Разработка судового комплекса для глубокой очистки нефтесодержащих трюмных вод тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, Анфиногентов, Валерий Васильевич

• Анфиногентов, Валерий Васильевич
• 1984

Оглавление диссертации Анфиногентов, Валерий Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Характеристика нефтеводяных систем, подлежащих разделению

1.2. Характеристика и анализ методов разделения первичных эмульсий.

1.3. Характеристика и анализ методов разделения вторичных эмульсий.

1.4. Анализ существующих методов расчета тонкослойных отстойников. 2$

1.5. Анализ существующих методов расчета флотационных установок

1.6. Выводы и постановка задач исследований

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕЕЖА

ЩИХ ВОД В ТОНКОСЛОЙНОМ ОТСТОЙНИКЕ. ЪН

2.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения исследований

2.2. Исследование влияния условий образования нефтеводяных эмульсий на размер частиц дисперсной фазы.

2.3. Анализ данных по кинетике очистки нефтесодержа-щих вод в тонкослойном отстойнике

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЗДИХ ВОД

В ПРОТОЧНОМ РЕЖИМЕ РАБОТЫ ТОНКОСЛОЙНОГО ОТСТОЙНИКА

3.1. Описание методики проведения исследований.

3.2. Анализ данных по очистке нефтесодержащих вод в проточном тонкослойном отстойнике

3.3. Исследование гидродинамических характеристик потока в тонкослойном отстойнике

3.4. Обобщение экспериментальных данных по очистке нефтесодержащих вод в тонкослойном отстойнике . 63 4. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРМЩИХ ВОД

В ТОНКОСЛОЙНОМ ОТСТОЙНИКЕ ПРИ ОРГАНИЗАЦИИ В НЕМ ФЛОТАЦИОННОГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ ЧАСТИЦ НЕФТЕПРОДУКТОВ

4.1. Описание методики проведения исследований

4.2. Анализ данных по кинетике флотационной очистки нефтесодержащих вод в тонкослойном отстойнике

4.3. Обобщение экспериментальных данных по флотационной очистке нефтесодержащих вод в тонкослойном отстойнике . ЮЧ

4.4. Проверка обобщающей способности полученных степенных уравнений и внедрение результатов исследований . . /У5*

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка судового комплекса для глубокой очистки нефтесодержащих трюмных вод»

Необходимость охраны окружающей среды узаконена Конституцией СССР, в которой записано: "В интересах настоящего и будущего поколений в СССР принимаются необходимые меры для охраны и научно обоснованного, рационального использования земли, ее недр, водных ресурсов, растительного и животного мира, для сохранения в чистоте воздуха и воды, обеспечения воспроизводства природных богатств и улучшения окружающей человека среды" /1.1/.

Определяя очередные задачи КПСС в области внутренней и внешней политики и основные направления развития народного хозяйства СССР на 1981-1985 гг., ХХУ1 съезд КПСС вновь подчеркнул необходимость ".повышения эффективности мероприятий в области охраны окружающей среды., . наращивания производства высокоэффективного газоочистного, пылеулавливающего оборудования и оборудования для очистки промышленных сточных вод" /1.2/,

Одна из важнейших международных проблем, которая в настоящее время тревожит человечество, связана с ухудшением качества воды в результате сброса промышленных и бытовых сточных вод в естественные водоемы. При этом все большую актуальность приобретает предотвращение загрязнения морской среды нефтью и продуктами ее переработки.

Анализ причин загрязнения моря нефтью, приведенный в /2.1/, показывает, что весьма существенная доля общего объема загрязнений приходится на сбрасываемые с судов нефтесо-держащие трюмные воды, среднесуточное накопление которых составляет 5-30 м3 в зависимости от водоизмещения судна, типа, мощности и режима работы судовой энергетической установки

СЭУ) /2.2, 2.3, 3.1, 4.1, 4.2, 7.1/. Существующие нормы допускают слив за борт трюмных вод с нефтесодержанием, не превышающим 100 частей/млн (млн"*). Однако во всем мире проводятся исследования эффективных способов очистки нефтесодержа-щих вод и конструкций сепарационных установок, обеспечивающих нефтесодержание слива менее 15 млн"*, что обусловлено требованиями Международной конвенции МАРПОЛ-73/78.

В настоящее время на судах уже нашли применение разнообразные по принципу действия и конструктивному исполнению сепараторы нефтесодержащих трюмных вод: отстойники, коалесци-рующие и зернистые фильтры, флотаторы, центрифуги и др. Каждый из них обладает отдельными недостатками, к главным из которых можно отнести: невозможность обеспечения стабильного конечного нефтесодержания воды менее 15 млн"* в реальных судовых условиях, значительные эксплуатационные расходы, вызванные периодической заменой материала фильтров, сложности технологического характера и аппаратурного оформления, связанные с необходимостью периодической регенерации коалесцирующего и фильтрующего материалов и т.п.

В этой связи весьма перспективным представляется рациональное комбинирование различных методов очистки, предполагающих простоту аппаратурного оформления и обслуживания, возможность автоматизации и низкие эксплуатационные расходы при максимальном использовании возможностей каждого из них на соответствующих стадиях очистки с целью достижения конечного нефтесодержания воды менее 15 млн""*. В настоящей работе для достижения глубокой степени очистки судовых нефтесодержащих вод предложено использование метода тонкослойного отстаивания, эффективность которого повышается при комбинированном применении с флотационным методом. Это предопределило необходимость проведения экспериментальных исследований, направленных на получение корректных обобщающих зависимостей, отражающих реальную картину извлечения из воды частиц нефтепродуктов в широком диапазоне их физических свойств и масштабных характеристик тонкослойных отстойников в обычном режиме работы и при организации флотационного извлечения частиц в их каналах.

