МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

СЕВАСТОПОЛЬСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

На правах рукопису

УДК 629.12.03

ПЧЕЛІНЦЕВ ДЕНИС ВАСИЛЬОВИЧ

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ОЧИЩЕННЯ СУДНОВИХ НАФТОВМІСНИХ ВОД У КОАЛЕСЦУВАЛЬНІЙ СЕПАРАЦІЙНІЙ УСТАНОВЦІ

Спеціальність 05.08.05 – Суднові енергетичні установки

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Севастополь – 2003

Робота виконана в Севастопольському національному технічному університеті Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник - доктор технічних наук, професор Капустін Віктор Володимирович, Севастопольський національний технічний університет, декан факультету морських технологій и судноплавства

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри суднових дизельних енергетичних установок і технічної експлуатації;

- доктор технічних наук, професор Сухов Андрій Костянтинович, Севастопольський національний інститут ядерної енергії і промисловості, професор кафедри експлуатації атомних станцій.

Провідна установа - Український державний морський технічний університет імені адмірала Макарова Міністерства освіти і науки України, кафедра екології (Миколаїв).

Захист відбудеться “19” грудня 2003 року о 14 годині на засіданні спеціалізованої ради К50.052.03 з присудження вченого ступеня кандидата технічних наук у Севастопольському національному технічному університеті за адресою: 99053 Севастополь, Студмістечко СевНТУ.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці СевНТУ за адресою: 99053 Севастополь, Студмістечко СевНТУ.

Автореферат розісланий “07” листопада 2003 р.

Вчений секретар

Спеціалізованої ради, к. т. н., доцент Перепадя К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність дослідження. Міжнародне й українське законодавства виділяють проблему запобігання забрудненню водних об'єктів судновими нафтовмісними водами як основну природоохоронну проблему судноплавства й експлуатації суднових енергетичних установок (СЕУ). Згідно із законодавством України, в прибережній зоні Чорного моря заборонено скидання будь-яких, у тому числі очищених стоків. В той же час за результатами моніторингу, проведеного Державною інспекцією охорони Чорного моря, Мінекобезпеки України, екологічні збитки, завдані державі фактичним скиданням суднових нафтовмісних стоків (в тому числі ВМС ЗС України та ЧФ РФ) у море тільки в районі, підконтрольному Кримській інспекції, складає 263 млн доларів США в рік – без обліку скидання берегових об'єктів.

Зараз основним і практично єдиним шляхом вирішення даної проблеми є застосування високоефективного й компактного обладнання для очищення нафтовмісних вод (НВВ). Так, згідно з даними Держінпекції охорони Чорного моря, оснащення більшості суден и кораблів тільки в Кримському регіоні нафтоводяним сепараційним обладнанням з очисною здатністю до 5 млн-1 дозволить знизити завдані державі екологічні збитки на суму більше 200 млн доларів США на рік.

Експлуатовані в даний час на суднах, різноманітні за застосовуваними технологіями очищення й апаратурним оснащенням сепараційні установки володіють цілим рядом істотних недоліків. Основні з них – неможливість одержання стабільної в часі очисної здатності за нафтопродуктами навіть на рівні 15 млн-1, складність конструкції і значні експлуатаційні витрати на заміну (регенерацію) фільтрувальної зони сепаратора. Розробка технологій глибокого очищення суднових НВВ утруднюється складністю проектування і моделювання для умов СЕУ процесів розділення полідисперсних нафтоводяних сумішей, що містять частинки забруднень різної природи: механічні домішки, поверхнево-активні речовини (ПАР), розчинені нафтові фракції; необхідністю обліку експлуатаційних факторів, що суттєво впливають на якість очищення.

Таким чином, виникла необхідність у вирішенні наукової проблеми підвищення ефективності очищення суднових нафтовмісних вод, моделювання процесу розділення полідисперсних нафтоводяних емульсій в сепараційній установці, який дозволяє враховувати закономірності впливу реальних умов експлуатації нафтоочисного обладнання з метою розробки методики розрахунку (проектування) типорозмірного ряду сепараційних установок, що забезпечать стабільну в часі очисну здатність на рівні не більше 5 млн-1.

Зв’язок з науковими програмами. Дослідження виконувались автором на кафедрі експлуатації морських суден і споруд (ЕМСС) СевНТУ в рамках науково-технічних робіт Міністерства освіти і науки України в напрямку "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології". Тема і зміст дисертації безпосередньо пов’язані з бюджетними і госпдоговірними програмами наукових досліджень Севастопольського національного технічного університету (Севастопольського приладобудівного інституту) 1990-1996 рр.: ГР01890069881, ГР01900017547, ГР01900018233, а також міжнародними науково-технічними програмами з країнами СНД (2002-2003 рр.): тема "Мобільні комплекси для очищення води" №ГР01.20.0215400, №ГР01.20.0212670.

Об’єктом дослідження у даній роботі є суднові сепараційні установки коалесцувального типу.

Предмет дослідження – процес розділення нафтоводяної емульсії в коалесцувальному фільтрі сепараційної установки, що визначає ефективність та експлуатаційну стабільність показників очищення НВВ.

Метою дослідження є підвищення ефективності процесу очищення НВВ у сепараційному обладнанні, розробка методики проектування і створення типорозмірного ряду суднових сепараційних установок на основі розв’язку математичної моделі процесу розділення двохкомпонентної полідисперсної рідини в об’ємі фільтра з коалесцувальним завантаженням.

