ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Одеська національна морська академія
Істомін Валерій Іванович
УДК 629.12.03:628.05
УДОСКОНАЛЕННЯ ФУНКЦІОНАЛЬНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ СУДНОВИХ СИСТЕМ ОЧИЩЕННЯ НАФТОВМІСНИХ ВОД
05.08.05 - суднові енергетичні установки
Автореферат
дисертації на здобуття наукового
ступеня доктора технічних наук
Одеса – 2006
Дисертація є рукописом
Работа виконана в Севастопольському національному технічному университеті
Міністерства освіти і науки України
Науковий консультант: доктор технічних наук, професор Капустін Віктор
Володимирович, Севастопольський національний
технічний университет, завідуючий кафедрою
судноводіння та безпеки судноплавства
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій
Альбертович, Одеська національна морська академія,
завідуючий кафедрою суднових енергетичних
установок
доктор технічних наук, професор Тимошевський Борис
Гіоргиєвич, Національний університет кораблебудування
ім. адм. Макарова, м. Миколаїв, завідуючий кафедрою
двигунів внутрішнього згорання
доктор технічних наук, професор Грабовський Петро
Олександрович, Одеська державна академія будівництва та
архітектури, професор кафедри водопостачання та раціональ-
ного використання водних ресурсів
Провідна установа: Одеський національний морський університет, Міністерства освіти і науки України
Захист відбудеться 31 жовтня 2006 р. о 10.00 годині на засіданні спеціалізованої ради Д 41.106.01 в Одеській національній морській академії за адресою: 270029, м. Одеса, вул. Дідріхсона,8.
З дисертацією можна ознайомитися у библиотеці ОНМА.
Відзиви у двох примірниках за підписом, завіреним печаткою установи, просимо направляти вченому секретарю спеціалізованої ради за адресою академії.
Автореферат розісланий ____ ____________ 2006 г.
Вчений секретар
спеціалізованої ради Д 41.106.01
доктор технічних наук, професор В. А. Голіков
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми дисертаційної роботи обумовлена зобов'язаннями України, як морської держави, виконувати вимоги Міжнародної Конвенції щодо запобігання забрудненню з суден МАРПОЛ-73/78, які мають статус національних і закріплені низкою законодавчих актів.
Суднові енергетичні установки (СЕУ) шкідливо впливають на навколишне середовище, внаслідок вибросів нафтвмісних вод, відроблених газів, твердих виробничих відходів та теплоти.
Однак, як показав аналіз екологічної моделі СЕУ найбільшої екологічної шкоди під час експлуатації суден завдається внаслідок забруднення водних об'єктів нафтою, що обумовлено швидким зростанням чисельності флоту та обсягів нафтовмісних вод, збільшенням кількості морських вантажоперевезень, підвищенням потужності суднових енергетичних установок. Згідно даних міжнародної морської організації ІМО інтенсивність забруднення Світового океану внаслідок експлуатації суден за останнє десятиріччя не знизилася й продовжує залишатися досить високою, завдаючи колосальної економічної і екологічної шкоди Світовому океану.
Через це з 1998 року підвищилися вимоги до якості очищення суднових нафтовмісних вод (НВВ). Так конвенційне суднове обладнання й системи повинні сьогодні забезпечувати стійке відділення нафтопродуктів із забруднених вод з концентрації 250?10? млн-1 до 15 млн-1. Раніше допускалося скидання НВВ із концентрацією нафтопродуктів до 100 млн-1.
Для підвищення ефективності використання засобів запобігання забрудненню моря нафтою і створення систем нового покоління необхідно комплексне дослідження аспектів процесу очищення суднових НВВ на всіх стадіях, що дозволить удосконалити функціональні властивості установок і систем і враховувати вплив усіх елементів суднової енергетичної установки на ефективність очищення.
Аналіз переваг і недоліків відомих способів і типів установок для очищення нафтовмісних вод СЕУ, а також досвід їх експлуатації показали, що найперспективнішими є коалесцуючі фільтроелементи за умови підвищення ресурсу їхньої роботи й глибини очищення НВВ.
Наукова проблема полягає в тому, що відсутня комплексна концепція вдосконалювання суднових систем очищення НВВ, заснована на системному підході й підвищенні ефективності массопереносу в процесі очищення шляхом зменшення внутрішньої енергії полідисперсного неоднорідного двокомпонентного середовища – нафтоводяної емульсії на всіх стадіях очищення у багатокаскадних суднових системах.
Теоретично й експериментально метод коалесценції досліджений значно меншою мірою, ніж інші методи, на цей час немає загальновизнаної теорії фільтрації й коалесценції двокомпонентної полідисперсної рідини. Відсутні методики розрахунку й проектування коалесцуючих фільтрів. Не виявлена низка факторів, які впливають на процеси, що протікають.
Існуючі методи математичного моделювання складних багатофакторних процесів фільтрації двокомпонентної неоднорідної полідисперсної рідини не враховують сили, взаємодії часток дисперсної фази й дисперсійного середовища з фільтроелементом.
Також відсутні методи й закономірності для розрахунку норм добового обсягу накопичення суднових нафтовмісних вод і методика розрахунку оптимальної пропускної здатності систем очищення.
З погляду оптимізації процесу очищення НВВ на цей час не розроблені узагальнені критерії ефективності систем очищення, що дозволяють комплексно оцінити оптимальність системи в цілому за основними експлуатаційними показниками: ступенем очищення, вартістю, пропускною здатністю.