I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

Заключение диссертации по теме «Другие cпециальности», Анфиногентов, Валерий Васильевич

1.6. Выводы и постановка задач исследований

Исходя из анализа литературных данных, можно сделать следующие выводы:

1. Для эффективной очистки нефтесодержащих трюмных вод, представляющих собой сложную систему двухфазной жидкости и механических примесей, в значительном диапазоне концентраций, дисперсного состава и физико-химических свойств нефтепродуктов целесообразно комбинированное применение нескольких методов, каждый из которых обеспечивает максимальный эффект для определенного интервала указанных факторов.

2. Для достижения глубокой степени очистки нефтесодержа-щих вод (менее 15 млн"*) необходимо извлечение из водной фазы свободной нефти, механических примесей, а также эффективное разделение первичных и вторичных эмульсий.

3. Исходное нефтесодержание очищаемой воды колеблется в значительных пределах (от 80-120 млн"* почти до 100 %), что предопределяет необходимость наличия в системе очистки редукционной ступени для сглаживания скачков концентрации нефтепродуктов на входе и снижения нагрузки на последующие очистные устройства.

4. В качестве редукционной ступени, а также для полного разделения первичных, частично вторичных эмульсий и эффективного извлечения механических примесей представляется целесообразным использование ТО.

5. Недостаточный объем литературных данных не позволяет с уверенностью отдать предпочтение той или иной форме каналов ТО, а также материалу его разделительных поверхностей.

6. Предпочтительным видом обобщающих уравнений являются безразмерные степенные зависимости, позволяющие производить расчет и разработку очистных устройств без предварительных опытов по моделированию процессов очистки в лабораторных установках.

В связи с этим достаточно корректные результаты следует ожидать при использовании для расчета ТО безразмерной степенной зависимости, предложенной в /4.19/, при условии введения в нее параметра, характеризующего продольное перемешивание в каналах ТО.

7. Практическое использование указанной степенной зависимости затруднено отсутствием достоверной информации о среднестатистических размерах извлекаемых частиц нефтепродуктов, которые определяются специфическими условиями транспортировки нефтесодержащей воды к очистным устройствам.

8. Эффективным способом разделения вторичных эмульсий и обеспечения глубокой степени очистки следует считать флотацию с выделением флотокомплексов в каналах ТО или другими словами -тонкослойный отстой с предварительной флотационной обработкой очищаемой воды. При этом из известных способов насыщения воды воздухом достаточно простым и надежным можно считать струйное диспергирование воздуха.

9. Предложенная в работе /3.7/ безразмерная степенная зависимость для количественной оценки кинетической константы процесса флотации, как функции от технологических параметров и геометрических размеров флотационной камеры, справедлива только для камер вертикальной ориентации, что не позволяет использовать ее для расчета интенсифицированного флотацией процесса очистки нефтесодержащих вод в ТО.

На основании изложенного можно сформулировать следующие основные задачи исследовании:

1. Выяснить характер влияния вида перекачивающих устройств на дисперсный состав частиц нефтепродуктов в воде, подаваемой на очистку.

2. Произвести исследования влияния режимных характеристик на кинетику процесса очистки судовых нефтесодержащих вод в ТО.

3. Изучить влияние геометрических характеристик каналов и материала разделительных поверхностей на эффективность очистки нефтесодержащих вод в ТО.

4. Определить влияние ориентации ТО на гидродинамические характеристики гомогенного и аэрированного потоков жидкости.

5. Получить обобщающую зависимость для определения остаточного нефтесодержания при очистке воды в ТО.

6. Исследовать кинетику процесса флотационного извлечения частиц нефтепродуктов в каналах ТО.

7. Получить обобщающую зависимость для расчета ТО при организации в них флотационного извлечения частиц нефтепродуктов.

8. Произвести проверку полученной зависимости на крупномасштабной установке и разработать рекомендации по рациональному использованию ТО для глубокой очистки судовых нефтесодержащих вод.

2. ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ

НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ВОД В ТОНКОСЛОЙНОМ ОТСТОЙНИКЕ

2.1. Описание экспериментального стенда и методики проведения исследований

Для анализа механизма и эффективного управления процессом очистки нефтесодержащих вод необходимо выявить взаимосвязи между факторами, определяющими ход процесса, а также представить их количественно в виде математической модели. Это предопределило применение метода полного факторного планиро Р вания эксперимента (в дальнейшем - ШЭ) типа /У- К /2.37/, где //- число опытов ;

Р - число факторов ;

К - число уровней варьирования факторов.

С целью повышения точности выявления степени влияния определяющих факторов на эффект очистки исследования проводились в циклическом режиме работы лабораторного ТО при неизменных гидродинамических характеристиках потока очищаемой воды и угле наклона пластин отстойника.

Данные априорной информации, приведенные в литературном обзоре, позволяют сделать вывод о том, что интенсивность извлечения из воды частиц нефтепродуктов определяется соотношением между средней продолжительностью пребывания очищаемой воды в каналах ТО и временем всплывания частиц до момента их контакта с поверхностью пластин. Исходя из этого, к основным факторам, влияющим на процесс очистки, могут быть отнесены: размер частиц, плотность и вязкость дисперсной фазы (нефтепродуктов) , плотность, вязкость, солесодержание и температура дисперсионной среды (воды), высота каналов ТО (расстояние между пластинами И ), а также длина каналов ТО (I*) и средняя скорость потока в них (Ц), фактически определяющие располагаемое время очистки (среднее время пребывания воды в каналах ТО ЯГ " Ь/Ц ). При циклическом режиме работы ТО основным временным фактором является продолжительность цикла.