Основні завдання наукового дослідження:

· вивчення процесу взаємодії нафтових забруднень з морською водою; складу і характеристик суднових НВВ, технічних засобів і технологій очищення нафтовмісних вод СЕУ;

· встановлення закономірностей впливу основних експлуатаційних факторів (спосіб подачі нафтовмісних вод у сепараційну установку, тип і продуктивність перекачувальної помпи, концентрація дисперсної фази, температура і солоність НВВ, вплив поверхнево-активних речовин) на характеристики процесу очищення суднових НВВ;

· проведення фізичного, математичного і чисельного моделювання процесу роботи коалесцувального фільтра сепараційної установки;

· експериментальна перевірка результатів теоретичного дослідження, адекватності математичної моделі процесу очищення НВВ, як у лабораторних, так і суднових умовах;

· розробка наукових основ методики розрахунку (проектування) фільтрів з коалесцувальним завантаженням і типорозмірного ряду суднових сепараційних установок даного типу;

· впровадження результатів досліджень у практику проектування й експлуатації суднових сепараційних установок.

Методи дослідження: досягнення основної мети дослідження забезпечувалося теоретико-експериментальним розв’язком поставлених дослідницьких задач. Для проведення теоретичного аналізу і моделювання процесу очищення використовувався підхід, що базується на чисельному розв’язку системи диференційних рівнянь, виведених за допомогою закономірності Гагена-Пуазейля для капілярних каналів у порівнянності з законом Дарсі, записі законів збереження маси для нестаціонарного спільного плину емульсії і скоалесцованої плівки нафтопродукту, що описують процес розділення двохкомпонентної полідисперсної рідини в коалесцувальному фільтрі.

Експериментальні дослідження процесу очищення НВВ у коалесцувальних фільтрах проводилися на стендах лабораторії засобів очищення води кафедри ЕМСС СевНТУ, спеціалізованому стендовому комплексі ЗАТ "Південне морське пароплавство" і в суднових умовах відповідно до методики випробувань нафтоводяного сепараційного обладнання з застосуванням фізико-хімічних методів аналізу (флюорометричний, спектрометричний, дисперсійний). Теоретичні розрахунки виконано за допомогою ЕОМ. Результати експериментів, проведених у лабораторіях і суднових умовах, оброблялися із застосуванням теорії імовірності і математичної статистики.

Основні наукові результати:

- вперше встановлено, що збільшення температури, присутність поверхнево-активних речовин призводить до зростання, а збільшення солоності – до зниження розчинності нафтових і органічних забруднень у суднових нафтовмісних водах, а це в свою чергу визначається наявністю і вмістом у забруднювальному нафтопродукті нафталінів, нафтенатів-нафтенових кислот і низькомолекулярних ароматичних вуглеводнів;

- встановлено закономірності впливу основних експлуатаційних факторів (вид перекачувальної помпи й умови подачі НВВ, температура і солоність емульсії) на ефективність розділення нафтовмісних вод, зокрема показано, що збільшення продуктивності помпи при напірному способі подачі лляльних вод істотно збільшує емульгацію НВВ, а застосування вакуумного режиму подачі дозволяє знизити середній визначальний розмір частинок емульсії в 1,5 рази, що дає можливість підвищити ефективність очищення в 1,5–2 рази;

- встановлено, що при очищенні суднових нафтовмісних вод у присутності ПАР в концентрації до 100 мг/л для забезпечення достатньої ефективності очищення коалесценцією необхідна попередня нейтралізація ПАР, наприклад фізико-хімічним способом; при очищенні емульсій, стабілізованих значною кількістю ПАР (г/л і більше), застосування коалесценції не є виправданим;

- одержано подальший розвиток положення молекулярно-кінетичної теорії дисперсних систем (М. Смолуховського) стосовно до розділення нафтоводяних емульсій в частині уточнення діапазонів дії гідродинамічного і контактного механізмів коалесценції при очищенні суднових нафтовмісних вод. Показано, що при розділенні НВВ із концентрацією дисперсної фази менше 10000 млн-1 вплив гідродинамічного механізму незначний, а при концентраціях менше 3000 млн-1 ним можна знехтувати;

- запропоновано нову математичну модель процесу розділення полідисперсної нафтоводяної емульсії з врахуванням динаміки процесу в об’ємі гранульованого коалесцувального наповнювача і програма її чисельного розв’язку, що дозволяє оцінити в динаміці основні параметри процесу очищення нафтовмісних вод і розробити наукові основи методики розрахунку фільтрів з коалесцувальним завантаженням;

- виявлено особливості процесу розділення нафтоводяних емульсій в об’ємі фільтра з коалесцувальним наповнювачем: встановлено, що ефективність розділення емульсії у фільтрі в основному залежить від її дисперсійного складу, а також від товщини плівки нафтопродуктів, що плине всередині капілярів фільтра, обумовленої видом і властивостями забруднювального нафтопродукту.

Достовірность наукових результатів, висновків і рекомендацій забезпечується застосуванням сучасних методів технічних досліджень, сукупністю даних лабораторних і натурних експериментів і порівнянністю результатів аналітичних рішень з лабораторними і натурними експериментами у всьому діапазоні режимних параметрів.

Наукове значення мають наступні результати дисертаційної роботи:

- проведені дослідження дозволяють уточнити діапазони дії контактного й гідродинамічного механізмів коалесценції та прогнозувати ефективність застосування коалесцувальних фільтрів для очищення забруднення нафтою вод у різних галузях промисловості (суднова, нафтохімічна);

- пропонована математична модель розділення емульсії у фільтрі з коалесцувальним завантаженням може бути основою для подальшого моделювання процесу розділення НВВ коалесценцією в частині обліку впливу на вихід процесу таких факторів, як гідромеханічний механізм коалесценції (для висококонцентрованих НВВ), наявність механічних домішок і ПАР.

Практична цінність роботи полягає в тому, що на основі математичної моделі процесу розділення нафтоводяної емульсії в обсязі гранульованого коалесцувального наповнювача подано рекомендації і методику розрахунку коалесцувальних фільтрів, розроблено і впроваджено типорозмірний ряд гравітаційно-коалесцувальних суднових сепараційних установок, що відповідають вимогам конвенції МАPПOЛ /78, резолюції ІМО MЕPC.60(33) і дозволяють проводити гарантоване очищення суднових НВВ до рівня 5 млн-1. На розроблені нафтоводяні коалесцувальні установки "Екомарин" видано відповідні сертифікати Морського Регістра Судноплавства и Регістра англійского Ллойда (Lloyd’s Register).