У зв’язку з наведеним, актуальність теми дисертації пов’язана з необхідністю розширення теоретичних та експериментальних досліджень по зниженню шкідливих наслідків забруднення моря нафтою при експлуатації СЕУ на підставі підвищення ефективності очищення та массопереносу у багатокаскадних суднових системах, які характеризуються мінімальмини вартістю і енергоспоживанням та оптимальною пропускною здатністю.
Зв'язок роботи з науковими програмами й планами.
Обрані напрямки для дисертаційного дослідження відповідають:
-
Закону України “Про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності в Україні” № 433-IV від 16 січня 2003 року, стаття 8 “Середньострокові пріоритетні напрямки інноваційної діяльності, і пункт 2. “Машинобудування й приладобудування як основа високотехнологічного відновлення всіх галузей виробництва: виробництво сучасної ракетно-космічної та авіаційної техніки, суден і електровозів нового покоління”;
-
Закону України “Про пріоритетні напрямки розвитку науки і техніки за період до 2006 року” № 2623-III від 11 липня 2001 року, пункт 3. “Охорона навколишнього середовища”; пункт 6 “Новітні технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі”;
-
програмам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (наказ № 633 від 05 листопада 2002 року, відповідно до якого в Севастопольському національному технічному університеті виконуються дослідження з проблеми “Охорона навколишнього середовища”;
-
науково-дослідній програмі Регістра України щодо розробки “Правил класифікації й побудови морських суден” відповідно до тематичного плану Міністерства транспорту України, затвердженого наказом Укрморрічфлоту України № 34 від 19 лютого 2002 року;
-
працям Українського державного науково-дослідного інституту стандартизації і сертифікації суднобудування (УкрДержНДІСС) на виконання постанови Кабінету Міністрів України від 03.01.2000 р. № 2 “Про порядок і терміни дії галузевих стандартів і прирівняних до них інших нормативних документів колишнього СРСР”. Автором, відповідно до договору № 10 від 23.03.2005 р. з УкрДержНДІСС, розроблений галузевий стандарт України СОУ МПП 47.020-65:2005 “Судна морські. Запобігання забрудненню моря нафтою. Норми добового накопичення нафтовмісних вод машинних приміщень суден і методика розрахунку пропускної здатності систем очищення”.
-
планам науково-дослідних робіт за госпдоговорами Севастопольського національного технічного університету: ДР № 01870014500 “Розробка комплексу заходів і досліджень щодо вдосконалювання статичних сепараційних установок” (керівник розділу); ДР № 01880011791 “Розробка техдокументації ескізного проекту й дослідження типорозмірного ряду сепараційних установок з орієнтованою структурою волокон, макета сепаратора із гранульованим наповнювачем” (керівник розділу); ДР № 01900054018 “Розробка експериментального зразка сепаратора лляльних вод судна ПС-379” (науковий керівник).
Метою дисертації є зниження шкідливих наслідків забруднення моря нафтою під час експлуатації суднових енергетичних установок.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні головні завдання дослідження:
-
вивчити, описати й досліджити процеси коалесценції й поділу нафтоводяних емульсій у фільтроелементах з нежорсткою структурою;
-
науково обґрунтувати вибір типу й режимів роботи насосів систем очищення нафтовмісних вод з метою мінімізації вторинного емульгування;
-
розробити методологію розрахунку й оцінки конструктивних і експлуатаційних параметрів нежорстких фільтроелементів;
-
оцінити на основі узагальненого критерію оптимальності та створити перспективні суднові системи очищення нафтовмісних вод з новими вдосконаленими функціональними властивостями.
Об'єктом дослідження є процес комплексного очищення нафтовмісних вод, що неминуче утворюються під час експлуатації суднових енергетичних установок.
Предметом дослідження є параметри і закономірності массопереносу в процесах накопичення, перекачування, коалесценції і розділення нафтовмісних вод у суднових системах очищення.
Методи дослідження. У роботі застосовані методи, використовувані при вивченні законів руху і реології багатокомпонентних неоднорідних рідин, а саме: концепція взаємопроникного руху континуумів компонент і теорія подібності при дослідженні процесів коалесценції й поділу НВВ у фільтроелементах з нежорсткою структурою; методи планування експерименту й регресійного аналізу при проведенні експериментальних досліджень; методи дисперсного аналізу й математичного моделювання на ЕОМ при дослідженні емульгуючої здатності насосів; теорія ймовірностей і методи математичної статистики при визначенні адекватності математичних моделей; комплексної оптимізації при оцінці ефективності й досконалості систем очищення.
Наукова новизна дисертаційної роботи полягає в наступному:
-
вперше встановлені закономірності впливу параметрів тканини і режимів фільтрації на коефіцієнт ефективності роботи Кеф тканинних фільтроелементів. Встановлено, що найбільший вплив на Кеф оказує розмір чарунки та число шарів тканини внаслідок інтенсифікації контактної коалесценції. Виходячи з концепції руху взаємопроникаючих континуумів, отримані диференціальні рівняння процесу фільтрації нафтовмісних вод у тканинних фільтрах, розроблена й експериментально підтверджена узагальнена математична модель процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод у тканинних фільтрах, котра дозволяє визначити раціональні конструктивні й експлуатаційні параметри фільтроелементів;
-
уперше, отримані нові гідродинамічні комплекси Vi і Se, які дозволяють моделювати досліджуваний процес і визначати залежності ефективності процесу коалесценції від параметрів самої тканини, режиму фільтрації та властивостей нафтоводяної емульсії. Гідродинамічний комплекс Vi являє собою відношення адгезійної сили до сил інерції й тертя і характеризує вимушений рух нафтоводяної емульсії в об’ємі тканинного коалесцуючого фільтроелемента. Гідродинамічний комплекс Se є відношенням адгезійної сили до піднімальної сили, що діють на частки дисперсної фази нафтоводяної емульсії в об’ємі чарунки тканинного коалесцуючого фільтроелемента й характеризує вільний рух краплин нафти внаслідок різниці густини.