С учетом наличия корреляционных связей между некоторыми из рассмотренных факторов к определяющим при планировании эксперимента были отнесены: температура процесса - 1 , °С ; расстояние между пластинами ТО - Ь , м; солесодержание очищаемой воды - С , кг/м3 ;

• продолжительность процесса очистки - Ь , мин.

Качественный учет влияния физических свойств дисперсной фазы на процесс ее извлечения обеспечивался использованием в опытах различных видов нефтепродуктов, в частности широко применяемых на морском транспорте моторного топлива ДТ (ГОСТ 1667-68), дизельного топлива ДЯ (ГОСТ 4749-73) и смазочного масла М12В (МНУ 38-1-182-65).

Исследования проводились на многоцелевом экспериментальном стенде, конструкция и гидравлическая схема которого позволяли мобильно изменять условия эксперимента в соответствии с поставленными задачами. Фотография стенда представлена на рис.2.1, а его принципиальная схема - на рис.2.2.

В состав стенда входят: ТО - 3, бак для приготовления нефтеводяной эмульсии - I, буферная емкость - 17, нефтесбор-ник - 6, циркуляционный насос - 30 типа $-21 (подача 1,5 м3/ч, напор 0,15 МПа) и прокачивающий насос - 37 типа "Агидель" (подача 1,5 м3/ч, напор 0,2 МПа).

ТО представляет собой прямоугольный с прозрачными боковыми

Многоцелевой экспериментальный стенд

Рис.2.1

Схема многоцелевого экспериментального стенда

2 3 А 5 6

Воздух Слив стенками корпус 1300x150x350 мм, в котором размещаются: сменная тонкослойная секция - 4, водораспределительный комплекс, состоящий из пропорционального вододелителя - 2, перфорированного листа - II и двух перегородок - 14, а также воздуходис-пергирующий комплекс (в дальнейшем - ВДК), состоящий из насоса - 30, водовоздушного эжектора - 28 и распределительного устройства - 27 водовоздушной смеси.

Водораспределительный комплекс обеспечивает равномерность эпюры скорости потока по живому сечению ТО. ВДК включался в работу в отдельных случаях, описанных ниже.

Конструкцией ТО предусмотрена возможность различной его ориентации относительно горизонта - от горизонтальной до вертикальной. Корпус ТО оборудован патрубками: 25 - для подключения к приемной линии циркуляционного насоса, 33 - для подключения к напорной линии прокачивающего насоса, 15 - для слива очищенной воды, 12 и 13 - для подключения нефтяной и водяной полостей нефтесборника. Примененная схема удаления из ТО извлеченных частиц нефтепродуктов исключает возможность образования нисходящих токов в нефтеотводящем шланге и вторичного загрязнения очищенной воды. Нефтесборник оборудован смотровым стеклом и осушительным клапаном - 5. Поддержание постоянного уровня жидкости в нефтесборнике обеспечивается переливным устройством - 7 с патрубком для отвода воздуха. Экспериментальный стенд оборудован пробоотборными кранами - 10, 29, 34 и запорной арматурой - 8, 9, 16, 19, 20, 22, 23, 31, 32, 35, 36, 38.

Исследования по кинетике очистки проводились в ТО, наклоненном под углом 15°, что обеспечивало эффективное удаление капель нефтепродуктов с поверхности пластин, Тонкослойная секция представляла собой пакет плоскопараллельных пластин из оцинкованной жести длиной 0,77 м. При этом клапаны 8, 16, 22, 23, 32, 35, 36, 38 были закрыты, а насос - 37 не включался.

Перед началом каждого опыта в баке - I подготавливался имитат морской воды (водный раствор tJaCP ) с заданными соле-содержанием и температурой. Поддержание температурного уровня процесса в течение эксперимента обеспечивалось нагревателями -18 и 39, установленными в буферной емкости и баке - I. Объем жидкости в буферной емкости служил также для компенсации расхода воды при отборе проб. После заполнения ТО и буферной емкости рабочей средой при открытых клапанах - 9, 19 и 31 включался циркуляционный насос и одинаковое во всех опытах количество нефтепродуктов (200 мл) через клапан - 20, насос - 30 и эжектор - 28 (выполняющий в данном случае роль входного патрубка) в смеси с водой подавалось в ТО. Экспериментальный режим начинался после 20-минутной циркуляции нефтеводяной смеси в системе ТО - буферная емкость, что наряду с одинаковым количеством введенных нефтепродуктов и объемом циркулируемой жидкости обеспечивало примерно одинаковые начальные условия проведения экспериментов: удаление грубодисперсной фракции нефтепродуктов, гомогенизацию нефтеводяной эмульсии, отсутствие скачков концентрации.

Концентрация нефтепродуктов в пробах определялась при помощи сигнализатора "Д-302А" фирмы " PtocjZess Trading Co. Ltd "по методике, приведенной в приложении 6.

После каждого опыта производилась промывка системы водопроводной водой в проточном режиме при открытых клапанах 8, 16, 19 и 31. Промывка заканчивалась при отсутствии нефтепродуктов в сливаемой в канализацию промывочной воде (по показаниям сигнализатора "Д-302А").