Також розроблено і виготовлено стендовий комплекс для сертифікаційних випробувань нафтоводяного сепараційного обладнання, що відповідає вимогам ІМО і має свідоцтво Регістру Судноплавства і Регістру Ллойда (Англія), а також програми та методики проведення розширених і міжвідомчих випробувань сепараційних установок.

Наукові і практичні результати дисертаційної роботи впроваджено Військово-Морськими силами України, в судноплавній компанії ЗАТ "Південне морське пароплавство", на Дніпропетровському тепловозоремонтному заводі (ДТРЗ), у проектно-конструкторському бюро "Невське ПКБ", НДІ математики і механіки ім. акад. В. І. Смірнова СПбДУ, ЦНДІ суднового машинобудування, ЗАТ "Південне морське пароплавство", нафтовій компанії ЗАТ "Арктикнафта" й інших підприємствах.

Проведення натурних і налагоджувальних випробувань розробленої сепараційної установки на плавбазі "Ф. Відяєв", танкері "Іман", очисному комплексі ДТРЗ, виробничій ділянці ЗАТ "Арктикнафта", а також міжвідомчих і експлуатаційних випробувань на очисному комплексі ЗАТ "Південне морське пароплавство" дозволило апробувати технологію очищення і розробити рекомендації із застосування зазначеного обладнання в суднових умовах і в нафтовій промисловості. Результати дисертаційної роботи використовуються також НДІ математики і механіки Санкт-Петербурзького державного університету при розрахунку режимів роботи коалесцувальних насадок, фільтрів і відстійників, при моделюванні процесів фільтрування забруднених середовищ через гранульоване завантаження, розрахунку коалесцувальних фільтрів різної продуктивності.

Особистий внесок автора полягає у:

- проведенні лабораторних експериментів з вивчення взаємодії нафтових вуглеводнів з водою, процесів фільтрування емульсії через гранульований коалесцувальний наповнювач, впливу ПАР на ефективність очищення НВВ;

- розробці математичної моделі процесу розділення полідисперсних нафтоводяних емульсій в об’ємі коалесцувального наповнювача і програми її чисельного розв’язку, розкритті механізмів розділення НВВ у коалесцувальних фільтрах сепараційних установок;

- розробці наукових основ і методики розрахунку типорозмірного ряду сепараційних установок коалесцувального типу;

- розробці стендового комплексу для експериментальних і кваліфікаційних випробувань суднового нафтоводяного сепараційного обладнання відповідно до вимог резолюції ІМО МЕРС.60(33), розробці програм і методик теоретичних і експериментальних досліджень;

- розробці пропозицій і рекомендацій з проектування, автоматизації й експлуатації суднових сепараційних установок коалесцувального типу;

- участі в розробці конструкції коалесцувальних сепараційних установок типу "Екомарин" і модернізації систем очищення суднових НВВ плавбази "Ф. Відяєв", допоміжних танкерів "Бахмач" та "Іман";

- участі в проведенні стендових, міжвідомчих випробувань сепараційних установок, випробувань у суднових умовах і на берегових об'єктах.

Апробація роботи. Основні результати дисертаційного дослідження доповідалися на:

- XI міжнародній науково-практичній конференції "Прикладні задачі математики і механіки" Севастопольського національного технічного університету, Севастополь, 2002 р.;

- засіданні науково-технічної ради ЗАТ "Південне морське пароплавство", Приозерськ, 2002 р.;

- VII міжнародній конференції "Екологія і розвиток Північно-Заходу Росії" Міжнародної Академії Наук екології і безпеки природи, Санкт-Петербург, 2002 р.;

- міжнародній науковій конференції з механіки "Треті Поляховські читання" Санкт-Петербурзького державного університету, Санкт-Петербург, 2003 р.;

- XII міжнародній науково-практичній конференції "Прикладні задачі математики і механіки" Севастопольського національного технічного університету, Севастополь, 2003 р.

Макет і принцип роботи сепараційної установки демонструвався на:

- V міжнародній виставці з судноплавства і суднобудування "Нева–1999", Санкт-Петербург, 1999 р.;

- IX міжнародній виставці нафтового і газового обладнання "Нафтогазекспо–2002", Москва, 2002 р.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 11 друкованих наукових робіт, з них 4 статті в спеціалізованих наукових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Структура й об’єм дисертації. Дисертація складається з основної частини (зміст, вступ, 5 розділів, висновок і списку літератури з 163 найменувань), містить 42 рисунка, 13 таблиць і 5 додатків, викладена на 130 сторінках машинописного тексту.

ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ. Обґрунтовано актуальність теми дисертації, сформульовано мету і задачі дослідження, вибрано об’єкт і предмет дослідження, показано наукову новизну і практичне впровадження результатів роботи.

Розділ 1. У розділі проведено аналіз нафтогенних забруднень НВВ, вивчено характеристики і властивості суднових НВВ, процеси взаємодії нафтових вуглеводнів з водою, проведено порівняльний аналіз технологій і технічних засобів очищення НВВ в умовах суднових енергетичних установок.

Результати дослідження процесу взаємодії найбільш розповсюджених нафтопродуктів (мазут М40, дизпаливо літнє, олива дизельна, нафта, бензин АІ92) у прісній і морській воді за різних умов показали, що розчинність нафтових вуглеводнів у воді зменшується в послідовності: ароматичні сполуки – нафтени – парафіни, а також зменшується збільшенням молекулярної маси; при цьому встановлено, що збільшення температури, присутність поверхнево-активних речовин призводить до зростання, а збільшення солоності – до зниження розчинності нафтових і органічних забруднень у суднових НВВ, що в свою чергу визначається наявністю і вмістом у складі забруднювального нафтопродукту нафталінів, нафтенатів-нафтенових кислот і низькомолекулярних ароматичних вуглеводнів.