-
вперше, отримані закономірності, що дозволяють встановити вплив параметрів гранульованих фільтроелементів та умов їх експлуатації на ефективність очищення нафтовмісних вод. На підставі урахування сил взаємодії часток дисперсної фази нафтовмісних вод з фільтроелементом отримали подальший розвиток основні диференціальні рівняння процесу очищення нафтовмісних вод в гранульованих фільтроелементах, виходячи з яких знайдені фактори, що визначають ефективність очищення; розроблена математична модель процесу очищення нафтовмісних вод СЕУ в обсязі гранульованого завантаження, що дозволяє визначити раціональні параметри установок очищення НВВ;
-
у рамках комплексного підходу до розв’язання завдання підвищення ефективності функціонування суднових систем очищення нафтовмісних вод досліджений вплив процесу перекачування нафтовмісних вод на якість очищення, вперше отримані аналітичні та експериментальні залежності емульгуючої здатності насосів від їх конструктивних й експлуатаційних характеристик, розроблена й експериментально підтверджена математична модель емульгуючої здатності насосів гвинтового типу;
-
вперше отримані й науково обґрунтовані нові норми для визначення добового обсягу накопичення нафтовмісних вод СЕУ з урахуванням типу, водотоннажності й віку судна на основі масштабних експлуатаційних досліджень складу й обсягу накопичення суднових нафтовмісних вод, що дозволяє суттєво зменшити вартість та енергоспоживання систем очищення.
Внаслідок узагальнення наукових результатів дисертаційної роботи можна сформульовати наступні наукові положення.
1.
Підвищення ефективності очищення й масопереносу досягається шляхом керування силами взаємодії часток дисперсної фази та дисперсійного середовища нафтовмісних вод з матеріалом фільтроелемента, на основі обліку цих сил розроблений новий метод моделювання процесів реології неоднорідної двокомпонентної полідисперсної рідини - нафтоводяної емульсії.
2.
Встановлено, що ефективність суднових систем очищення НВВ істотно залежить від типу перекачувального насоса і режимів його роботи. При цьому перепад тиску є визначальним чинником і здійснює найбільш істотний вплив на емульгуючу здатність насосів, внаслідок значного збільшення дотичних напружень. Тому фільтруюче обладнання й система в цілому повинні мати стабільно мінімальний гідравлічний опір (не більше 0,1 МПа) при частоті обертання насоса 600 хв-1, раціональне значення критерію подібності Зоммерфельда-Мишке для режимів роботи насосів в цьому випадку лежить у межах (6,7…10)·106.
3.
Зниження вартості, енергоспоживання очищення НВВ досягається використанням розроблених тканинних і гранульованих коалесцуючих фільтроелементів, що мають нежорстку структуру для ефективної регенерації та оптимальну пропускну здатність, розраховану за розробленою методикою з урахуванням індивідуальних характеристик судна.
4.
Зниження шкідливих наслідків забруднення моря нафтою при експлуатації СЕУ досягається підвищенням ефективності очищення та массопереносу, внаслідок зменшення внутрішньої енергії полідисперсної неоднорідної двокомпонентного середовища - нафтоводяної емульсії на усіх стадіях очищення (накопичення, перекачування, коалесценція, поділ) у багатокаскадних суднових системах, які характеризуються мінімальмини вартістю і енергоспоживанням та оптимальною пропускною здатністю.
Практичне значення роботи полягає в наступному:
-
на основі результатів досліджень розроблений і затверджений Мінпромполітики України новий галузевий стандарт СОУ МПП 47.020-65:2005 “Судна морські. Запобігання забрудненню моря нафтою. Норми добового накопичення нафтовмісних вод машинних приміщень суден і методика розрахунку пропускної здатності систем очищення”, що забезпечує впровадження результатів дисертаційної роботи на всіх суднах України (близько 3000 суден).
-
розроблено методологію розрахунку раціональної пропускної здатності систем очищення НВВ на основі отриманих норм для визначення добового обсягу накопичення нафтовмісних вод СЕУ з урахуванням типу, водотоннажності й віку судна;
-
розроблено методику проектування й визначення раціональних конструктивних і експлуатаційних параметрів тканинних коалесцуючих фільтроелементів на основі узагальненої математичної моделі процесу коалесценції нафтовмісних вод СЕУ в тканинних фільтрах, що дозволяє інтенсифікувати процес коалесценції;
-
запропоновано методику розрахунку й визначення раціональних конструктивних і експлуатаційних характеристик гранульованих фільтроелементів на базі математичної моделі процесу очищення НВВ в об’ємі гранульованого завантаження, що дозволяє підвищити якість очищення;
-
дано рекомендації зі зниження емульгуючої здатності насосів систем очищення НВВ, встановлено, що найбільший вплив на зменшення емульгуючої здатності насоса чинить зниження перепаду тиску на ньому, тому для підвищення ефективності очищення системи повинні мати якомога менший гідравлічний опір;
-
на основі проведених теоретичних і експериментальних досліджень, використовуючи отримані математичні моделі, розроблене нове фільтраційне обладнання для очищення нафтовмісних вод СЕУ, що має високу очисну здатність і тривалий ресурс роботи: регенеруємий тканинний фільтр; установка з гранульованим фільтроелементом; комбінована установка, які виготовлені й впроваджені на суднах і промислових підприємствах;
-
використовуючи комплексний підхід у розв’язанні завдання підвищення ефективності очищення нафтовмісних вод і розглядаючи роботу системи в тісній взаємодії з іншими елементами СЕУ, запропоновані основні принципи раціонального компонування спеціальних суднових систем очищення НВВ, розроблена низка вдосконалених систем нового покоління, що дозволяють підвищити якість очищення, збільшити ресурс роботи фільтроелементів і забезпечити необхідну якість очищення НВВ навіть при аварійних витоках води й нафтопродуктів.