В проводимом лабораторном эксперименте ставилась задача получения интерполяционных моделей, описывающих зависимости конечного нефтесодержания от четырех определяющих факторов. При этом определяющим факторам присвоены следующие кодированные обозначения: ЗГ/ , , С , Т^-^ЭСг/.

Выбор численных значений факторов и уровней их варьирования предопределен возможностью осуществления процесса очистки в реальных судовых условиях. Так, температурный интервал выбран с учетом возможности использования судовых низкопотенциальных источников теплоты для подогрева очищаемой воды. Со-лесодержание воды является объективным фактором, зависящим от района плавания судна, и может изменяться от 0,5 кг/м3 (речная вода) до 30 кг/м3 (океанская вода,несколько разбавленная судовыми пресноводными стоками). Значения режимных и конструктивных характеристик лабораторного ТО выбраны на основании данных об аналогичных береговых установках.

В результате предварительных экспериментов было установлено, что изменение конечной концентрации частиц нефтепродуктов во времени удовлетворительно аппроксимируется зависимостью вида (1.5). При этом в пределах одного режима примерно в течение первых 30 мин величина коэффициента извлечения К остается неизменной, а в дальнейшем она может принимать иные значения. С учетом того, что в реальных условиях среднее время пребывания воды в очистных установках как правило не превышает данного интервала, он и был принят в качестве уровня варьирования фактора . Е>К ~ &ис/ (2

Логарифмический вид кинетических кривых позволяет линеаризовать зависимость конечного нефтесодержания от времени

Госу*»»ст*м«и I

5ЯСЛИ0ТЕКА

С с Р ■ им.а^илте^ут^ очистки. Поэтому при планировании эксперимента в качестве выходного параметра была принята величина логарифма безразмерной концентрации

Увх = £п

Вк

Висх что к тому же позволяет исключить необходимость учета дрейфа исходного нефтесодержания в различных опытах.

Исходные значения факторов и интервалы их варьирования приведены в таблице 2.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Образующиеся в результате эксплуатации судовых энергетических установок нефтесодержащие трюмные воды являются источником загрязнения окружающей среды, поэтоьдг в соответствии с действующей Международной конвенцией по предотвращению загрязнения моря МАИ10Л-73/78 они подлежат глубокой очистке. Это предопределяет необходимость включения в состав СЭУ специфического вспомогательного оборудования - сепараторов трюмных вод, которые наряду с требуемой очистной способностью должны обладать достаточно высокими технико-экономическими характеристиками: простотой конструктивного исполнения, минимальными габаритами и т.п.

Так как нефтесодержащие трюмные воды представляют собой сложную систему двухфазной жидкости и механических примесей, для ее эффективного разделения в значительном диапазоне неф-тесодержания, дисперсного состава и физико-химических свойств нефтепродуктов целесообразно комбинирование различных методов, обеспечивающих максимальный эффект на различных стадиях очистки. Для сглаживания скачков исходного нефтесодерхания и разделения первичных эмульсий признано перспективным использование метода тонкослойного отстаивания, а для разделения вторичных эмульсий и достижения этим глубокой степени т очистки нефтесодержащих вод (менее 15 млн") - применение различных способов интенсификации процесса тонкослойного отстаивания, в первую очередь флотации.

Недостаточный объем литературных данных не позволяет отдать предпочтение той или иной форме каналов ТО, а также материалу их разделительных поверхностей. Кроме того, для корректного использования существующих расчетных зависимостей, позволяющих прогнозировать конечное нефтесодержание воды, очищаемой в крупномасштабных промышленных ТО, необходима дополнительная информация о влиянии на эффект очистки гидродинамических характеристик потока в аппаратах. Важную задачу представляет также прогнозирование размеров дисперсной фазы, которые определяются специфическими условиями транспортировки нефтесо-держащих вод к очистным устройствам.

Для проведения исследований был разработан и создан многоцелевой экспериментальный стенд, основным элементом которого и объектом исследований явился тонкослойный отстойник.

Исследования процесса диспергирования нефтепродуктов с целью получения расчетных зависимостей для прогнозирования величины среднестатистического диаметра частиц проведены впервые. При планировании эксперимента в качестве основных независимых переменных были приняты: вид диспергирующего устройства (центробежный насос либо эжектор), исходное нефтесодержание перекачиваемой воды и вид нефтепродукта-загрязнителя, температура и солесодержание воды.

Изменение режимных параметров не выходило за пределы, характерные для условий образования нефте с одержащих трюмных вод: температура 15-30 °С, солесодержание 0,5-30,0 кг/мэ, исходное нефтесодержание 250-650 млн"*.

Установлено, что распределение частиц по размерам, несмотря на существенную асимметрию, подчинено нормальному закону. Это позволяет однозначно характеризовать всю совокупность частиц через их среднестатистический диаметр. В зависимости от вида диспергатора и нефтепродукта имеется ряд характерных особенностей в изменении среднестатистического диаметра. Так, в случае центробежного насоса отмечается незначимость солесодержания воды, а рост исходной концентрации и температуры приводит к увеличению дисперсности частиц.