Нафтові вуглеводні, що входять до складу суднових лляльних вод (дизпаливо, мазут, олії), представлені в основному вуглеводними сполуками, які є у нерозчиненому стані: у вигляді плівки на поверхні води, осаду або в крапельно-емульгованому вигляді. Вміст розчинених нафтопродуктів у лляльних водах суден не перевищує 1 млн-1.

Розглянуто також питання стійкості суднових НВВ. Показано, що суднові нафтовмісни води, що підлягають сепарації, є рідкою гетерогенною полідисперсною системою, в основі якої – термодинамічна слабостабілізована нафтоводяна емульсія, що містить механічні домішки. Причому в міру розділення, стійкість такої емульсії збільшується за рахунок зниження концентрації і середнього розміру частинок дисперсної фази, що знижує ортокінетичну коагуляцію й ускладнює процес очищення. Тому важливим є створення умов і технічних засобів, що дозволяють змінити дисперсійний склад емульсії, знизити її стійкість і підвищити якість очищення.

В розділі розглянуто перспективні методи очищення суднових НВВ, результати експлуатаційних і стендових випробувань нафтоводяних сепараційних установок різних типів і виробників. Зазначені дані стали основою для проведення порівняльної оцінки представлених технологій і очисних пристроїв за питомими масогабаритними показниками і питомими енерговитратами на роботу. В результаті виконаного аналізу встановлено, що коалесценція є одним з найефективніших способів очищення нафтовмісних лляльних вод у суднових умовах. За мінімальних енерговитрат, зіставлених лише з гравітаційним способом, коалесцувальні сепаратори забезпечують один з найвищих коефіцієнтів очищення, при цьому питомі показники маси й об’єму установок не перевищують характеристики більшості інших типів обладнання. Однак, через недостатню вивченість і складність процесу коалесценції, необхідність обліку експлуатаційних факторів, що істотно впливають на ефективність очищення, є доцільним провести попереднє експериментальне дослідження в умовах реальної експлуатації сепараційних установок, результати якого представлені в розділі 2 дисертаційної роботи.

Проведений теоретичний аналіз і досвід експлуатації нафтоочисного обладнання дозволили вибрати для попереднього дослідження наступні значимі фактори: спосіб подачі НВВ у сепараційну установку, тип і продуктивність перекачувальної помпи, концентрація дисперсної фази, температура і солоність НВВ, вплив поверхнево-активних речовин. Дослідження проводилися в режимі експлуатаційних випробувань дослідного зразка суднової сепараційної установки "Екомарин-2,5" на плавбазі "Ф. Відяєв", сепараційної нафтоочисної установки на виробничому майданчику ДТРЗ, сепараційної установки УОВ-1,6 ЗАТ "Арктикнафта" і на стендовому комплексі Південного морського пароплавства. Узагальнюючи результати представлених досліджень і випробувань, можна зробити наступні висновки:

- застосування гідродинамічних способів інтенсифікації міжкрапельної коалесценції за рахунок турбулізації фільтрувального потоку не є виправданим для очищення "збіднених" НВВ з концентрацією нафтопродуктів менше 3000 млн-1, до яких відносяться і суднові НВВ, що надходять в активну зону коалесцувального сепаратора;

- переважаючим процесом при очищенні коалесценцією НВВ з концентрацією дисперсної фази менше 10000 млн-1 є контактна коалесценція крапель емульгованих нафтопродуктів на поверхні коалесцувального матеріалу;

- вплив температури на процес гравітаційного розділення НВВ виявляється і може відображатися при моделюванні процесу зміною властивостей дисперсної фази (в'язкості і густини нафтопродуктів) і дисперсійного середовища (в'язкості води). При цьому найбільш ефективним є підігрів емульсії до температури 340K, оскільки при подальшому зростанні температури збільшення різниці густин води і нафтопродуктів, а також зниження в'язкості нафтопродуктів стає дуже малим;

- вплив солоності води на процес гравітаційного розділення НВВ виявляється і може відображатися зміною густини дисперсійного середовища;

- вплив способу подачі НВВ і характеристик перекачувальної помпи відображається зміною густини розподілу частинок нафтопродуктів (дисперсійного складу) емульсії, що надходить у сепараційну установку;

- використання коалесценції для очищення нафтовмісних вод зі значним (г/л) вмістом поверхнево-активних речовин не є доцільним. Тоді як застосування коагулянтів дозволяє досить ефективно розділяти за допомогою коалесцувального фільтра слабостабілізовані нафтоводяні емульсії з концентрацією ПАР не більше 100 мг/л.

Розділ 3. Третій розділ присвячений розробці і розв’язку математичної моделі процесу розділення полідисперсної нафтоводяної емульсії в фільтрі з коалесцувальним завантаженням.

Пропонована математична модель розділення води і емульгованих нафтопродуктів заснована на представленні фільтра, що складаєтсья зі сферичних гранул однакового розміру dг, у вигляді системи капілярів (рис. 1) радіуса r0=0,333dге/(1-е), що забезпечує збіжність відношення поверхні пор до їх

об’єму з реальним (е – пористість завантаження). Передбачається, що по гідрофобній поверхні капілярів тече плівка з коалесцувальної домішки, а в центрі капілярів – емульсія. Коалесцувальні краплі домішки утворять на гідрофобних стінках капілярів суцільну плівку, товщина якої д постійна по периметру поперечного перерізу і залежить тільки від подовжньої (уздовж осі капіляра) координати x і від часу ф.

