автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Гидромеханические процессы в технологиях очистки нефтесодержащих сточных вод

БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

УДК 628 543 1

КРАВЦОВ Александр Маратович

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

05 23 04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□030662 1Т

I

Минск - 2007

003066217

Работа выполнена на кафедре «Гидравлика» Белорусского национального технического университета

кандидат технических наук, доценгКОЗДОВДА, ведущий специалист по разработке очистных сооружений С ООО "Белэшгехстрой"

доктор технических наук, профессор МИХНЕВИЧ Э.И, заведующий кафедрой "Водоснабжение и водоотведение" Белорусского национального технического университета,

кандидат технических наук, доцент ВОСТРОВА РН, заведующая кафедрой "Экология и рациональное использование водных ресурсов" Белорусского государственного университета транспорта

Оппонирующая организация — Белорусский государственный

технологический университет

Защита состоится 19 октября 2007 г в 14 00 на заседании совета по защите диссертаций Д 02 05 10 при Белорусском национальном техническом университете по адресу: 220013, г Минск, проспект Независимости, д. 65, корп 1, ауд 202, телефон ученого секретаря 265-97-29

1

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белорусского национального технического университета

Автореферат разослан " " сентября 2007 г

Ученый секретарь совета по защите диссертаций канд техн наук, доцент

Научный руководитель —

Официальные оппоненты

Нестеров Л.В

©Кравцов А М, 2007 © БИТУ, 2007

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации. В настоящее время все больше внимания в мире и Республике Беларусь обращается на проблему загрязнения окружающей среды. Одним из путей решения обозначенной проблемы является снижение воздействия вредных факторов на водную среду Наиболее распространенными загрязнителями поверхностных и подземных вод являются нефтепродукты Ранее в СССР значительное внимание уделялось очистке стоков крупных коммунальных и промышленных предприятий В меньшей степени уделялось внимание очистке стоков малых объектов, например, нефтебаз и АЗС, автотранспортных (АТП) и авторемонтных предприятий (АРП), гаражей и стоянок машин, локомотивных депо и дворов сельскохозяйственной техники, котельных и т д. Это было вызвано тем, что недооценивалось влияние на экологическую ситуацию сбросов от малых объектов При этом не учитывалась многочисленность таких объектов, суммарное воздействие которых на экологическую ситуацию огромно и продолжает возрастать в силу бурного развития автомобильного транспорта с обслуживающей инфраструктурой. В настоящее время предприятия различных отраслей народного хозяйства Республики Беларусь, которые могут сбрасывать нефтесодержащие сточные воды без должной очистки, исчисляются тысячами В этом случае в водные источники ежегодно попадают тонны нефтепродуктов, загрязняя окружающую среду Такое положение вызвано рядом причин, и в первую очередь несовершенством технолошческих схем и конструкций очистных сооружений, а также методик их расчета

В последнее время в мировой практике наметилась тенденция замены устаревших экстенсивных технологий очистки на интенсивные с применением компактных установок и сооружений, в которых реализуется комбинация различных гидромеханических процессов, таких как осаждение, псевдоожижение, флотация, коалесценция, фильтрация и др Разработка и успешное внедрение новых прогрессивных технологий с применением компактных установок во многом зависит от качества методик расчетов Как показывает практика, иногда существующие методики не позволяют оптимизировать проектные и технологические параметры узлов очистных сооружений Это связано с тем, что часто такие методики имеют несовершенную теоретическую основу Для разработки научно обоснованных методик расчетов необходимо знать общие закономерности гидромеханических процессов, применяемых в технологиях очистки

Важным фактором для повышения эффективности работы современных сооружений является повышение степени автоматизации и механизации их эксплуатации Прогресс в этом направлении может достигаться путем широкого применения гидроструйных аппаратов (эжекторов, гвдроструиных насосов, гидроэлевагоров) и контрольно-измерительных приборов При этом для широкого практического применения таких устройств появляется необходимость разработки новых конструкций повышенной технологичности

Применение гидроструйных аппаратов оправдано рядом их преимуществ возможностью перекаяки агрессивных сред, жидкостей, газов, смесей воды с газами или твердыми веществами, отсутствием подвижных частей, простотой конструкций, малыми габаритами и тд Однако широкому применению гидроструйных аппаратов препятствует несовершенство методик их расчетов Разработкой теории струйных процессов и методик расчетов струйных аппаратов занимались многие исследователи Но, несмотря на то, что существует ряд методик расчетов основных элементов устройств, все же положение нельзя считать удовлетворительным Разные методики дают противоречивые результаты и не позволяют осуществлять оптимизацию расчетов, обеспечить надежную, наиболее экономичную работу струйных аппаратов, что свидетельствует о необходимости ведения дальнейших исследований

Связь работы с крупными научными программами, темами. Основные результаты диссертационной работы получены автором при участии в выполнении задания 3 3 13 "Разработать и внедрить малогабаритные установки для очистки нефтесодержащих сточных вод" (№ ГР 19973479, сроки выполнения 1997-1998 гг) в соответствии с программой ГНТП "Природопользование и охрана окружающей среды", заданий Министерства образования Республики Беларусь на проведение НИР по темам "Исследовать закономерности гидромеханических процессов и разработать новые технологии, проектные и технологические параметры установок по очистке сточных вод" (№ ГР 19973097, сроки выполнения 1995-1997гг) и "Создать теоретические основы инженерных расчетов физических процессов водоочистки" (сроки выполнения 1999-2000 гг), задания ГПОФИ "Механика-39" "Исследование закономерностей гидромеханических процессов в аппаратах струйной техники" № ГР 20043454 (2004-2005 гг)

Цель и задачи исследования. Цель работы — решение важной народнохозяйственной проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды нефтепродуктами за счет развития ^теоретических основ гидромеханических процессов, применяемых в технолошях очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов

Для достижения указанной цели поставлены следующие задачи

1 Осуществить аналитические исследования для формирования и обоснования концепции технологической схемы очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов с рациональным набором и эффективной последовательностью гидромеханических процессов

2 Провести комплекс теоретических и экспериментальных исследований, направленных на развитие теоретических основ гидромеханических процессов и получение математических зависимостей для расчетов элементов сооружений очистки нефтесодержащих сточных вод.

