. Методы расчета теплофизических свойств газов и жидкостей. ВНИ-ПИнефть, Термодинамический Центр В/О «Нефтехим», М., Химия, 1974, 248 е.; 63 табл., 113 рис.

44. Некофар Корос Хоссейн. Моделирование процесса температурного разделения газа (эффект Ранка) на основе расширенной версии термодинамики: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 2005.

45. Нельсон Смит А. Нефть и экология моря. -М: Прогресс, 1977 142 с.

46. Обухов A.M. Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз., 1941, т. 5, № 4 - 5, с. 453

47. Пат. RU 2107036 С 02 F 103/16, 20.03.1996. Способ очистки сточных вод от масел и взвешенных веществ.

48. Петряев Е.Н., Власов В.И., Сосновская В.А. Новые методы очистки сточных вод. Обзорн. Информ.-Минск: БелорусНИИ НТИ, 1985.-49 с.

49. Питерских Г.П., Валашек Е.Р. — Хим. пром., 1959, № 1, с. 35

50. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии: Учебник для вузов. 3-е из., перераб. и доп. - М.: Химия, 1987.- 496 с.

51. ПНД Ф 14.1:2.5-95 Методика выполнения измерений массовой концентрации нефтепродуктов в природных и сточных водах методом ИКС. Разработчик: ГУАК Госкомэкологии России (ныне ФГУ «ЦЭКА»), Москва, 1995.

52. Предельно допустимые концентрации вредных веществ в воздухе и воде. 2-е изд.-Л.: Химия, 1975.

53. Разумовский С.Д., Зайков Г.Е. Озон и его реакция с органическими соединениями.-М: Химия, 1974.-322 с.

54. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей: Справочное пособие/ Пер. с англ. под ред. Б.И. Соколова. — 3-е изд., перераб. и доп. Л.: Химия, 1982. - 592 е., ил. - Нью-Йорк, 1977

55. Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.: Недра, 1987.- 222 с.

56. Розен А. М. Масштабный переход в химической технологии, М., 1980

57. Романков П.Г. Гидравлические процессы химической технологии. М.; JL: Госхимиздат, 1948. 264 с.

58. Свойства органических соединений. Справочник/Под ред. A.A. Поте-хина. J1.: Химия, 1984. 520 с.

59. Соколов В.Н., Доманский И.В. Газожидкостные реакторы, Д.: Машиностроение, 1976. 216 с.

60. Справочник нефтехимика в двух томах. T.l/Под ред. С.К. Огородни-кова. JL: Химия, 1978. - 496 е., ил.

61. Стренк Ф. Перемешивание и аппараты с мешалками/Пер. с польск. Под ред: И.А. Щупляка. Д.: Химия, 1975. 384 с.

62. Товарные нефтепродукты, свойства и применение: Справочник/Под ред. В.М. Школьникова. -М.: Химия, 1978.-470.

63. Трейбал Р. Жидкостная экстракция. Перевод с английского под ред. д. т. н. Кагана С.З. М.: Химия, 1966, 724 с.

64. Филин A.A. Методы расчета межфазного потока вещества при кипении вблизи равновесия: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 1996.

65. Хайдин П.И., Роев Г.А., Яковлев В.И., Современные методы очистки нефтесодержащих сточных вод.-М.: Химия, 1990.-241 с.

66. Химмельблау Д. Анализ процессов статистическими методами, пер. с англ., М., 1973

67. Хохланд Ф., Чапман Ф. Химические реакторы и смесители для жидко-фазных процессов. М.: Химия, 1974. 208 с.

68. Шафиеи Фесгандис Арман Ибрагим. Методы расчета процесса однократного испарения неидеальных смесей на примере разделения светлых продуктов коксования остатков нефти иранского происхождения: Автореф. дисс. канд. техн. наук. М., 2007.

69. Шахпоронов М.И. Механизмы быстрых процессов в жидкостях. М.: Высш. шк., 1980.-С. 123.

70. Штербачек 3., Тауск П. Перемешивание в химической промышленности. Л.: Госхимиздат, 1963. 416 с.