Розглядається вертикальне фільтрування емульсії через систему похилих капілярів, причому кут нахилу прийнятий сталим і рівним середньому кутові б, вісь z спрямована вертикально вниз, а рівняння руху емульсії в одиничному капілярі виводяться в локальній циліндричній системі координат x, r, де вісь x спрямована уздовж осі каналу і складає з віссю z кут б (рис. 2).

У квазістаціонарному і квазіодномірному наближенні для середніх за ядром потоку і за перетином плівки швидкостей емульсії u1 і плівки u2 можна одержати:

,

,

де rд=r0 – д; g – прискорення вільного падіння; с – густина; м – в'язкість; p – тиск, що вважається сталим по всьому перетині капіляра, індексом 1 відзначені характеристики емульсії, індексом 2 – плівки, Дс=с1 - с2.

Якщо позначити як інтенсивність коалесценції (тобто об’єм нафтопродуктів, коалесцуючих в одиницю часу на одиниці поверхні плівки), то рівняння балансу для емульсії і скоалесцованої плівки приймуть вигляд:

; (1)

. (2)

де s1 і s2 – площі поперечного перерізу ядра потоку емульсії і плівки, ц – концентрація нафтопродуктів в емульсії. Оскільки коалесценція крапель емульсії відбувається переважно за рахунок седиментації під дією сили тяжіння, то можна одержати з формули Адамара-Рибчинського:

, (3)

де dк - діаметр крапель емульсії, .

Рівняння (1) і (2) чисельно розв’язувались за явно різницевою схемою з допомогою спеціально розробленої комп’ютерної програми. Оцінки, підтверджені розрахунками за рівняннями (1) і (2), показали, що похідною по часу в рівнянні (1) можна знехтувати, тобто вважати процес коалесценції квазістаціонарним. Тоді, враховуючи що s1u1 const, з рівняння (1) маємо:

. (4)

Інтеграл у виразі (4) обраховується методом трапецій. Розв’язок даної системи рівнянь описує поведінку двох функцій: концентрації нафтопродуктів в очищеній воді ? і товщини плівки s2 в залежності від висоти шару фільтрувальної засипки і часу роботи фільтра. Оскільки гідродинамічна коалесценція в емульсії, що розділюється, нескінченно мала порівняно з седиментаційною, то легко одержати узагальнення на випадок полідисперсної емульсії. Тоді кожна фракція осаджується на стінки капіляра незалежно, і рівняння (1) і (2) можна записати для кожної фракції, записавши ц, ц0, qд, dк з додатковими індексами i, що означають приналежність до i-тої фракції. У рівнянні (2) при цьому під qд слід розуміти суму інтенсивностей осадження усіх фракцій: qд=У qдi.

На основі розробленої моделі було розраховано технологічні параметри й ефективность процесу розділення нафтоводяної емульсії при фільтруванні в коалесцувальному фільтрі. Результати проведених розрахунків представлені на рис. 3–6.

На рис. 3 представлено результати розрахунку фільтрування полідисперсної емульсії дизельного палива (с=833 кг/м3, м=0,005 кг/мс) за висоти фільтрувальної засипки Н=0,5 м, діаметру гранул 2 мм і питомого навантаження 3,6 м3/м2год при напірному способі подачі НВВ. Для наочності графічного співставлення розрахункових кривих процесу коалесценції легких и важких палив початкова об’ємна концентрація нафтопродуктів в емульсіях ц0 прийнята за 10000 млн-1. Крива S2/S0 (z) ілюструє зміну в часі частини поперечного перерізу капілярів, зайнятої скоалесцованою домішкою. Зі зменшенням концентрації нафтопродуктів ц/ц0 в напрямку плину видно, що основне розділення емульсії відбувається поблизу входу у фільтрувальний шар, а потім плівка нафтопродуктів тече по стінках капілярів, захоплена фільтрувальним потоком. В міру заповнення пор фільтра нафтопродуктами ступінь очищення емульсії зменшується, що видно на кривій зміни концентрації домішки на виході фільтра цк(ф) в часі. Після досягнення плівкою вихідного перетину фільтр працює в стаціонарному режимі і його конструкція повинна забезпечувати ефективне видалення нафтопродуктів, що стікають у плівці, без їх змішування з відфільтрованою водою.

На рис. 4 показано аналогічні результати фільтрування емульсії мазуту, що має в порівняно з дизельним паливом великі густину і в'язкість (с=900 кг/м3, м=0,08 кг/мс). Видно, що через більшу в'язкість плівка скоалесцованої домішки тече повільніше і займає більше простору в порах. Це помітно знижує ефективність очищення цк порівняно з емульсією дизельного палива, що обумовлено також більшою густиною мазуту і зменшенням внаслідок цього різниці густин Дс.

В ході досліджень на основі даних дисперсійного аналізу проводився розрахунок ефективності очищення емульсій з різним дисперсійним складом, що відповідають напірній і вакуумній схемам подачі вихідної емульсії в коалесцувальний фільтр (рис.5 - 6). Аналіз розрахункових залежностей показує, що основним фактором, який визначає ефективність очищення нафтоводяної емульсії в коалесцувальному фільтрі, є дисперсійний склад частинок. Густина і в'язкість нафтопродукту впливає на товщину плівки скоалесцованої домішки всередині капілярів фільтра.

Так як згідно даних дисперсійного аналізу, важкі сорти палив емульгують менше, ніж легкі, тому ступінь очищення води від важких нафтопродуктів (мазуту) у коалесцувальному фільтрі перевищує ефективність очищення від більш легких сортів (дизпаливо), що ілюструється на рис.5 - 6. При цьому зміна дисперсійного складу вихідної емульсії вбік частинок великих розмірів за рахунок застосування вакуумного способу подачі НВВ дозволяє підвищити ефект очищення емульсії в коалесцувальному фільтрі в 1,5–2 рази за інших незмінних умов.