3 Разработать усовершенствованные элементы и узлы технологических схем локальной очистки нефтесодержащих сточных вод, позволяющих повысить технологичность конструкций, степень механизации приемов эксплуатации и культуру производства

4 Внедрить в производство на стадии опытного образца усовершенствованные установки для очистки нефтесодержахцих сточных вод малых стокообра-зующих объектов

Объект в предмет исследования. Объектом исследования являются технологические схемы и сооружения локальной очистки нефтесодержащих сточных вод малых сгокообразукядих объектов. Предмет исследования — гидромеханические процессы в элементах технологических схем при взаимодействии потока жидкой среды с внутренней диспергированной фазой и внешними граничными поверхностями

Методология и методы проведенного исследования. Для выработки перспективных вдей и выявления прогрессивных технических решений осуществлялся анализ отечественных и зарубежных научно-технических и патентных источников В качестве методологической основы теоретических исследований для вывода основных расчетных зависимостей использовались математические соотношения, выражающие законы сохранения массы, энергии и количества движения, а также положения теории подобия и анализа размерностей Для определения неизвестных членов в основных расчетных зависимостях, путем анализа и обработки данных экспериментальных исследований, устанавливались дополнительные соотношения Результаты экспериментальных исследований обрабатывались методами математической статистики с использованием современного программного обеспечения При проведении работы использовались традиционные методы, приборы и оборудование Исследования процессов псевдоожижения и фильтрации проводились на приборе Дарси При исследованиях гидроструйных аппаратов использовались манометры и вакуумметры класса точности 0,4. Плотности испытуемых материалов определялись пикно-метрическим методом Гранулометрический состав твердых зернистых материалов определялся рассев-анализатором РА-5 Пористость зернистых материалов определялась по объемам поглощенной гравитационной и пленочной воды Достоверность полученных результатов подтверждалась сопоставлениями вычисленных по новым формулам значений с опытными данными, полученными как автором диссертации, так и другими исследователями, успешным внедрением разработок при проектировании, строительстве, наладке и эксплуатации сооружений очистки нефтесодержахцих сточных вод

Научная новнзна и значимость полученных результатов. Обеспечено дальнейшее развитие в направлении поиска универсальных зависимостей для расчетов взаимосвязанных гидромеханических процессов, применяемых в практике очистки сточных вод, при реализации которых происходит обтекание тел жидкостью Получена обобщенная безразмерная математическая модель гидромеханических процессов осаждения и взвешивания одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды в пористых зернистых средах Математическая модель базируется на известных формулах Стокса и Ньютона, которые справедливы для частных случаев свободного осаждения одиночного шара в жидкости, и распространена на другие случаи с учетом влияния условий сгес-

нения, формы тел и характера граничной поверхности Новая математическая модель отличается от известных тем, что позволяет производить расчеты вышеперечисленных процессов в широком диапазоне изменения физических параметров

Дано дальнейшее развитие теории струйных аппаратов путем исследований гидроструйных устройств, на основе которых получены новые математические зависимости для расчетов эжекторов, применяемых в сооружениях водоочистки Экспериментально установлены оптимальные конструктивные параметры эжекторов с соплом в виде диафрагмы и показано, что усложнение формы отверстия сопла не дает положительного эффекта

Практическая значимость полученных результатов. Усовершенствованные технологические схемы и установки позволят эффективно решить важную техническую задачу локальной очистки нефтесодержащих сточных вод предприятий с относительно малым объемом стоков в соответствии с современными нормативными требованиями и экологическими стандартами

Полученные в результате теоретических и экспериментальных исследований зависимости позволяют производить расчеты гидромеханических процессов и являются основой для разработки научно обоснованных методик расчетов проектных и технологических параметров очистных сооружений

Разработанные в результате исследований гидроструйные устройства и КИП обладают повышенной технологичностью конструкции и могут найти применение в различных отраслях народного хозяйства.

Практическая значимость проведенных исследований подтверждена внедрением результатов работы на ряде предприятий

1 Разработана, изготовлена и внедрена на РУП "Брестоблнефтепродукт" малогабаритная установка для очистки нефтемаслосодержащих сточных вод

2 Разработана и внедрена в рабочий проект "Реконструкция очистных сооружений сточных вод от мойки автомобилей МАЗа" проектно-конструкгорская документация малогабаритной установки для очистки нефтемаслосодержащих сточных вод

3 Разработана и внедрена в рабочий проект "Реконструкция очистных сооружений производственных сточных вод канифольно-тернентинного цеха ОАО "Лесохимик" (г Борисов) проектно-конструкторская документация малогабаритной установки для очистки сточных вод

Успешное внедрение в производство на стадии опытного образца усовершенствованной малогабаритной комбинированной установки для очистки нефтесодержащих сточных вод в дальнейшем позволяет использовать ее в качестве коммерческого продукта в различных модификациях

Основные положения диссертации, выносимые на защиту: 1 Обобщенная математическая модель гидромеханических процессов осаждения и взвешивания восходящим потоком воды одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды в пористых зернистых средах, которая устанавливает единую взаимосвязь перечисленных процессов и позволяет производить расчеты в широком диапазоне изменения физических параметров

2 Результаты исследований гидроструйных аппаратов, которые позволили получить новые математические зависимости для расчетов эжекторов, а также установить оптимальные конструктивные параметры и разработать аппарат, обладающий высокой технологичностью конструкции.