На розроблене фільтруюче обладнання є повні комплекти технічної документації для його виготовлення, затверджені нормоконтролем СевНТУ.
Вірогідність наукових результатів забезпечується: коректним використанням фундаментальних законів колоїдної хімії та гідромеханіки; сучасним рівнем приладового забезпечення й необхідною точністю експериментальних досліджень; перевіркою адекватності отриманих математичних моделей і узагальнюючих залежностей відповідно до вимог методів математичної статистики і теорії планування експериментів; застосуванням прогресивних методів вивчення реології двокомпонентної неоднорідної рідини: концепції руху взаємопроникних континуумів; теорії подоби; регресійного аналізу; теорії планування експериментів; методів математичної статистики; задовільним якісним і кількісним збігом узагальнюючих залежностей результатам натурних і експериментальних випробувань; розробкою й виготовленням на базі отриманих узагальнюючих залежностей натурних зразків нового фільтраційного обладнання, що має високу очисну здатність, підвищений ресурс роботи і пройшло експлуатаційні випробування; узгодженням і схваленням результатів досліджень Регістром Судноплавства України і Російським Морським Регістром Судноплавства, провідними проектними і судноплавними компаніями України;
Впровадження. Результати дисертаційної роботи стали основою для розробки галузевого стандарту СОУ МПП 47.020-65:2005 “Судна морські. Запобігання забрудненню моря нафтою. Норми добового накопичення нафтовмісних вод машинних приміщень суден і методика розрахунку пропускної здатності систем очищення”, завдяки чому забезпечується широке впровадження результатів досліджень на усіх суднах, що перебувають під наглядом Регістра Судноплавства України (близько 3000 суден).
Крім того, результати дисертаційної роботи впроваджені:
- система для очищення нафтовмісних вод з гранульованим фільтроелементом (Севастопольський торговельний порт, м. Севастополь);
- комбінована установка з гранульованим та тканинним фільтроелементами для очищення нафтовмісних вод (Севастопольський судноремонтний завод №13, м. Севастополь).
- система для очищення нафтовмісних вод з гранульованим фільтроелементом на (Севастопольська ТЕЦ, м. Севастополь);
У процесі експлуатації розроблене фільтруюче обладнання показало високу якість очищення НВВ, надійність роботи й ефективність регенерації.
Результати дисертаційної роботи використані в навчальному процесі на кафедрі енергоустановок морських суден та споруд Севастопольського національного технічного університету (СевНТУ) і в програмному забезпеченні Центра підготовки і атестації плавскладу СевНТУ.
Особистий внесок автора полягає в постановці мети, формулюванні завдань дослідження, розробці математичних моделей досліджуваних процесів, плануванні експериментів і створенні методик і проведенні експериментальних досліджень, розробці нових норм добового обсягу накопичення нафтовмісних вод, дослідженні впливу способу подачі й перекачування НВВ на якість очищення, розробці комплексу технічних і технологічних пропозицій щодо вдосконалення суднових систем очищення нафтовмісних вод, що дозволили підвищити ефективність і якість очищення нафтовмісних вод СЕУ. При використанні результатів досліджень інших авторів вказувалися джерела наукової інформації. Автор висловлює вдячність керівництву судноплавних компаній ВАТ “Південрефтрансфлот”, державного підприємства Укррибфлот, Севастопольського морського торговельного порту за допомогу в організації й проведенні досліджень добового обсягу накопичення НВВ на різних суднах, адміністрації Севастопольської ТЕЦ і СРЗ №13 за якісне виготовлення і впровадження зразків нового фільтруючого обладнання, співробітникам лабораторії ВАТ “Південрефтрансфлот” за проведення аналізів проб очищеної води.
Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи і її окремих розділів доповідалися й отримали схвалення на Виставці досягнень народного господарства УРСР (м. Київ, 1991), на Міжнародній науково-технічній конференції “Моделювання й дослідження складних систем” (м. Москва - м. Севастополь, 2000), на Міжнародній науково- технічній конференції “Моделювання й дослідження складних систем” (м. Москва - м. Севастополь, 2001), на науково-практичній конференції “Екологічні проблеми водних екосистем і забезпечення безпеки життєдіяльності на водному транспорті” (м. Одеса, 2001), на I Міжвузівській науково-практичній конференції “Молоді вчені Криму в розв’язанні актуальних питань сучасності” (м. Севастополь, 2002), на VIII Міжнародному конгресі двигунобудівників (м. Харків - Рибальське, 2003), на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасне судноплавство і морська освіта” (м. Одеса, 2004), на Науково-технічному семінарі “Удосконалення технічної експлуатації СЕУ транспортних суден” (м. Одеса, 2004), на IX Міжнародному конгресі двигунобудівників (м. Харків - Рибальське, 2004).
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 32 наукових працях без співавторів і 1 у співавторстві. З них 29 - у збірниках наукових праць, включених до переліку ВАК України, у яких можуть публікуватися результати дисертаційних робіт, у тому числі в 1 монографії, 1 навчальному посібнику, 24 статтях у наукових збірниках, галузевому стандарті СОУ МПП 47.020-065:2005 і 2 авторських свідоцтвах.
Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з введення, шести розділів, висновків і п’яти додатків загальним обсягом 345 стор., включаючи 71 рис., 29 табл., списку використаних джерел (224 найменування).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність обраної тематики, сформульовані мета та завдання досліджень, наукова новизна і практична значимість отриманих результатів.
У першому розділі на основі аналізу екологічної моделі СЕУ показано, що найбільша шкода навколишньому середовищу наноситься внаслідок скидання нафтовмісних вод, тому об'єктом досліджень є процес очищення НВВ. Проведено дослідження якісного й кількісного складу суднових НВВ, як вихідних параметрів для правильного вибору технологічно раціональних і економічно ефективних схем систем очищення.
Аналіз матеріалів наукових досліджень Брусельницького Ю.М., Хапаєва В.М., Скрипника В.М., Михайлюка В.О., Нунупарова С.М., Зубрилова С.П., Роєва Г.А., Решняка В.І., Седлухо Ю.П., Владецького О.В. та інших, а також порівняння переваг і недоліків різних способів і технічних засобів для очищення нафтовмісних вод СЕУ показали, що питання глибокого очищення НВВ на сьогодні остаточно не вирішено. Тому є актуальним і своєчасним проведення досліджень з розробки комплексної технології підвищення ефективності очищення НВВ на всіх стадіях безпосередньо в суднових умовах, заснованої на вдосконалюванні функціональних властивостей систем.
Для реалізації поставленого завдання необхідно комплексне дослідження в галузі моделювання складних багатофакторних процесів реології двокомпонентної полідисперсної рідини - нафтоводяної емульсії, а саме: встановлення закономірностей процесів коалесценції й очищення суднових НВВ у фільтроелементах, що мають нежорстку структуру (тканинних, гранульованих); визначення впливу конструктивних і експлуатаційних характеристик насосів на їх емульгуючу здатність і ступінь очищення НВВ, моделювання досліджуваного процесу; розробка науково обґрунтованих норм добового обсягу накопичення НВВ з урахуванням віку, типу й водотоннажності судна; визначення залежностей для розрахунку оптимальної пропускної здатності суднових систем очищення НВВ з урахуванням характеристик судна.
Попередні дослідження показали, що найперспективнішими і такими, що мають більші можливості підвищення ефективності роботи є коалесцуючі фільтроелементи за умови підвищення ресурсу їх роботи. Для цього необхідно щоб вони мали нежорстку структуру, що дозволяє здійснювати ефективну регенерацію фільтроелементів. До таких фільтроелементів при відповідному конструктивному виконанні можна віднести тканинні й гранульовані фільтроелементи, включені послідовно в багатокаскадну схему системи.
У другому розділі обґрунтований вибір теми дисертаційної роботи, сформульовані мета й завдання дослідження.
Розроблено методологію дослідження у вигляді технологічної карти. В основу досліджень покладений системний підхід. Головні й допоміжні завдання ранжируються по чотирьох ієрархічних рівнях. На кожному з рівнів для розв’язання завдань вибиралися методи й засоби, які дозволяють отримати ефективне рішення, що найбільш повно описує фізичну модель і відповідає необхідній точності.
На першому ієрархічному рівні для вивчення процесів поділу нафтоводяних емульсій у фільтроелементах з нежорсткою структурою вирішували допоміжні завдання:
1.
Теоретично й експериментально дослідити процес коалесценції часток дисперсної фази НВВ у тканинних фільтрах;
2.
Теоретично й експериментально дослідити процес інтенсифікації очищення суднових НВВ у гранульованих фільтроелементах;
На другому ієрархічному рівні обґрунтовувався вибір типу режимів роботи насосів систем очищення НВВ з вирішенням допоміжних завдань:
3.
Досліджувати емульгуючу здатність різних типів насосів на подібних режимах;
4.
Досліджувати емульгуючу здатність насосів гвинтового типу на різних експлуатаційних режимах;
На наступному ієрархічному рівні розроблялися основи проектування й оптимізації нежорстких фільтроелементів з вирішенням допоміжних завдань:
5.
Розробити норми добового накопичення НВВ з урахуванням характеристик суден і методику розрахунку оптимальної пропускної здатності систем;
6.
Розробити нове фільтраційне обладнання для очищення суднових НВВ, що має високу очисну здатність і тривалий ресурс;
На завершальному ієрархічному рівні щодо створення перспективних суднових систем НВВ з новими вдосконаленими функціональними властивостями вирішувалися допоміжні завдання:
7.
Розробити критерій ефективності систем очищення НВВ, що дозволяє оцінити систему в цілому за основними експлуатаційними показниками.
Через те, що метою дисертаційної роботи є зниження шкідливих наслідків забруднення моря нафтою й підвищення ефективності суднових систем за рахунок удосконалювання функціональних властивостей суднових систем очищення НВВ, зниження їх вартості та експлуатаційних витрат, оптимізаційне завдання в цьому випадку повинна передбачати мінімізацію витрат на очищення води з обов'язковим досягненням заданого корисного ефекту. Тому восьмим допоміжним завданням є розробка нового узагальненого критерію ефективності для оцінки оптимальності і досконалості системи очищення НВВ:
(1)
де Квих – концентрація нафтопродуктів в очищеній воді, млн-1; С – капітальні й експлуатаційні витрати очищення води на судні, дол. США; Q – фактична пропускна здатність системи, м?/г; Q0 – нормативна пропускна здатність системи, обумовлена по нових нормах з урахуванням характеристик судна, м?/г.