В случае эжектора наибольшую значимость приобретает со-лесодержание, при увеличении которого диаметр частиц возрастает. В то же время характер влияния температурного фактора становится противоречивым . Отмеченные особенности, характеризующие процесс диспергирования в эжекторе, можно объяснить менее жесткими гидродинамическими условиями в камере смешения по сравнению с создаваемыми вращением рабочего колеса центробежного насоса. Об этом свидетельствует также то, что частицы после насоса на 7,0-30,0 % мельче диспергированных эжектором. Во всех случаях диаметр частиц не превышает 100 мкм. Их дисперсность однозначно зависит от вязкости, определяемой видом нефтепродукта. При прочих равных условиях минимальные размеры имеют частицы дизельного топлива ДЛ, а максимальные - масла М12В.

В результате обработки экспериментальных данных получены уравнения регрессии, которые позволяют прогнозировать среднестатистический диаметр частиц дисперсной фазы не только в лабораторных условиях, но и в реальных применительно к судовым сепарационным установкам, работающим в напорном режиме.

Исследования процесса очистки нефтесодержащих вод в ТО проводились в три этапа. На первом для выявления характера и степени влияния основных факторов, определяющих его интенсивность, изучалась кинетика процесса в циклическом режиме работы ТО. Интервалы варьирования факторов были определены исходя из возможностей осуществления процесса очистки в реальных условиях: температура (t) 20-60 °С, солесодержание

С ) 0,5-30 кг/мэ, расстояние между пластинами ТО (/?) 0,01-0,08 м, продолжительность очистки (Ч) 0-30 мин.

Установлено, что изменение конечного нефтесодерокания во времени аппроксимируется логарифмической зависимостью. Поэто-ыу интенсивность процесса очистки может однозначно характеризоваться величиной кинетической константы - коэффициента извлечения.

В результате экспериментов получены признанные адекватными кодированные уравнения регрессии, отражающие характер влияния определяющих факторов на выходной параметр - безразмерную величину конечного нефтесодержания для трех видов нефтепродуктов: ДД, ДТ и М12В.

Анализ уравнений показал, что для повышения эффекта очистки следует увеличивать t , С , и уменьшать /? .

Сопоставление степеней влияния факторов для представления их в виде иерархической структуры производилось по одно-факторным зависимостям, получаемым из уравнений регрессии при фиксации факторов на уровнях, обеспечивающих максимальный, промежуточный и минимальный эффект очистки. Установлено, что наиболее значимым фактором является Ч^ , наименее значимым

- С . Температурный фактор при очистке воды от топлив ДТ и ДЛ оказывает более сильное влияние на процесс очистки, чем /7 . Однако для масла М12В наблюдается обратная картина. Полученные результаты имеют удовлетворительное физическое объяснение, исходя из характера влияния основных факторов на скорость седиментации частиц в каналах ТО.

Полученные данные позволили при проведении второго этапа

- исследования работы ТО в проточном режиме - ограничиться варьированием только скорости потока очищаемой воды, формы, материала и ориентации разделительных поверхностей.

Установлено, что для всех исследованных типов разделительных поверхностей при относительно малом среднем времени пребывания очищаемой воды в каналах ТО ( Т = 250 с), несмотря на скачки исходного нефтесодержания до 25 % и вше, конечная концентрация нефтепродуктов не превышала 550-600 млн~*. Эта величина и определила верхнюю границу исходного нефтесодержания, принимаемого в дальнейших исследованиях, а также при разработке судовых ТО с редукционной ступенью.

Во всем диапазоне изменение исходного нефтесодержания (100 млн~* < Висх ^ 600 млн""*) имеет место достаточно высокая очистная способность ТО. Так при минимальном значении скорости U - 0,6'I0"3 м/с концентрация нефтепродуктов в очищенной воде составляла 28-145 млн"^ (пластины с полипропиленовым т т покрытием), 30-165 млн (пластины без покрытия), 40-255 млн трубки). При этом легче всего отделяются частицы масла MI2B, что объясняется их наименьшей склонностью к диспергированию.

Установлено, что наиболее предпочтительной формой разделительных поверхностей являются гофрированные пластины, образующие волнообразные каналы. Применение таких каналов повышает степень извлечения оС по сравнению с трубчатыми в 1,1-1,4 раза. Это объясняется тем, что вершины гофрировки играют роль микронефтесборников и препятствуют сносу отделившихся частиц нефтепродуктов по поверхности пластин в зону очищенной воды. Полипропиленовое покрытие весьма незначительно интенсифицирует процесс очистки, что не позволяет рекомендовать его к применению.

Наибольшее влияние на процесс разделения нефтеводяных эмульсий оказывает U . Так, снижение U. в 2 раза увеличивает сА в 1,3-1,5 раза, что хорошо согласуется с данными первого этапа исследований.

В результате обработки экспериментальных данных получено семейство расчетных зависимостей, хотя и имеющих частный характер, но позволяющих сделать вывод о возможности обобщения экспериментальных данных для всех видов нефтепродуктов единой расчетной зависимостью. Такое обобщающее уравнение получено в результате обработки экспериментальных данных по очистке нефтесодержащих вод в ТО с гофрированными пластинами без покрытия, наклоненными под углом 15° к горизонту. Для установления граничных условий применимости полученного уравнения проведены исследования по выяснению влияния ориентации отстойника на величину коэффициента использования его объема, определяющего фактическое время пребывания очищаемой жидкости в отстойной зоне.

Установлено, что ТО соответствует модели идеального вытеснения, осложненной продольным перемешиванием. При этом с увеличением угла наклона от 0° до 90° значение критерия Пекле увеличивается в 5,6 раза, а коэффициента использования объема К™ в 2,8 раза и достигает 0,98.