3 Усовершенствованная установка для очистки нефтесодержащих сточных вод, обладающая повышенными эксплуатационными характеристиками по сравнению с аналогичными образцами

4 Усовершенствованные приборы для систем контроля и управления технологическими процессами при эксплуатации очистных сооружений, характеризующиеся высокой технологичностью конструкции.

Личный вклад соискателя. Соискателем разработаны методики и лабораторные установки для проведения экспериментальных исследований, проведены экспериментальные исследования, произведена обработка опытных данных с использованием современных компьютерных программ, по результатам теоретических и экспериментальных исследований получены математические зависимости для расчетов гидромеханических процессов осаждения и взвешивания восходящим потоком воды одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации вода, гидроструйных аппаратов

Аналитические исследования, а также разработка новых конструкций элементов и узлов очистных сооружений осуществлялась совместно с канд техн. наук М В Кравцовым Работы, связанные с разработкой технологических схем и внедрением в производство новых разработок, проведены совместно с главным специалистом РУТ7 "Белпромпроект" В И Сачковым

Апробация результатов исследования. Результаты работы представлялись научной общественности на Водном форуме "Современное состояние, проблемы и перспективы использования водных ресурсов Беларуси' (Минск, 2003 г ); 57-й научно-технической конференции профессоров, преподавателей, научных работников и аспирантов БИТУ, в рамках 2-й Международной НТК "Наука— образованию, производству, экономике" (Минск, 2004г), ученом совете ИПКиПКБНТУ (Минск, 1997, 1998, 2000, 2004 гг.), ученом совете ЦНИИКИВР (Минск, 2004 г )

Опубликоваяность результатов. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 научных работах, в том числе 8 статьях в журналах, входящих в перечень научных изданий ВАК, 2 статьях в материалах конференций, 5 патентах, 4 статьях в прочих изданиях Общее количество опубликованных материалов составляет 60 с

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из перечня условных обозначений, общей характеристики работы, трех глав, заключения, списка использованных источников и приложений Полный объем диссертации 164 с, в том числе 110 с текста, 51 рисунок, 1 таблица, 9 приложений Библиографический список включает 123 наименования

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приводятся результаты аналитических исследований, цель которых — формирование и обоснование концепции технологической схемы очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов с оптимальным набором и эффективной последовательностью реализации различных гидромеханических процессов, а также определение направления теоретических и экспериментальных исследований В рамках этих исследований был проделан аналитический обзор существующих технологий и методов очистки, а также патентных материалов На основании обзора определена рациональная схема реализации различных гидромеханических процессов водоочистки

Анализ существующих на сегодняшний день в республике технологических схем очистки нефтесодержащих сточных вод показал, что они, в большинстве случаев, не могут обеспечить выполнение современных требований по эффективности очистки стоков малых предприятий и утилизации загрязнений Основная часть очистных сооружений малых предприятий (АЗС, АТП, АРП, нефтебазы, котельные и т д ) построена по типовым проектам двадцати-, тридцатилетней давности (например, ТП 902-2-172) В соответствии с технологической схемой этих проектов очистка сточных вод производится в отстойнике-нефтеловушке и в фильтре с загрузкой из различных материалов, например, древесно-стружечных Безусловно, оправдан выбор двух базовых природных процессов осаждения и фильтрования В принципе эти процессы и соответствующие сооружения могут обеспечить достаточно высокую степень очистки Однако, как показывает практика, при эксплуатации таких сооружений возникает ряд сложностей Отстойник-нефтеловушка не может обеспечить высокой степени очистки и на фильтр приходится слишком большая нагрузка, что приводит к быстрой кольматации фильтрующей загрузки и необходимости частой ее замены с использованием ручного труда При этом возникают проблемы утилизации не только извлеченных нефтепродуктов и твердых минеральных осадков, но и отработанных фильтрующих загрузок, что является большой проблемой и вообще снижает смысл природоохранных мероприятий Усовершенствование типовых проектов в последующие годы с заменой древесностружечной фильтрующей загрузки на синтетическую принципиально ничего не меняет (например, ТП 902-2-410 86) Не могут решить проблему должной очистки нефтесодержащих сточных вод и сооружения, построенные в соответствии с альтернативным типовым проектом, включающим безнапорные гидроциклоны (ТП 902-2-401 86)

Решение проблемы может быть обеспечено во-первых, включением между двумя базовыми процессами осаждения и фильтрования вспомогательных процессов Как показал анализ, перспективными и достаточно изученными являются процессы безреагентной флотации и коалесценции Эти вспомогательные процессы будут снимать нагрузку на фильтр и не создавать существенных эксплуатационных трудностей Во-вторых, в качестве фильтрующих загрузок

должны использоваться недорогие регенерируемые экологически безопасные материалы В-третьих, необходимым условием является организация эффективного извлечения и обезвоживания шламов для последующей их утилизации Анализ новейших технических решений в мировой практике показал, что перспективным является переход от экстенсивных технологий на интенсивные с применением компактных установок с высокой степенью автоматизации и механизации приемов эксплуатации