Згідно з проведеними розрахунками, сила тяжіння на плин осадженої плівки практично не впливає, тому напрямок фільтрування визначається насамперед зручністю подачі забрудненої води, а також видалення відсепарованих забруднень.

У кінцевому результаті розробки методики розрахунку необхідно вивести рівняння, що дозволяють без застосування складного математичного апарата визначати величини, необхідні проектантові для визначення оптимальних значень висоти гранульованого шару H, діаметра корпуса сепаратора D залежно від прийнятого питомого навантаження q і необхідної очисної здатності цк (рис.7) при роботі фільтра в сталому режимі. Такий режим фільтрування можна розрахувати без розв’язування диференційного рівняння (2) у частинних похідних для s2, якщо прийняти наступні припущення, засновані на аналізі отриманої чисельно картини плину емульсії і плівки в коалесцувальному фільтрі: s2=const; цк “ц0; s2“s0.

У цьому випадку після ряду перетворень можна одержати з (2) і (4) наступний вираз для визначення ступеня очищення фільтра за заданими параметрами і умовами експлуатації з узагальненням на випадок полідисперсної емульсії:

, (5)

де .

Для оцінки точності запропонованої формули (5) за допомогою розробленої комп'ютерної програми було проведено серію розрахунків одночасно і за диференціальними рівняннями, і за даною формулою. Аналіз результатів комп'ютерного розрахунку параметрів фільтра показує, що точність запропонованої спрощеної формули (5) достатня для практичних розрахунків і припущення про малість s2 порівняно з s0 дає незначну похибку (менше 1%) навіть при s2/s0=0,2...0,3

Адекватність розрахункових рівнянь перевірена співставленням розрахункових і експериментальних даних за результатами систематичних випробувань коалесцувальних сепараторів різних типорозмірів.

Розділ 4. В розділі викладено методику проведення експериментального дослідження процесу розділення нафтоводяної емульсії в об’ємі гранульованого коалесцувального наповнювача, методики відбору проб, вимірювання концентрації нафтопродуктів у воді, дисперсійного аналізу. Дослідження проводилося на модельних нафтоводяних емульсіях, для одержання яких був розроблений і виготовлений універсальний експериментальний комплекс. Він включає стенд для випробувань нафтоводяного обладнання (рис. 8), що дозволяє регулювати вихідну концентрацію, дисперсність, густину і в'язкість нафтопродуктів, температуру і витрату емульсії, імітувати крен судна й експериментальний коалесцувальний фільтр.

У даній роботі використано люмінесцентний експрес-метод вимірювання концентрації нафто-продуктів у воді, що лежить в основі сигналізатора "Флюорат-411", сертифікованого Морським Регістром Судноплавства і Держстандартом. Даний прилад призначений для цілодобової автоматичної роботи за встановленою програмою. Представницькі і контрольні проби аналізувались з допомогою арбітражного методу інфрачервоної спектрометрії (ІЧС). Дисперсний склад досліджуваних емульсій визначався мікроскопічним методом на апараті "Мікрофот" (Німеччина). Експериментальна частина роботи виконана з використанням методів математичного планування, що дозволило скоротити обсяги дослідів без погіршення точності отриманих результатів.

Розділ 5. У розділі наведено результати експериментального дослідження процесу очищення НВВ у коалесцувальному сепараторі, рекомендації з методики розрахунку, проектування й експлуатації коалесцувальних сепараційних установок, а також опис розробленого типорозмірного ряду суднових сепараційних установок "Екомарин", програм і методик випробувань суднового обладнання очищення НВВ.

Експериментальна частина роботи виконувалась з використанням методів планування експерименту, результати яких оброблялися із залученням теорії математичної статистики (із застосуванням критеріїв Кохрена і Фішера).

Адекватність проведеного в розділі 3 аналізу роботи коалесцувального фільтра й отриманих залежностей з тими, що мають місце в якісному плані, підтверджується збіжністю результатів розрахунку математичної моделі розділення нафтоводяної емульсії і результатів експериментальних досліджень.

Застосування розробленої методики фільтрів з коалесцувальним завантаженням дозволило розрахувати на прикладі установок "Екомарин" основні показники фільтрувальних касет коалесцувальних сепараторів різних типорозмірів. На рис. 9 представлена принципова схема розробленого сепаратора очищення НВВ, у якому як коалесцувальний матеріал застосовано гідрофобізовані скляні кульки розміром 1,2-1,3 мм., а в табл.1 – результати типових сертіфікаційних випробувань головного зразка установки "Екомарин-0,6" при огляді обладнання Регістром Судноплавства и Регістром англійського Ллойда. У розділі приведено рекомендації з експлуатації, автоматизації установки і регенерації коалесцувального завантаження, запропоновано принципови схеми очисних установок з вакуумним і напорним способом подачі НВВ, для суднової і нафтохімічної промисловості, в тому числі обладнаних ступенями глибокого доочищення води до рівня, який вимагаєьтся від водойм рибогосподарського значення.

Таблиця 1

Результати випробувань установки "Екомарин-0,6"

Нафта для випробувань

Test oil (C) | Нафта для випробувань

Test oil (B)

Вхід, % | Вихід, млн-1 | Вхід, % | Вихід, млн-1

0,5 – 1 | 0,64 | 0,5 – 1 | 0,98

0,5 – 1 | 0,56 | 0,5 – 1 | 0,61

0,5 – 1 | 0,47 | 0,5 – 1 | 0,80

25 | 0,75 | 25 | 0,82

25 | 0,36 | 25 | 0,54

25 | 0,44 | 25 | 0,59

0 | 0,75 | 0 | 0,76

0 | 0,36 | 0 | 0,67

Представлено опис і технічні характеристики розробленого на основі проведених досліджень типорозмірного ряду сепараційних установок продуктивністю 0,6; 1,6; 2,5; 5; 10 м3/год, а також основні положення розроблених автором програм і методик випробувань даного обладнання, проведених за участю Морського Регістра Судноплавства, Річкового Регістра, Регістра англійського Ллойда і міжвідомчої комісії.