Увеличение угла наклона от 0° до 30° несколько интенсифицирует процесс очистки, однако дальнейший его рост приводит к существенному снижению очистной способности ТО. Это объясняется противоречивым влиянием ориентации ТО на его очистную способность, т.к. увеличение угла наклона, вызывающее рост Кн , одновременно снижает эффективность отстаивания из-за увеличения высоты всплывания частиц. Таким образом,наиболее целесообразным является применение тонкослойных секций с углом наклона к горизонту 15-30°, а значение =0,59, соответствующее углу наклона 15°, представляет собой нижний предел, ограничивающий возможность использования обобщающего уравнения. Оно позволяет применительно ко всем видам нефтепродуктов прогнозировать очистную способность крупномасштабных промышленных ТО либо выбирать характеристики отстойников, обеспечивающие максимальный эффект очистки.

Ограниченные возможности метода тонкослойного отстаивания по глубине очистки потребовали применения мероприятий по интенсификации работы отстойника, из которых наиболее перспективным является организация флотационного извлечения частиц нефтепродуктов в каналах ТО.

Заключительный этап исследований был связан с выявлением возможности повышения глубины очистки при организации в каналах ТО флотационного извлечения частиц нефтепродуктов. Установлено, что подача воздушных пузырьков, независимо от угла наклона ТО, практически приводит к идеальному перемешиванию жидкости в аппарате. Поэтому характеристики процесса могут быть описаны только при помощи кинетических моделей.

Анализ адекватных уравнений регрессии в кодированном виде, полученных в результате обработки опытных данных, показал, что для повышения эффективности процесса очистки, как и без флотации, необходимо увеличивать Ь , С , Т* и уменьшать расстояние между пластинами, в данном случае являющееся наименее значимым фактором. Наиболее значимым фактором на уровне максимального эффекта является , на уровне минимального эффекта - С .На промежуточном уровне степени влияния С и Г уравниваются. Для масла М12В наблюдается несколько отличная картина, что можно объяснить наличием в масле присадок, являющихся причиной неучтенных эффектов.

Полученная иерархическая структура распределения факторов по степени их влияния имеет удовлетворительное объяснение на базе анализа характера воздействия этих факторов на процесс образования флотокомплексов и скорость их удаления из объема очищаемой жидкости.

При обработке результатов экспериментов в обобщенных переменных критерии подобия выбирались по аналогии с принятыми для описания процессов флотационной очистки нефтесодержащих вод в большом объеме и отстаивания в обычном ТО. Значительная теснота корреляционных связей между безразмерными комплексами потребовала разработки новой методики определения постоянных коэффициентов степенных зависимостей, не требующей сужения интервалов варьирования факторов. Предложенная методика предусматривает статистическую обработку методом корреляционного анализа достаточно широкого массива не только экспериментальных, но и расчетных данных, полученных с помощью адекватных размерных уравнений регрессии. Полученные в результате реализации этой методики безразмерные степенные зависимости (для трех видов нефтепродуктов) были проверены в ходе испытаний крупномасштабной судовой сепарационной установки с тонкослойной ступенью после флотационной камеры. Значения относительных ошибок не превышали 19,4 что свидетельствует о достаточно высокой обобщающей способности предложенных моделей.

Результативные положения исследований по тонкослойному отстаиванию нашли практическое применение при разработке тонкослойных секций для отстойных камер флотаторов судовых нефтесодержащих вод на морской нефтебазе "Шесхарис". Подтвержденный экономический эффект от их внедрения составляет 14 тыс.руб. в год. При внедрении комбинированного сепаратора с редукционной, тонкослойной и тонкослойно-флотационной ступенями, обеспечивающего очистку нефтесодержащих вод до остаточного нефтесодер-жания менее 15 млн"*, экономический эффект составит 24,3 тыс. руб. в год по одноцу среднетоннажному судну.

Список литературы диссертационного исследования Анфиногентов, Валерий Васильевич, 1984 год

1. Официально-документальные материалы

2. Конституция (Основной Закон) Союза Советских Социалистических республик. М: Политиздат, 1977. - 47 с.

3. Материалы ХХУ1 съезда КПСС. М: Политиздат, 1981. - 223 с.2. Книги и монографии

4. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря судами.- М: Транспорт, 1979. 336 с.

5. Брусельницкий Ю.М. Судовые устройства очистки трюмно-бал-ластных вод от нефтепродуктов. Л: Судостроение, 1966.- 201 с.

6. Нельсон-Смит А. Загрязнение моря нефтью. Л: Гидрометео-издат, 1973. - 302 с.

7. Кульский Л.А. Очистка воды на основе классификации ее примесей. Киев: Наукова думка, 1967. - 130 с.25. ёсЖе>г/е&/еъ Ре^мсбегш'са? ^а^е-5.1. Watet, /т.

8. Карелин Я.А., Л(уков Д.Д., Денисов М.А., Клочков О.Н. Очистка производственных сточных вод. М: Стройиздат, 1970. - 153 с.

9. Перевалов В.Г., Алексеева В.А. Очистка сточных вод нефтепромыслов. М: Недра, 1969. - 222 с.

10. Лукиных H.A., Липман Б.Л., Криштул В.П. Методы доочистки сточных вод. М: Стройиздат, 1978. - 156 с.

11. Грановский М.Г. Универсальная электроустановка для очистки жидкостей на судах. Л: Судостроение, 1978. - 92 с.

12. Годило П.В., Патураев В.В., Романенко И.Г. Пенопласты в строительных конструкциях. М: Стройиздат, 1969. -175 с.