71. Эксплуатационно-технические свойства и применение автомобильных 'топлив, смазочных материалов и спецжидкостей. -М.: Транспорт, 1997

72. Яковлев B.C. Хранение нефтепродуктов. Проблемы защиты окружающей среды. -М: Химия, 1987. 152 с.

73. A. J. Madden, G. L. D а ш е г е 11, AIChE Journal, 8, p. 233 (1962).

74. Danckwerts P.V. The definition and measurement of some characteristics of mixtures // Appl. Sci. Res., 1952, V. A3, p. 279.

75. Dunstan A.E., Hilditch T.P., Thole F.B., Journal of the Chemical Society, p. 133 (1913).

76. Freld S.D., Forbes L., Marks R.E. e. a. // Biotechol. Appl. Hazadus Wast. Treat. Conf. Sarasota, Fla, October 30 November 4 1988. - Sarasota, 1988. -209 p.

77. G. Chen. Electrochemical technologies wastewater treatment // Separation and Purification Technology. 2004.- № 38.-P. 11-41.

78. G. V. Chester, J. S. Newman, U. S. Atomic Energy Comm., ORNL-3018 (1961).

79. Gainer, J. L., and A.B. Metzner: AIChE-IChemE Symp. Ser. no. 6, p.

80. H. Groothius, F. J. Zuiderweg, Chem. Eng. Sci., 12, 288 (1960).

81. H. S e t z e r, D. Eng. Sci. Thesis, New York Univercity, 1962.

82. J. H. Vanderveen, U. S. Atomic Energy Comm. UCRL-8733 (1960).

83. J. P. Sachs, J. H. Rushton, Chem. Eng. Progr., 50, 597 (1954).

84. K. W. Norwood, A. B. Metzner, AIChE Journal, 6, p. 432 (1960).

85. Le Bas, G.: «The Molecular Volumes of Liquid Chemical Compunds», Longmans, Green, New York, 1915.

86. Leitis E., Zett I.D., Gele L. // 6 th Ozone World Congr. Proceedikngs, Wa-shignton, D.C. 23-26 May 1983.-Vienna, 1983.

87. Mockel H.O. Chem. Techn., 1980, Bd. 32, № 3, S. 127.

88. Morris P.S.: M.S. thesis, Polytechnic Institute of Brooklyn, Brooklyn, N.Y., 1964.

89. Mumford S.A., Phillips J.W.C., Journal of the Chemical Society, p. 75 (1950).

90. Partington, J.: «An Advanced Treatise on Physical Chemistry», vol. I, «Fundamental Principles: The Properties of Gases», Longmans, Green, New York, 1949.

91. Pat. W003062152, 31.07.2003. Suominen Hannu L. Способ и аппарат для очистки сточных вод электрофлотацией.

92. R.C. Reid, Т.К. Sherwood, The Properties of Gases and Liquids, McGraw-Hill Book Company, Inc., New York, 1958

93. R. Shinnar, J. Fluid Mech., 10, pt. 2, 259 (1961)

94. R. Shinnar, J. M. Church, Ind. Eng. Chem., 52, 253 (1960); 53, 479 (1961)

95. S. Nagata, K. Y a m a m о t о, K. Hashimoto, Y. N a r u s e, Mem Fac. Eng. Kyoto Univ., 21, pt. 3, 260 (1959); 22, pt. 1, 68 (1960).

96. Scheibel. E.G., Ind. Eng. Chem., v. 46: 2007 (1954).

97. Shinnar R., Church J. Ind. Eng. Chem., 1960, v. 52, p. 253.

98. Sleicher C.A. AIChE Journal, 1962, v. 8, p. 471.

99. Schrodinger E., Der stetige Ubergang von der Mikro- zur Makromechanik, «Naturwiss.», 1926, Bd 14, S. 664.

100. Timmermans J., Martin F., J. chim. phys., 23, 747 (1926).

101. Timmermans J., Mme. Hennaut-Roland, chim. phys., 29, 529 (1932).

102. Wasterterp K.R., Van Dierendoncr L.L. De Draa J.A. Chem. Eng. Sei., 1963, v. 18, № l,p. 157-162.

103. Willke, C. R., P. Chang: AIChE Journal, 1, p. 264 (1955).