На основе проделанного аналитического обзора и патентного поиска определена концепция многоступенчатой технологической схемы (рис 1) Первичную грубую очистку предполагается производить в резервуаре-отстойнике 1, в качестве которого могут использоваться и существующие нефтеловушки-отстойники после соответствующей реконструкции Доочистку осветленной воды предлагается осуществлять в малогабаритной комбинированной установке 2 (МКУ), где сточные воды перед фильтром проходят многостадийную обработку с использованием процессов флотации и коалесценщш Комбинирование нескольких процессов в одной наземной установке повышает эффективность каждого процесса в отдельности, позволяет автоматизировать и механизировать приемы эксплуатации, а также упрощает обслуживание оборудования

Рис 1 Технологическая схема очистки нефтесодержащих сточных вод 1— аккумулирующий резервуар-отстойник, 2— малогабаритная комбинированная установка (МКУ), 3—резервуар чистой воды

Разработка и успешное внедрение новых прогрессивных технологий с применением компактных установок во многом зависит от качества методик расчетов Как показывает практика, иногда существующие методики не позволяют оптимизировать проектные и технологические параметры узлов очистных сооружений Это связано с тем, что часто такие методики имеют несовершенную теоретическую основу Поэтому были проведены исследования гидромеханических процессов водоочистки, направленные на получение новых зависимостей и данных, связанных с разработкой научно обоснованных методик расчетов

3

Во второй главе изложены теоретические и экспериментальные исследования гидромеханических процессов, применяемых в технологиях водоочистки Изложение основного материала представлено раздельно 1) процессы осаждения, псевдоожижения и фильтрации, 2) гидроструйные устройства

1 Процессы осаждения, псевдоожижения и фильтрации В последние десятилетия много внимания уделяется изучению важных для практики гидромеханических процессов осаждения взвесей, фильтрации воды, псевдоожижения зернистых слоев, гидротранспорта зернистых материалов и т д В результате исследований ряда ученых были получены обширные экспериментальные данные, а также появилось множество эмпирических и полуэмпирических формул для расчетов вышеупомянутых процессов, которые имеют свои недостатки и не выявляют в полной мере общих закономерностей указанных процессов

В единой взаимосвязи процессы свободного и стесненного осаждения одиночных и групповых тел, псевдоожижения зернистых слоев, фильтрации однородных жидкостей в плотных зернистых средах впервые стали рассматривать Д М Минц и С А Шуберт В продолжение исследований в этом направлении другими учеными были получены общие расчетные зависимости, многие из которых, однако, несовершенны и требуют более основательного теоретического обоснования

В связи с вышеизложенным ставилась задача продолжить исследования в направлении поиска общих математических моделей гидромеханических процессов водоочистки

Поиск новой математической модели осуществлялся от наиболее простого случая свободного осаждения одиночного шара в жидкости к более сложным явлениям стесненного осаждения одиночных тел и обтекания групповых тел произвольной формы жидкостью

Для случая свободного осаждения одиночного шара в жидкости основные переменные следующие (73ф — эффективный вес тела в жидкости, р — плотность жидкости, ц. — динамический коэффициент вязкости, уш — скорость свободного осаждения шара, ¿¡ш — диаметр шара. Следовательно, искомая функция должна иметь вид

В соответствии с теорией подобия и анализа размерностей выражение (1) можно переписать в виде

где Аг и Ие — критерии Архимеда и Рейнольдса соответственно

В результате анализа и последующего синтеза известных теоретически обоснованных формул Стокса и Ньютона получена новая математическая зависимость между безразмерными параметрами в выражении (2), которая имеет следующий вид

ДСэф, р, (X, с?ш) = О

(1)

/(Аг, Ле) = О,

(2)

— Аг

Ке =-(3)

а + Ьл1- Аг УЗ

где амЬ — постоянные коэффициенты

Математический анализ показал, что пределы отношений зависимости (3) с исходными формулами Стокса и Ньютона равны 1 Это доказывает корректность полученной математической модели (3) и применимость ее в диапазоне применимости формул Стокса и Ньютона.

Для проверки достоверности математической модели (3) проведены сопоставления с известными частными формулами Стокса, Алена -Блазиуса и Ньютона Графически результаты сопоставлений представлены на рис 2

Рис 2 График зависимости 1д 1Че =/(1д Аг) 1 — расчет по Стоксу, 2 — расчет по Ньютону; 3 — расчет по Алену - Блазиусу; 4—расчет по (3)

Сопоставительный анализ показал, что математическая модель (3) применима в диапазоне действия частных формул Стокса, Аллена - Блазиуса и Ньютона. В интервале 0,1 < Не < 1 кривая 4, построенная с использованием (3), сходится с прямой 1, построенной по формуле Стокса. В интервале 10 < Ые < 5-102 кривая 4 сходится с кривой 3 по Аллену - Блазиусу. Наконец при Ке > 5-Ю2 кривая 4 сходится с кривой 2 по Ньютону Указанные интервалы согласуются с пришлыми в научной и инженерной практике Значительные расхождения (более 3 %) наблюдаются только в интервале 0 < ]$, Ле < 1 (см рис 2), что соответствует 1 < Т?е < 10 При этом известно, что этот интервал является переходным между диапазонами применимости формул Стокса и Аллена - Блазиуса, где каждая из этих формул также дает значительные погрешности Таким образом,

новая математическая модель (3) справедлива для расчета процесса свободного осаждения шара в широком диапазоне чисел Рейнольдса (0,1 <11е< 2-105)