8.
Розробити принципи формування комплексних суднових систем очищення НВВ з удосконаленими функціональними властивостями;
У роботі застосовані методи, використовувані при вивченні законів реології багатокомпонентних неоднорідних рідин, представлені в розділі “Загальна характеристика роботи”.
Здійснено вибір раціональної технологічної схеми очищення й оцінка похибки вимірів.
У третьому розділі представлені теоретичні й експериментальні дослідження процесу коалесценції часток дисперсної фази НВВ у тканинних фільтрах.
Для моделювання досліджуваного процесу використовується концепція про рух взаємо проникаючих континуумів, запропонована М.Є. Жуковським і надалі розвинена в роботах Л.Д. Ландау, Х.А. Рахматуліна, М.А. Сльозкіна та інших. Такий підхід дозволяє розглядати закономірності не одиничної частки дисперсної фази, а полідисперсної емульсії в цілому.
Для опису руху в’язкої нестисливої рідини, як правило, використовуються рівняння Навье-Стокса й нерозривності. При математичному моделюванні процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії в тканинному фільтрі необхідно обов'язково враховувати фізико-хімічні властивості емульсії, розмір чарунок, товщину нитки й кількість шарів фільтруючої тканини, а також умови руху емульсії через тканину фільтра. Для врахування впливу цих факторів у рівняння модельованого процесу вводяться нові елементи, що враховують сили взаємодії тканинного фільтроелемента з частками води Rв і з частками нафти Rн.. Відповідно до положень сучасних теорій за відсутності емульгатора між силами міжмолекулярного притягання й електростатичного відштовхування існує деяка рівновага, тому ці сили компенсують одна одну і не чинять істотного впливу на процес очищення. Запишемо диференціальні рівняння процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії в тканинних фільтрах у загальному вигляді для одиничних обсягів води й нафти окремо:
для руху води - дисперсійного середовища нафтоводяної емульсії
,
, (2)
,
для руху нафти - дисперсної фази нафтоводяної емульсії
,
, (3)
,
На рис. 1 представлена схема руху нафтоводяної емульсії через елементарну чарунку тканинного фільтра, що рухається ззовні – всередину фільтроелемента, перпендикулярно його поверхні. По осі X нафта й вода рухаються з однаковою швидкістю, рівною швидкості проходження емульсії через тканинний фільтр (uн = uв = u).
Рис. 1 - Схема руху нафтоводяної емульсії через елементарну чарунку тканинного фільтра
По осі Y швидкість емульсії і її компонентів, виходячи з умов завдання дорівнює нулю, отже проекції рівняння Навье-Стокса на вісь Y із систем рівнянь (2), (3) можна виключити. Похідні швидкості нафти й води по осі Y також дорівнюють нулю. Приймаємо, що вода й нафта по осі Х рухаються з однаковою швидкістю, рівною швидкості емульсії u і сума їх концентрацій дорівнює одиниці [(1-К)+К = 1], де К – концентрація нафти у воді, то рівняння руху води й нафти по осі Х систем рівнянь (2) і (3) можна записати одним рівнянням руху нафтоводяної емульсії, замінивши при цьому в'язкість і густину нафти ?н, сн і в'язкість і густину води ?в, св на в'язкість і густину емульсії ?, с, а також сили, що діють на частки нафти Fн, Rн і на частки води Fв, Rв - на сили діючі на нафтоводяну емульсію в цілому F, R (де R – сила взаємодії нафтоводяної емульсії з тканинним фільтром). Також враховуючи, що на сучасних суднах нафтовмісні води суднових енергетичних установок надходять на очищення після попереднього відстоювання і концентрація нафти в них не перевищує (0,1...1,0)%, то з достатньою точністю наближення можна знехтувати рівнянням руху води щодо осі Z, тому що швидкість руху води щодо осі Z буде неістотно малою.
Беручи до уваги, що сила F обумовлена різницею густини води й нафти і спрямована в нашому випадку по осі Z (рис. 1), то проекція її на вісь Х дорівнює нулю. Похідна сили тиску P по осі Z також дорівнює нулю, тому що тиск змінюється по товщині фільтра (по осі Х). Зважаючи на те, що вода і нафта нестисливі рідини, рівняння нерозривності для води й нафти можна замінити одним рівнянням, записаним для нафтоводяної емульсії в цілому. Щоб виключити вплив інерційності на процес коалесценції, час експерименту на кожному режимі витримується значно більше часу переходу на новий швидкісний режим. Тому процес із достатнім ступенем точності можна вважати сталим.
Таким чином, з урахуванням перетворень рівнянь систем (2), (3) руху нафтоводяної емульсії через тканинний фільтр приймуть наступний вигляд:
,
(4)
Силу Fн віднесену до одиниці об'єму і обумовлену різницею густин можна представити в наступному вигляді:
(5)
де Fн - масова сила діюча на дисперсну фазу, що перебуває в одиничному об'ємі нафтоводяної емульсії; ?с – різниця густин води і нафти; g – прискорення вільного падіння; Квx – концентрація нафтопродуктів у вхідної нафтоводяної емульсії.
На підставі проведеного ретельного аналізу факторів, що впливають на ефективність взаємодії тканинного фільтруючого матеріалу з нафтоводяною емульсією, а також з урахуванням попередніх експериментів можна записати наступний вираз для визначення сили взаємодії тканинного фільтроелемента з нафтоводяною емульсією
(6)
де k – коефіцієнт пропорційності; унв – поверхневий натяг на межі розділу середовищ “нафта-вода”, н/м; dн – діаметр нитки фільтруючої тканини, м; nс – число шарів фільтруючої тканини; d – діаметр часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії; м; ? – коефіцієнт кінематичної в'язкості емульсії, м?/c; а – розмір чарунки фільтруючої тканини, м; – швидкість руху нафтоводяної емульсії, м/с.