ВИСНОВКИ

1. У дисертаційній роботі представлено нове вирішення проблеми підвищення ефективності очищення суднових НВВ шляхом оптимізації геометричних і експлуатаційних характеристик сепараторів коалесцувального типу на основі розробленої математичної моделі процесу розділення полідисперсної нафтоводяної емульсії і методики проектування фільтрів з коалесцувальним наповнювачем.

2. На підставі відомих робіт і проведених досліджень встановлено закономірності процесів взаємодії нафти і продуктів її переробки з водою, переходу нафтогенних сполук у розчин НВВ за різних зовнішніх умов, що визначають вид і фазо-дисперсний стан вуглеводневих забруднень у НВВ. Встановлено, що збільшення температури, присутність поверхнево-активних речовин призводить до зростання, а збільшення солоності – до зниження розчинності нафтових і органічних забруднень у лляльних водах; вміст розчинених фракцій нафтопродуктів для суднових лляльних вод складає незначну величину порядку 1 млн-1.

3. Встановлено закономірності впливу основних експлуатаційних факторів (вид перекачувальної помпи й умови подачі НВВ, температура і солоність дисперсійного середовища, присутність поверхнево-активних речовин) на характеристики процесу очищення суднових НВВ.

4. Отримано подальший розвиток положень молекулярно-кінетичної теорії дисперсних систем стосовно до розділення нафтоводяних емульсій у частині уточнення діапазонів дії гідродинамічного і контактного механізмів коалесценції при очищенні суднових НВВ. Показано, що при розділенні НВВ із концентрацією дисперсної фази менше 10000 млн-1 вплив гідродинамічного механізму є незначний, а при концентраціях менше 3000 млн-1 цим впливом можна знехтувати.

5. Запропоновано нову математичну модель процесу розділення нафтоводяной емульсії в об’ємі коалесцувального наповнювача, розробленої з використанням закономірності Гагена-Пуазейля для капілярних каналів у порівнянності з законом Дарсі. Записано закони збереження маси для нестаціонарного спільного плину емульсії і скоалесцованої плівки нафтопродукту. На основі квазістаціонарного розгляді фільтрування полідисперсної емульсії виведено рівняння для визначення ступеня очищення води від домішок і товщини плівки нафтопродуктів, що дозволяють отримати залежність цих параметрів від часу роботи фільтра і тим самим оцінити показники процесу в динаміці.

6. Розроблено програму чисельного розв’язку системи отриманих диференційних рівнянь мовою Паскаль, що дозволяє моделювати роботу коалесцувального фільтра за різних вихідних проектних даних і умов експлуатації. Вірогідність теоретичного аналізу підтверджена зіставленням результатів розрахунку й експерименту у всьому діапазоні режимних параметрів.

7. Виявлено особливості процесу розділення нафтоводяних емульсій в об’ємі фільтра з коалесцувальним наповнювачем: встановлено, що ефективність розділення емульсії у фільтрі залежить переважно від її дисперсійного складу, а також від товщини плівки нафтопродуктів, що плине усередині капілярів фільтра, обумовленої видом і властивостями забруднювального нафтопродукту.

8. Розроблено методику розрахунку коалесцувальних фільтрів і проектування сепараційних установок даного типу, що дозволяє проектантові розраховувати основні характеристики сепараторів без застосування складного математичного апарату.

9. Розроблено рекомендації з проектування та експлуатації коалесцувальних сепараційних установок для очищення суднових нафтовмісних вод. Запропоновано різні варіанти систем для очищення НВВ за вакуумною і напірною схемою подачі для суднової та нафтохімічної промисловості, а також систем з доочисними фільтрами для скидання очищеної води у водойми першої категорії.

10. Розроблено і виготовлено експериментальний стендовий комплекс для проведення випробувань і сертифікації суднового нафтоводяного сепараційного обладнання, засвідчений Регістром судноплавства і Регістром Ллойда, а також програми і методики проведення розширених і стендових випробувань, що пройшли відповідну апробацію.

11. Розроблено конструкцію і типорозмірний ряд гравітаційно-коалесцувальних сепараційних установок типу "Екомарин" для очищення суднових НВВ, що забезпечують високий ступінь розділення нафтоводяної емульсії (не більше 5 млн-1), мають практично необмежений ресурс роботи, прості у виготовленні й експлуатації. Зазначені установки пройшли міжвідомчі випробування, відповідають вимогам ІМО і сертифіковані Морським Регістром Судноплавства і Регістром Ллойда (Англія).

12. Результати дисертаційної роботи використовуються ВМС ЗС України, Регістром Ллойда (Англія), проектно-конструкторським бюро "Невське ПКБ" при розробці систем очищення НВВ і сепараторів коалесцувального типу, програм і методик випробувань суднових сепараторів, а також у НДІ математики і механіки СПбДУ в розрахунках і проектуванні фільтрів з коалесцувальним завантаженням.

Використання матеріалів дисертації на суднах морського флоту, Військово-морських сил та інших міністерств і відомств буде сприяти вирішенню важливого державного і природоохоронного завдання з виконання Україною міжнародних угод, викладених у матеріалах організації ІМО, Конвенції із запобігання забрудненню моря із суден МАРПОЛ-73/78, сприяти підвищенню екологічної безпеки суднових енергетичних установок.

Основні результати дисертації опубліковані в наукових спеціалізованих виданнях:

1. Пчелинцев Д.В. Влияние способа подачи нефтесодержащих вод на очистную способность НВФУ/Д.В. Пчелинцев, В.М. Хапаев //Вестник СевГТУ. – Севастополь, 1996. – Вып.3.-с.65-68.