При переходе от случая свободного осаждения одиночного шара к более сложным явлениям учитывались влияния условий стеснения, формы тел и характера граничной поверхности При этом структура исходной математической модели сохранялась В итоге была получена общая математическая модель для группы явлений, имеющих физическую взаимосвязь обтекание потоком вязкой жидкости тел в безграничном объеме жидкости и в стесненных условиях, групповое обтекание тел жидкостью при реализации процессов осаждения взвесей и псевдоожижения зернистых слоев Математическая модель имеет вид

(4)

где 81 и е2 — безразмерные параметры, учитывающие влияние условий стеснения, формы тел и характера граничной поверхности В формуле (4) Ле, Аг, 81 и в2, равны

а) для свободного осаждения и взвешивания одиночных шаров

е, = е2 = 1, =

б) для стесненного осаждения и взвешивания одиночных шаров

8, =

72 \

1-

и2

е, =

\2

1-

£

Ле =

11

г

в) для псевдоожижения зернистых слоев и осаждения взвесей

^-н-нг

И И Рс

Коэффициента £5 и р0 связаны с коэффициентами форм |3Ь Рг и р3 и характеризуют объем, поверхность и размер частица по отношению к соответствующим характеристикам эквивалентного шара

При установившейся равномерной фильтрации воды через плотную однородную зернистую среду искомая функция имеет вид

/(/, уф, р, ц, ¿4 с, (Зь Рг, р3) = 0,

(5)

где I — гидравлический уклон, Уф — скорость фильтрации;

ёч яс — диаметр и объемная концентрация частиц зернистой загрузки. В соответствии с теорией подобия и анализа размерностей выражение (5) можно переписать в виде

/(Де, Кг, с, рь р2,рз) = 0

(6)

При переходе от процесса псевдоожижения зернистых слоев (фильтрации жидкости в деформированной зернистой среде) к фильтрации жидкости в плотной зернистой среде подъемная архимедова сила, обусловленная разностью плотностей твердого тела и жидкости (Ар = рт — р), больше не оказывает влияния на исследуемый процесс, тогда как интенсивность взаимодействия в значительной степени зависит от отношения пористости зернистой среды т к объемной концентрации частиц в слое зернистой загрузки с - 1 - т Поэтому, сохраняя структуру математической модели (4), вместо критерия Аг = Оа Др/р введен критерий Кг = ва/С (где Оа— критерий Галилея, С = т/с = (1 - с)/с) Таким образом, получили

4 3

Кг е

± + Кг

е2 Ь

где 8!=|1-|рс|,

2

Ц

В работе дано экспериментальное подтверждение корректности новой математической модели Путем компьютерной обработки данных экспериментальных исследований, полученных как автором, так и другими исследователями, с использованием метода наименьших квадратов определены постоянные коэффициенты а, Ъ, р и р0 в (4) и (7) для случаев осаждения шаров (данные М В Кравцова), псевдоожижения зернистых слоев и фильтрации жидкостей в плотных зернистых средах из частиц песка, гравия, антрацита (данные Д М Минца и С А Шубберта) и керамзита (данные автора). При сопоставлениях вычисленных по (4) и (7) значений с опытными данными среднеарифметические относительные погрешности, взятые по модулю, не превысили 5 % во всех исследованных диапазонах Сопоставительные графики приведены на рис 3

Новая математическая модель может использоваться для расчетов параметров очистных сооружений, в которых реализуются процессы осаждения, псевдоожижения и фильтрации, а также для создания новых КИП с чувствительным элементом в виде шара или взвешенного зернистого слоя

а)

б)

О 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,45

С

В)

□ - змграциг 937 мм

д - -И- 2,08

- -41- 3,46

О - -II- 5,10

Х- -II- 779

I -керамзит 6=1,50 мм

А - 41- 2,25

-Я- 3,25

♦ - -II- 4,75

Рис 3 Сопоставление вычисленных по (4) и (7) (линии) и опытных (точки) данных а) взвешивание зернистых слоев из частиц кварцевого песка и гравия (рт = 2470-2670 кг/м3) в воде, б) взвешивание зернистых слоев из частиц антрацита (рт= 1661 кг/м3) и керамзита (Рт= 1900 кг/м3) в воде, в) фильтрация воды в плотных зернистых средах из частиц антрацита и керамзита

2 Гидроструйные устройства Создание и широкое применение простых и надежных гидро струйных аппаратов позволит существенно повысить эффективность работы очистных сооружений В связи с этим проведены теоретические и экспериментальные исследования гидроструйных устройств, применяемых в установках водоочистки (эжектор, гидрострушшй насос, гидроэлеватор)

Значительный вклад в развитие теории струйных аппаратов внесли РЖ Допкин, НМ Зингер, ПГ Каннингэм, ИВ Карпенчук, ДА Козлов, Б Е Кореннов, Б Ф Лямаев, М Л Неминский, Е Я Соколов и другие исследователи Однако, несмотря на то, что существует ряд методик расчетов струйных аппаратов, данная проблематика требует дальнейшей разработки Это связано с несовершенством существующих методик расчетов Разные методики дают противоречивые результаты и не всегда позволяют осуществлять оптимизацию расчетов, обеспечить надежную, наиболее экономичную работу струйных аппаратов Это приводит к тому, что часто в сооружениях очистки сточных вод неработоспособными оказываются отдельные узлы

В результате теоретических исследований были составлены уравнения баланса удельных энергий для характерных сечений гидроструйных устройств. При этом оказалось, что в полученных пяти основных уравнениях неизвестными оказались в общем случае одиннадцать членов Поэтому для их решения необходимо составить как минимум шесть дополнительных соотношений, которые можно получить на основе анализа и обработки экспериментальных данных, раскрывающих связи между отдельными величинами