Проекцію на вісь Х сили взаємодії тканинного фільтра з нафтоводяною емульсією, віднесену до одиниці об'єму можна записати в наступному вигляді:
(7)
Відповідно проекцію на вісь Z сили взаємодії тканинного фільтра із частками дисперсної фази нафтоводяної емульсії віднесену до одиниці об'єму представимо таким чином:
(8)
де ?н – коефіцієнт кінематичної в'язкості нафтопродуктів; w – проекція на вісь Z швидкості руху нафтоводяної емульсії через тканинний фільтр;
Виходячи з вищевикладеного, і підставивши вираз (6) для піднімальної сили й вираз (7) і (8) для сили взаємодії тканинного фільтруючого матеріалу з нафтоводяною емульсією у вираз (4), отримаємо наступну систему рівнянь:
,
, (9)
Отримані рівняння (9) є нелінійними диференціальними рівняннями другого порядку. Внаслідок того, що нафтоводяна емульсія є неоднорідною двокомпонентною полідисперсною рідиною, для руху якої не можна однозначно задати граничні умови, тому що з часом довільно змінюється товщина плівки нафтопродуктів на коалесцуючому матеріалі і діаметр часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії, невідомий коефіцієнт пропорційності k у силі взаємодії нафтоводяної емульсії з коалесцуючим матеріалом, отже, для вирішення диференційних рівнянь (9) аналітичними й чисельними методами немає достатніх вихідних даних. Тому для розробки математичної моделі процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії в тканинному фільтрі й вирішення поставленого завдання скористаємося теорією подоби й експериментальними методами досліджень.
Після приведення рівнянь (9) до безрозмірного виду отримані гідродинамічні комплекси процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод у тканинних фільтрах
(10)
Числа подоби Vi і Se є новими комплексами, отриманими в даній роботі.
Комплекс Vi характеризує змушений рух нафтоводяної емульсії і являє собою відношення адгезійних сил до сил внутрішнього тертя й сил гідродинамічного захоплення краплі потоком емульсії.
Безрозмірний комплекс Se характеризує вільний рух часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії внаслідок різниці густин води й нафти і являє собою відношення адгезійних сил, до піднімальної сили, що діє на крапельки нафти, які перебувають в обсязі чарунки фільтруючої тканини. Значення факторів у точках плану наведені в табл. 1.
Таблиця 1 -
Значення факторів у точках плану експериментальних досліджень
Змінні | Значення факторів у кодованій системі координат | (x1)
а? 103
м | (x2)
dн ?103,
м | (x3)
nс
__ | (x4)
q,
м/г | (x5)
Kвx?10-3,
млн -1
Верхній рівень | + | 0,45 | 0,85 | 9 | 4,0 | 250
Основний рівень | 0 | 0,25 | 0,45 | 5 | 2,5 | 130
Нижній рівень | - | 0,05 | 0,05 | 1 | 1,0 | 10
Інтервал варіювання | 0,2 | 0,4 | 4 | 1,5 | 120
Для проведення експериментального дослідження ефективності процесу коалесценції нафтоводяної емульсії в різних тканинних фільтроелементах, що розрізняються розміром чарунки, діаметром нитки, числом шарів тканини, розроблена експериментальна установка, зображена на рис. 2.
Прийнявши за параметр, що визначає ефективність роботи тканинного фільтра, концентрацію нафтопродуктів у воді після нього й допоміжного відстійника , внаслідок статистичної обробки даних експериментів на ЕОМ за допомогою програми “Mathcad 2000” рівняння в узагальнених змінних процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод СЕУ в тканинних фільтрах буде мати такий вигляд:
(11)
Рис. 2 - Експериментальна установка для випробування тканинних фільтроелементів
1 - ємкість з вихідною нафтоводяною емульсією; 2 - імпеллер; 3 - електродвигун; 4 - насос; 5 - клапан регулювання тиску; 6 - змінні тканинні фільтроелементи; 7 - допоміжні відстійники; 8 - клапани виходу очищеної води; 9 - клапани виводу відсепарованих нафтопродуктів;10 - клапан для відбору проби вихідної емульсії.
Отримана математична модель процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод СЕУ в тканинних фільтрах (11) адекватно описує досліджуваний процес з відносною похибкою розрахунків не більше 10% для наступної області зміни комплексів подоби:
(12)
Область малих значень чисел Рейнольдса відповідає стійкому ламінарному режиму протікання й утворює першу область автомодельності за числом Рейнольдса, в якій інерційні сили не чинять істотного впливу на процес протікання рідини. З огляду на те, що в нашому випадку максимальне число Рейнольдса менше 0,49 у ступені –0,08, зафіксуємо Re на середньому рівні рівному 0,25 і за допомогою програми “Mathcad 2000” розрахуємо коефіцієнти нової спрощеної, більш зручної для інженерних розрахунків узагальнюючої залежності, яка матиме такий вигляд
(13)
Відносна похибка, отриманої узагальнюючої залежності (13) становить 18%.
З метою визначення безпосереднього впливу тканинного фільтра на процес коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод введемо коефіцієнт ефективності роботи тканинного фільтра, який дорівнює
(14)
де Квих – концентрація нафтопродуктів після відстійника із гранульованим завантаженням без тканинного фільтра;
- концентрація нафтопродуктів після відстійника з гранульованим завантаженням з передвключеним тканинним фільтром.