13. Шурба М.Г. Очистка воды на зернистых фильтрах. Львов: Вища школа, 1980. - 199 с.

14. Карелин Я.А. Очистка сточных вод нефтепромыслов и заводов. М: Гостоптехиздат, 1959.

15. Плановский А.Н., Николаев П.И. Процессы и аппараты химической и нефтехимической технологии. М: Химия,1972. 493 с.

16. Дытнерский 3D.A. Мембранные процессы разделения жидких смесей. М: Химия, 1975. - 330 с.

17. Кульский Л.А., Строкач П.П. Технология очистки природных вод. Киев: Вища школа, 1981. - 327 с.

18. Караваев И.И., Резник Н.Ф. Флотационные установки для очистки сточных вод железнорудных предприятий. М: Транспорт, 1969. - 28 с.

19. Беспамятнов Г.П., Богушевская К.К., Беспамятнова A.B. и др. Предельно допустимые концентрации вредных веществв воздухе и воде. Справочное пособие. Л: Химия, 1972.- 376 с.

20. Классен В.И., Мокроусов В.А. Введение в теорию флотации.- М: Госгортехиздат, 1953. 374 с.

21. Глембоцкий В.А., Классен В.И. Флотация. М: Недра,1973.

22. Грин X., Лейн В. Аэрозоли-пьши, дымы и туманы. Л: Химия, 1972. - 427 с.

23. Сазерленд К.Л., Уорк И.В. Принципы флотации. М:. Метал-лургиздат, 1958.1352.22. Мацнев А.И. Очистка сточных вод флотацией. Киев: Буд1-вельник, 1976. - 132 с.

24. Перри Дж. Справочник инженера-химика, т.2. М: Химия, 1969. - 504 с.

25. Матов Б.М. Флотация в пищевой промышленности. М: Пищевая промышленность, 1976. - 168 с.

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

27. Жуков А.И., Демидов Л.Г., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Канализация промышленных предприятий. М: Стройиздат, 1969. - 182 с.

28. Монгайт И.Л. Рациональная схема очистки сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. Сб."Очистка промышленных сточных вод". М: Госстройиздат, 1957. - 78 с.

29. Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки сточных вод, М: Гостоптехиздат, 1958. - 250 с.

30. Рубинштейн Ю.Б., Филиппов Ю.А. Кинетика флотации. М: Недра, 1980. - 374 с.

31. Гнедин К.В. Режим работы и гидравлика горизонтальных отстойников. Киев: Будхвельник, 1974. - 223 с.

32. Алабужев П.М., Герошщус В.Б., Минкевич Л.М., Мехов-цов Б.А. Теория подобия и размерностей. Моделирование. М: Высшая школа, 1968. - 206 с.

33. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. М: Высшая школа, 1973. - 296 с.

34. Ушаков С.Г., Зверев Н.И. Инерционная сепарация пыли. -М: Энергия, 1974. 169 с.

35. Веников В.А., Веников Т.В. Теория подобия и моделирования. М: Высшая школа, 1984. - 440 с.

36. Фортье А. Механика суспензий. М: Utarp, 1971. - 264 с.

37. Белоглазов К.Ф. Закономерности флотационного процесса. -М: Металлургиздат, 1947.

38. Михайлов В.И., Федосов K.M. Планирование экспериментов в судостроении. Л: Судостроение, 1978. - 160 с.

39. Хартман К., Лецкий Э., Шефер В. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов. М: Мир, 1977. - 552 с.

40. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования в технико-экономических исследованиях. М: Статистика, 1974. - 192 с.

41. Вознесенский В.А., Ковальчук А.Ф. Принятие решений по статистическим моделям. М: Статистика, 1978. - 192 с.

42. Кафаров В.В. Методы кибернетики в химии и химической технологии. М: Химия, 1968. - 380 с.

43. Рохваргер А.К., Шевяков А.Ю. Математическое планирование научно-технических исследований. М: Наука, 1975.- 440 с.

44. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев: Техника, 1975.- 168 с.

45. Браунли К.А. Статистическая теория и методология в науке и технике. М: Наука, 1977. - 408 с.

46. Мостеллер Ф., Тьюки Дж. Анализ данных и регрессия. М: Финансы и статистика, 1982. - 319 с.

47. Сиськов В.И. Корреляционный анализ в экономических исследованиях. М: Статистика, 1975. - 168 с.

48. Хайкин В.П., Найденов B.C., Галуза С.Г. Корреляция и статистическое моделирование в экономических расчетах. М: Экономика, 1964. - 216 с.

49. Лукомский Я.И. Теория корреляции и ее применение к анализу производства. М: Госстатиздат, 1961. - 376 с.

50. Померанцев В.В. Практическая методика корреляционного анализа. М: Зкономиздат, 1963. - 94 с.

51. Бондарь А.Г., Статюха Г.А. Планирование эксперимента в химической технологии. Киев: Вища школа, 1976. - 183 с.3. Диссертации

52. Грановский М.Г. Исследование физико-химических свойстви механизма разделения прямых нестабилизированных эмульсий во внешних силовых полях. Дис. канд.техн.наук. -Л., 1969.

53. Татанов И.В. Исследование метода каскадно-адгезионной сепарации при очистке нефтесодержащих сточных вод. -Дис. канд.техн.наук. М., 1970.

54. Карпухина Р.И. Очистка мазутосодержащих вод. Дис. канд.техн.наук. - М., 1966.