В результате экспериментальных исследований различных гидроструйных устройств путем обобщения и анализа полученных данных были определены дополнительные расчетные соотношения С использованием основных и дополнительных уравнений можно производить расчеты гидроструйных устройств с учетом конкретных производственных условий При этом значения постоянных коэффициентов в дополнительных уравнениях зависят от вида устройства, характеристик насосного оборудования, конструктивных и геометрических параметров гидроструйного элемента и подающего напорного трубопровода Приведены значения постоянных коэффициентов для расчетов водо-воздушных эжекторов и сопоставительные графики

Например, для определения расхода пассивной среды ()п получено дополнительное уравнение в виде

КЭпг=4(^-А:52 (8)

где КЭдг = )—скоростной напор пассивного потока в горловине,

к51=к'51ЬТМТ+к"51 , к%2 = к53 (£г /с1Т )2 - к54 Ьг /с1т + ¿55 —• безразмерные коэффициенты,

— величина вакуума в приемной камере при нулевой величине избыточного давления 2 на выходе из горловины (2= 0),

©г, й, и ЬГ— соответственно площадь поперечного сечения, диаметр и длина горловины

Для расчета водовоздушного эжектора постоянные коэффициенты в (8) следующие- £51 = 0,00180, ^1 = 0,305, к53 = 0,0764; ¿54=445; ¿55 = 65,1 Сопоставительные графики расчетных и опытных данных приведены на рис 4

и, м

Рис. 4 Зависимость КЭт а — от длины горловины 1Г (с/г= 0,0152 м, Ос = 0,008 м), б— от диаметра сопла с/с (4 = 0,0152 м, /-г= 0,510 м) Точки—опыт, линии — расчет по (8)

/

В результате экспериментальных исследований получены и другие расчетные зависимости Также определены оптимальные соотношения геометрических параметров гидроструйных устройств Разработана конструкция гидроструйного устройства с переменной геометрией основных узлов При этом геометрические параметры зависят как от назначения и производительности гидроструйного устройства, так и от его типа. Предлагаемая простая и надежная конструкция гидроструйного устройства позволяет легко изменять геометрию основных его частей и осуществлять вывод на оптимальный режим работы при наладке и в период эксплуатации

В третьей главе представлены усовершенствованная конструкция малогабаритной комбинированной установки (МКУ) и рекомендации по расчету проектных и технологических параметров очистных сооружений По сравнению с аналогом усовершенствованная установка [10] позволяет повысить эффективность удаления и обезвоживания флотошлама, а также степень автомаги-

зации и механизации приемов эксплуатации. В нижней части установки размещен скорый зернистый фильтр с загрузкой из дробленого керамзита. Необходимое пространство над фильтром используется для размещения промежуточных ступеней очистки, а именно две камеры флотации (струйной и напорной) и коалесцирующий фильтр Таким образом, в комбинированной установке сточные воды проходят многостадийную обработку в начале— в камере струйной флотации, затем—в камере напорной флотации, далее—в шалесцирунмцем фильтре и только на заключительном этапе — в скором зернистом фильтре, что обеспечивает наиболее эффективную его работу В установке также предусмотрены водораспределительные устройства, узел сбора и обезвоживания нефтешлама, гидроструйные аппараты (эжекторы для приготовления водовоздушной смеси, гидроэлеватор для регенерации и обслуживания зернистой загрузки)

Рекомендации по расчету очистных сооружений основаны на известных методиках, но с использованием полученных в результате исследований новых зависимостей В частности, приводятся рекомендащш по расчету МКУ расчет высоты и поперечного сечения установки, расчет необходимого напора при фильтровании, расчет необходимого напора и объема воды при промывке зернистой загрузки фильтра.

Проведенные исследования также позволили создать новые КИП [12-14], предназначенных для контроля за ходом процессов водоочистки Разработанные приборы характеризуются повышенной технологичностью конструкции

Усовершенствованная в результате исследований малогабаритная комбинированная установка внедрена в производство и проекты очистных сооружений ряда предприятий Республики Беларусь.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Наиболее принципиальные результаты работы состоят в следующем 1 Осуществлен обоснованный выбор прогрессивной технологической схемы с оптимальной комбинацией и эффективной последовательностью реализации различных гидромеханических процессов [7, 9,16]

2. Разработана математическая модель гидромеханических процессов осаждения и взвешивания восходящим потоком воды одиночных тел и зернистых слоев, фильтрации воды в пористых зернистых средах, которая базируется на известных формулах Стокса и Ньютона, справедливых для частных случаев свободного осаждения одиночного шара в жидкости, и распространена на другие явления с учетом влияния условий стеснения, формы тел и характера граничной поверхности. Новая модель отличается от известных тем, что позволяет производить расчеты всех вышеперечисленных процессов в широком диапазоне изменения физических параметров [1,4,5, 6,10]

3 Выполнены исследования гидроструйных аппаратов, позволившие установить оптимальные соотношения между основными геометрическими параметрами эжекторов с соплом в виде диафрагмы с круглым отверстием и разработать аппарат с высокой технологичностью конструкции Выведены основные математические зависимости для расчетов гидроструйных элементов, которые совместно с дополнительными зависимостями, полученными путем анализа и

обработки опытных данных, позволяют производил, расчеты эжекторов для конкретных производственных условий [2,3,8,18]

4 С учетом результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны новые приборы для систем контроля и управления технологическими процессами при эксплуатации очистных сооружений Новые приборы могут применяться в различных отраслях народного хозяйства для измерения расходов и свойств жидкостей и по сравнению с аналогами характеризуются меньшей стоимостью и повышенной технологичностью конструкций [4,13,14,15,19]