2. Пчелинцев Д.В. Разделение эмульсий с учетом гидродинамического взаимодействия частиц дисперсной фазы/Д.В. Пчелинцев, В.М. Хапаев //Вестник СевГТУ. – Севастополь, 1997. – Вып.6. – с.139-142.

3. Пчелинцев Д.В. Взаимодействие нефтепродуктов с водой /Д.В. Пчелинцев, В.М. Хапаев //Вестник СевГТУ.– Севастополь,1999.– Вып.16.-с.42-45.

4. Пчелинцев Д.В. Анализ современных методов определения концентрации нефтепродуктов в воде для контроля нефтесодержания очищенных вод/Д.В. Пчелинцев//Жизнь и безопасность. – Санкт-Петербург, 2001.- №3-4.- с.423-424.

5. Пчелинцев Д.В. Очистка судовых нефтесодержащих вод/Д.В. Пчелинцев //Вода и экология: проблемы и решения. – СПб, 2002. - №2. – с.64-67.

6. Пчелинцев Д.В. Оценка эффективности использования активной зоны НВФУ “Экомарин” /Д.В. Пчелинцев //Вестник СевГТУ. – Севастополь, 2002. – Вып.39. – с.90-91.

7. Пчелинцев Д.В. Экологическая безопасность СЭУ: проблема очистки судовых льяльных вод/Д.В. Пчелинцев //Судоходство.– Одесса, 2002.-№7-8.–с.56.

8. Пчелинцев Д.В. Математическое моделирование очистки нефтесодержащих вод в фильтре с коалесцирующей загрузкой/ Г.В. Кочерыженков, С.К. Матвеев, Д.В. Пчелинцев //Аэродинамика. – СПб.: НИИХимии С.-Петербургского университета, 2002. – с.169-174.

9. Пчелинцев Д.В. Разделение эмульсии в фильтре с коалесцирующей загрузкой/ Г.В. Кочерыженков, С.К. Матвеев, Д.В. Пчелинцев // Избранные труды международной научной конференции по механике “Третьи Поляховские чтения”. - Санкт-Петербург: СПбГУ, 2003.с.146-150.

10. Пчелинцев Д.В. Фильтрация нефтесодержащих вод в коалесцирующем фильтре /Д.В. Пчелинцев// Материалы XI международной научно-практической конференции 16-21 сентября 2002. – Севастополь: СевНТУ, 2002.- с.102-105.

11. Пчелинцев Д.В. Методика расчета нефтеводяных сепараторов коалесцирующего типа /Д.В. Пчелинцев// Материалы XII международной научно-практической конференции 15-21 сентября 2003. – Севастополь: СевНТУ, 2003.- с.209-212.

Публікації, в яких додатково викладено зміст дисертації:

1. Пчелинцев Д.В. Глубокая очистка судовых нефтесодержащих вод /Д.В. Пчелинцев //Тезисы докладов 7 международной конференции по экологии 2-7 августа 2002. – Санкт-Петербург: МАНЭБ, 2002. – с. 110-111.

2. Пчелинцев Д.В. Нефть и экология моря: проблема очистки судовых нефтесодержащих вод /Д.В. Пчелинцев // Промышленный вестник. – СПб. – 2002. – №6. – с.23

Особистий внесок здобувача у роботи, опубліковані в співавторстві, полягає у наступному: виконання експериментальних досліджень, проведення дисперсійного аналізу [1]; виконання експериментальних досліджень, розрахунок граничних концентрацій часток дисперсійної фази [2]; проведення лабораторних досліджень і аналіз їх результатів [3]; розробка моделі фільтрації нафтоводяної емульсії в фільтрі з гранульованим наповнювачем [8]; розробка програми кількісного рішення розглядуваної математичної моделі, проведення розрахунків основних параметрів роботи коалесцувального фільтра [12]; узагальнення розглядуваної математичної моделі на випадок полідисперсійної емульсії, розрахунок дисперсійного складу емульсії по висоті фільтра [13].

АНОТАЦІЯ

Пчелінцев Д.В. Підвищення ефективності очищення суднових нафтовмісних вод у коалесцувальній сепараційній установці. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.08.05 – суднові енергетичні установки і їх елементи. – Севастопольський національний технічний університет, Севастополь, 2003.

У дисертаційній роботі представлено нове вирішення проблеми підвищення ефективності очищення суднових НВВ шляхом оптимізації геометричних і експлуатаційних характеристик сепараторів коалесцувального типу на основі розробленої математичної моделі процесу розділення полідисперсної нафтоводяної емульсії і методики проектування фільтрів з коалесцувальним наповнювачем. У роботі встановлено закономірності процесів взаємодії нафти і продуктів її переробки з водою, досліджено процес переходу нафтових забруднень зі складу нафти і нафтопродуктів у розчин НВВ, вплив експлуатаційних факторів на ефективність очищення суднових НВВ, розроблено нову математичну модель процесу розділення нафтоводяної емульсії з врахуванням динаміки процесу, методику розрахунку типорозмірного ряду сепараційних установок коалесцувального типу.

В результаті проведених досліджень розроблено і впроваджено типорозмірний ряд гравитаційно-коалесцувальних суднових сепараційних установок, що дозволяють проводити очищення суднових НВВ до рівня менше 5 млн-1, розроблено і виготовлено спеціалізований стендовий комплекс для сертифікаційних випробувань нафтоводяного сепараційного обладнання відповідно до вимог ІМО.

Ключові слова: очищення, суднові нафтовмісні води, коалесценція, сепаратори, математична модель, методика розрахунку.

АННОТАЦИЯ

Пчелинцев Д.В. Повышение эффективности очистки судовых нефтесодержащих вод в коалесцирующей сепарационной установке.- Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.08.05 - судовые энергетические установки.- Севастопольский национальный технический университет, Севастополь, 2003.

В диссертационной работе представлено новое