Для визначення залежності коефіцієнта ефективності роботи тканинного фільтра від гідродинамічних комплексів досліджуваного процесу знайдемо Кеф для всіх точок плану експериментів. Після статистичної обробки експериментальних даних на ЕОМ за допомогою програми “Mathcad 2000” отримана узагальнююча залежність коефіцієнта ефективності роботи тканинного фільтра від гідродинамічних комплексів, яка має такий вигляд
(15)
Визначимо раціональні значення гідродинамічних комплексів Eu, Se, виходячи з умови, що відношення поточного значення швидкості убування коефіцієнта ефективності Кеф роботи коалесцуючого тканинного фільтра до її мінімального значення не повинно перевищувати двох, тобто знайдемо значення гідродинамічних комплексів за умови, що .
Після розрахунку отримаємо наступні раціональні значення гідродинамічних комплексів
(16)
Таким чином, для оптимізації процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод у тканинних фільтрах гідродинамічні комплекси Eu, Se, не повинні перевищувати значень, представлених у виразі (16), комплекс Vi при цьому повинен підтримуватися на мінімальному рівні.
У четвертому розділі представлені теоретичні й експериментальні дослідження процесу очищення нафтовмісних вод в обсязі гранульованого завантаження. Для моделювання досліджуваного процесу використаємо векторне рівняння балансу сил, що діють на краплю нафтопродукту в обсязі гранульованого завантаження
(17)
де m - маса частки дисперсної фази нафтоводяної емульсії; – швидкість руху частки дисперсної фази нафтоводяної емульсії; Fт – сила ваги; Fa - сила Архімеда; Fc – сила гідравлічного опору руху частки дисперсної фази нафтоводяної емульсії; Fy – сила гідродинамічного захоплення краплі нафтопродукту потоком емульсії; Fад – сила адгезійної взаємодії крапель нафтопродукту із гранулами завантаження; Fм – сила міжмолекулярного притягання; Fе – сила електростатичного відштовхування; Fвз – сила взаємодії часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії із гранулами завантаження.
На ефективність і якість очищення НВВ в обсязі гранульованого завантаження істотний вплив чинять фізико-хімічні властивості нафтоводяної емульсії і гранульованого коалесцуючого завантаження (розмір, форма, матеріал, висота шару гранул), а також умови руху нафтоводяної емульсії в обсязі фільтра.
Для обліку цього впливу у вираз (17) вводиться сила взаємодії Fвз часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії із гранулами коалесцуючого завантаження коалесцуючого фільтра, що має такий вигляд
(18)
де k – коефіцієнт пропорційності; хн – коефіцієнт кінематичної в'язкості нафтопродуктів, м?/с; унв – поверхневий натяг на межі розділу середовищ нафтопродукт-вода, Н/м; u – швидкість протікання нафтоводяної емульсії в шарі гранул, м/с; d – діаметр часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії, м; dг – діаметр гранул завантаження, м; Квх – об'ємна концентрація часток дисперсної фази вхідної нафтоводяної емульсії, млн-1.
Підставляючи значення сил у вираз (17), рівняння балансу матиме такий вигляд
(19)
Отримане рівняння процесу очищення НВВ в обсязі гранульованого завантаження (19) є нелінійним диференціальним рівнянням другого порядку. Внаслідок того, що нафтоводяна емульсія є неоднорідною двокомпонентною полідисперсною рідиною, для руху якої не можна однозначно задати граничні умови, тому що з часом довільно змінюється товщина плівки нафтопродуктів на коалесцуючому матеріалі і діаметр часток дисперсної фази нафтоводяної емульсії, невідомий коефіцієнт пропорційності k у силі взаємодії нафтоводяної емульсії з коалесцуючим матеріалом, отже для вирішення диференціального рівняння (19) аналітичними й чисельними методами немає достатніх вихідних даних. Розв’язання рівняння (19) ще більше ускладнюється внаслідок того, що нафтоводяна емульсія є неоднорідною двокомпонентною полідисперсною рідиною, властивості й реологічні закони якої на сьогоднішні вивчені недостатньо повно. Тому через труднощі, що виникли на шляху математичного опису процесу очищення нафтовмісних вод СЕУ, аналітичним вирішенням диференціального рівняння другого порядку прийшли до необхідності побудови математичної моделі досліджуваного процесу на основі рівняння регресії. Рівняння (19) у цьому випадку використаємо для визначення основних факторів очищення, що впливають на ефективність процесу очищення НВВ в обсязі гранульованого коалесцуючого завантаження.
В якості параметра оптимізації, що визначає ефективність поділу нафтоводяної емульсії в обсязі гранульованого коалесцуючого завантаження, прийнята концентрація нафтопродуктів в емульсії після проходження її через шар гранул Квих. Проаналізувавши рівняння (19), визначимо фактори, що впливають на ефективність роботи гранульованого коалесцуючого завантаження й концентрацію нафтопродуктів після шару гранул, тобто Квих буде функцією таких чинників:
(20)
Після проведення попередніх експериментів, виходячи з вимог регресійного аналізу й виключивши фактори, підтримувані на постійному рівні, рівняння (20) можна записати в такому вигляді
(21)
де L (х1) – висота шару гранул, м; q (х2) – питома витрата емульсії через шар гранул, м/с; dг (х3) – діаметр гранул, м; Kвх(х4) – об'ємна концентрація нафтопродуктів у вхідній емульсії, млн-1.
Значення факторів у