5 На основе проведенных исследований разработаны и внедрены в производство в составе новых технологических схем усовершенствованные конструкции установок для очистки нефтесодержащих сточных вод, которые без применения дорогостоящих методов обеспечивают очистку до 1 ,1,5 мг/л по нефтепродуктам и 6 8 мг/л по взвешенным веществам, что позволяет использовать воду такого качества в системах оборотного производственного водоснабжения предприятий При необходимости обеспечения качества очищенной воды до норм ПДК для сброса в канализацию или водные источники (до 0,05 мг/л по нефтепродуктам) в схему включается типовой сорбционный фильтр, нагрузка на который минимальна, что обеспечивает его эффективную и длительную работу Применение новых технологий позволяет также повысить степень автоматизации и механизации приемов эксплуатации, улучшите культуру производства По сравнению с современными аналогами стоимость новых установок в 2 5 раз ниже при сопоставимых или меньших эксплуатационных затратах [9,11,12,17]

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ Статьи в научных журналах:

1 Кравцов, М В О свободном падении одиночного тела в жидкостях / МВ Кравцов, АМ Кравцов // Энергетика (Изв высш учеб заведений и энерг объединений СНГ) - 1999 -№5 -С 86-94

2. Кравцов, М В К расчету струйных устройств и аппаратов / М.В Кравцов, А М Кравцов // Энергетика (Йзв высш учеб заведений и энерг объединений СНГ) - 2000 - № 2-С 70-72

3 Кравцов, АМ Экспериментальные исследования работы эжекторов / А М Кравцов // Энергетика (Изв высш учеб заведений и энерг объединений СНГ) - 2000 - № 3 - С 90-95

4 Кравцов, А.М Ротаметрические измерения расходов и свойств жидкостей / А М Кравцов // Энергетика (Изв высш учеб заведений и энерг объединений СНГ) -2003 -№6 -С 76-82

5 Кравцов, А М Расчет промывки зернистой загрузки фильтра восходящим потоком воды / А М Кравцов // Вестник БИТУ - 2004 - № 5 -С 27-31

6 Кравцов, А М Фильтрация воды в слое однородной зернистой загрузки /АМ.Кравцов//ВестникБНТУ-2005 -№1 -С 26-30

7 Кравцов, А М Локальные сооружения очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов / АМ Кравцов, В И Блоцкий, АМ Ган И Агропанорама -2005 - № 6 - С 22-26

8. Кравцов, МВ Расчет подачи воды в гидроструйные аппараты / МВ Кравцов, АМ Кравцов // Энергетика .(Изв высш учеб заведений и энерг объединений СНГ) -2006 -М4-С 80-86

Материалы конференций:

9 Кравцов, А М Проблемы очистки нефтесодержащих сточных вод Конструкций и расчеты узлов сооружений водоочистки / А М Кравцов // Современное состояние, проблемы и перспективы использования водных ресурсов Беларуси материалы Водного форума, Минск, 30 сент-1 окт 2003 г. / Центр науч -исслед ин-т комплексн использования водных ресурс , редкол М Ю Калинин [и др] -Минск,2003 -С 199-203

10 Кравцов, А М Обобщенная формула для расчетов гидромеханических процессов водоочистки осаждения, псевдоожижения и фильтрации / АМ Кравцов // Наука— образованию, производству, экономике материалы П Международ науч-техн конф в 2 т / Белорус нац техн ун-т, редшл БМ Хрусталев [идр ] -Минск, 2004 -Т 1 -С 122-124

Патенты:

11 Устройство для очистки сточных вод пат. 67 Респ Беларусь, МКН С 02 F 1/24 / М В Кравцов, А М Кравцов, заявители М В Кравцов, АМ Кравцов -№и 19990041,заявл 12 04 1999,опубл 30 12 1999// Афщыйны бюл /Дзярж пах ведамстваРэсп Беларусь. -1999 -№4 -С 197

12 Нефтеловушка пат 68 Респ Беларусь, МКИ С 02 F 1/40 / МВ Кравцовым Кравцов; заявители М В Кравцов, А.М Кравцов - № и 19990042, заявл 12 04 1999; опубл 30 12 1999 Н Афщыйны бюл / Дзярж пат ведамсгва Рэсп Беларусь -1999 -№4 -С 197

13 Парщгальный расходомер воды пат 69 Респ Беларусь, МКИ С 02 F 1/40 / М В Кравцов, А М Кравцов, заявители М В Кравцов, А М Кравцов - № и 19990043, заявл 12 04 1999, опубл 30121999 // Афщыйны бюл /Дзярж паг ведамстваРэсп Беларусь -1999 -№4 -С 201

14 Расходомер воздуха паг 70 Респ Беларусь, МКИ С 02 F 1/28 / МВ Кравцов, АМ Кравцов, заявители МВ Кравцов, АМ Кравцов -№ и 19990044, заявл 12 04 1999, опубл 30 12 1999 // Афщыйны бюл / Дзярж паг ведамстваРэсп Беларусь -1999 -№4 - С 202

15 Вискозиметр-плотномер пат 303 Респ Беларусь, МКИ G 01 N 11/10 / М В Кравцов, А М Кравцов, заявители М В Кравцов, А М Кравцов -№и 19990118, заявл 04 И 1999, опубл 30 09 2001 // Афщыйны бюл / Дзярж пат ведамстваРэсп Беларусь -2001 - № 3 - С 200

Прочие статьи:

16 Кравцов, М.В Технологии и сооружения локальной очистки нефтемас-лосодержащих сточных вод / М.В Кравцов, В.И Сачков, А М Кравцов // Вода.-1999 -№7 - С 9-10