55. Рулев H.H. Кинетическая теория флотации мелких частиц и флотационной водоочистки. Дис. канд.хим.наук. -Киев, 1977.

56. Ососков В.К. Физико-химические закономерности флотационного разделения фаз разбавленных эмульсий типа м/в. -Дис. кавд.техн.наук. Одесса, 1978.

57. Богоев С.Н. Очистка флотационным способом производственных сточных вод, загрязненных нефтью и нефтепродуктами. Дис. канд.техн.наук. - М., 1955.

58. Яковлев Е.А. Разработка технологических режимов судовых флотационных сепараторов нефтесодержащих вод со струйным диспергированием воздуха. Дис. канд.техн.наук. -Одесса, 1982. - 183 л.

59. Иванов В.Г. Исследования по интенсификации работы отстойников для очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий железнодорожного транспорта. Дис. канд.техн.наук. - Л., 1978. - 202 л.

60. Шпаковский Э.П. Исследование процессов седиментации гру-бодисперсных примесей в тонкослойных отстойниках. -Дис. канд.техн.наук. Минск, 1974. - 160 л.

61. Петров В.Г. Применение теории источников к исследованиюи расчету горизонтального отстойника. Дис. канд.техн. наук. - М., 1977. - 271 л.

62. Мацокин Л.В. Разработка тонкослойных отстойников для очистки промывочных вод судов-рудовозов. Дис. канд.техн.наук. Одесса, 1983. - 218 л.4. Статьи

63. Карпинский Ю.И. Оценка количества льяльных вод и содержания нефти в них на судах морского флота. ММФ ЦБНТИ, экспресс-информация, серия "Техническая эксплуатация морского флота", № 22(374). - М: 1974.

64. Воробьев В.В. Опыт эксплуатации сепараторов льяльных вод на судах Балтийского пароходства. ММФ ЦБНТИ, экспресс-информация, серия "Техническая эксплуатация морского флота", № 25(288). - М: 1972.

65. Лавров И.С., Грановский М.Г. Устойчивость судовых нефтесодержащих вод и их разделение в электрическом поле.

66. В кн.: Труды ЛИСИ. Л: 1973, № 75.

67. Филатова М.С. Эмульсионная стойкость мазутных эмульсий. -Изв.вузов. Нефть и газ, 1960, № 2.

68. Покровский В.Н., Аракчеев Г.П. Методы непосредственного выделения примесей. В кн.: Итоги науки и техники. Охрана природы и воспроизводство природных ресурсов, том 2.- М: 1978. 104 с.

69. Роев Г.А. и др. Анализ работы очистных сооружений на нефтебазах. ВНИИОЭНГ. Обзорная информация, серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". - М: 1977.- 51 с.

70. Кихтеева В.И., Радвинский М.Б. Очистка сточных вод от концентрированных эмульсий. Труды Харьковского института инженеров железнодорожного транспорта, 1969, вып.ИЗ.

71. Карпухина Р.Н. Очистка мазутосодержащих сточных вод. -ГОСНИТИ, ОМТ, серия УП, 1969, № 59/2-69.

72. Петропавловский В.К. 0 применении дробленого керамзита в качестве загрузки фильтров, работающих на доочистке нефтесодержащих стоков. Изв.вузов. Нефть и газ, 1968, № 12.

73. Яковлев C.B. Очистка промышленных сточных вод и перспективы ее развития. В кн.: Вопросы очистки сточных вод. - M: 1980.

74. Кандзас П.Ф., Мокина A.A. К вопросу о применении озона для очистки вод от нефтепродуктов. Водоснабжение и санитарная техника, 1973, № 3.

75. Карпухина Р.Н., Бурман Э.И. Прогноз методов очистки сточных вод. Водоснабжение и санитарная техника, 1974, № I.

76. Скрылев Л.Д., Ососков В.К. Флотация как метод очистки нефтесодержащих вод. Химия и технология воды, т.З, 1981, № 2.

77. Стахов Е.А. Насыщение воды воздухом в напорном резервуаре флотационной установки. Теплоэнергетика, 1975, № 9.

78. Седлухо Ю.П., Ющенко В.Д., Бавтот Д.П., Клюшин A.A. Разработка конструкции и исследования по очистке нефтесодержащих сточных вод методом тонкослойного отстаивания. -Нефтепромысловое строительство, 1981, № 7.

79. Богданов О.С., Поднек А.К., Хайнман В.Я. и др. Вопросы теории и технологии флотации. В кн.: Труды ин-та Меха-нобр. - Л: 1959, вып.124.

80. Самыгин В.Д., Чертилин B.C., Небера В.П. Влияние размера пузырьков на флотируемость инерционных частиц. Коллоидный журнал, т.XXXIX, 1977, № 6. - II0I-II07 с.

81. Самыгин В.Д. Кинетика минерализации одиночных пузырьков воздуха в условиях беспенной свободной флотации равно-флотируемых частиц. Изв.вузов. Цветная металлургия, 1978, № 4. - 12-17 с.

82. Матвеенко Н.В. Вывод уравнения минерализации пузырьков и примеры применения кинетического уравнения флотации в производственной практике. Цветные металлы, 1959, № 6. - 11-19 с.

83. Степанец Л.Г. Эффективность тонкослойного отстаивания при флотации нефтесодержащих балластных вод танкеров. ВНИИОЭНГ, реферативный научно-технический сборник, серия "Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов". - М: 1983, № 3.5. Патенты и заявки