17 Кравцов, М В Сооружения для очистки нефтемаслосодержащих сточных вод/МВ Кравцов, В И Сачков, АМ. Кравцов //Вода - 2000 -X» 1 -С 13-14

18 Кравцов, АМ Элементы струйной техники в сооружениях очистки нефтемаслосодержащих сточных вод/ А М. Кравцов //Вода -2000 -№5 -С 5-6

19 Кравцов, АМ КИП в сооружениях очистки нефтемаслосодержащих сточных вод/АМ Кравцов // Вода. - 2000 - № 6 - С 11

РЭЗЮМЕ Крауцоу Аляксандр Маратавмч

Пдрамехашчныя працэсы у тэхналопях ачыстк! нафта^трымальных сцёкавых водау

Ключавыя словы: нафтаутрымальные сцекавыя воды, малагабарытная камбшаваная установка, пдрамехажчныя працэсы, пдраструменныя апараты, кашрольна-вымяральныя прыборы

Аб'ект даследавания—тэхналапчныя схемы 1 збудаванш лакальнай ачысти нафтаутрымальных сцекавых вода^ малых сцёкаутваральных аб'ектау

Предмет даследавания — пдрамехашчныя працэсы у элементах тэхналапчных схем пры ^заемадзеянш патоку вадкага асяроддея з унутранай дысперправанай фазай 1 знешшш межавыш паверхняли

Мэта работы — рашэнне важнай народнагаспадарчай праблемы прадухшення забруджвання навакольнага асяроддзя нафтапрадукташ за кошт развщця тэарэтычных асноу пдрамехашчных працэсау, якм выкарысто^аюцца У тэхналопях ачыства нафтаутрымальных сцекавых вода^ малых сцёкаутваральных аб'ектау.

Метадалопя работы ашраецца на асноуныя Зфа^ненш тэхшчнай пдрамеханш, яки выражаюць законы захавання масы, энерга 1 колькасщ руху, тэорыю падабенства 1 анашз размернасцяу, лабараторны эксперымент Асноуныя вынпн:

- атрымана новая матэматычная мадаль для разлисау пдрамехашчных працэсау асаджэння 1 узважвання' адзшочных целау 1 зяршстых слаеу, фшьтрацш вады у порыстых зяршстых асяродцзях Новая мадаль адрозншаецца ад вядомых тым, што дазваляе рабщь разлш вышэйпералгчаных працэсау у шыровам дыяпазоне змянення фшчных параметра^,

- атрыманы новыя даныя и матэмашчная залежнасцх для разлнсау параметрау эжекгарау, якш выкарыстоуваюцца ва устано^жах водаачыстю Эксперыментальна вызначаны аптымальныя канструктыуныя параметры эжэкгарау,

- удасканалена канструкцыя малагабарытнай камбшаванай установи (МКУ) для ачысш нафта^трымальных сцёкавых вода)? 1 распрацаваны рэкамендацьп для разлЬкау праектных 1 тэхналапчных параметра^ МКУ,

- распрацаваны новыя прыборы для аетэм кангролю 1 управления тэхналапчныш працэсаш пры эксплуатации ачышчапьных збудаванняу, ятя характарызуюцца высокай тэхналапчнасцю кансгрукцый

Практичная значнасць выкананых даследаванняу пацверджана укараненнем вышка? работы на шэраге прадпрыемства^ Рэспублш Беларусь

РЕЗЮМЕ Кравцов Александр Маратович

Гидромеханические процессы в технологиях очистки нефтесодержащих сточных вод

Ключевые слова: нефтесодержащие сточные воды, малогабаритные комбинированные установки, гидромеханические процессы, гидроструйные аппараты, контрольно-измерительные приборы

Объект исследования — технологические схемы и сооружения локальной очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов Предмет исследования— гидромеханические процессы в элементах технологических схем при взаимодействии потока жидкой среды с внутренней диспергированной фазой и внешними граничными поверхностями

Цель работы — решение важной народнохозяйственной проблемы предотвращения загрязнения окружающей среды нефтепродуктами за счет развития теоретических основ гидромеханических процессов, применяемых в технологиях очистки нефтесодержащих сточных вод малых стокообразующих объектов

Методология работы опирается на основные уравнения технической гидромеханики, выражающие законы сохранения массы, энергии и количества движения, теорию подобия и анализ размерностей, лабораторный эксперимент Основные результаты:

- получена новая математическая модель для расчетов гидромеханических процессов осаждения и взвешивания одиночных тел и зернистых материалов, фильтрации воды в пористых зернистых средах Новая модель отличается от известных тем, что позволяет производить расчеты вышеперечисленных процессов в широком диапазоне изменения физических параметров;

- получены новые данные и математические зависимости для расчетов параметров эжекторов, применяемых в установках водоочистки Экспериментально установлены оптимальные конструктивные параметры эжекторов,

- усовершенствована конструкция малогабаритной комбинированной установки (МКУ) для очистки нефтесодержащих сточных вод и разработаны рекомендации для расчетов проектных и технологических параметров МКУ,

- разработаны новые приборы для систем контроля и управления технологическими процессами при эксплуатации очистных сооружений, характеризующиеся высокой технологичностью конструкции

Практическая значимость проведенных исследований под тверждена внедрением результатов работы на ряде предприятий Республики Беларусь

SUMMARY

Aliaksandr M. Krautsou

Hydromechanical processes in oily wastewater treatment technologies

Keywords: oily waste, small-sized combined wastewater treatment plant, hydromechanical processes, water-jet devices, controlling equipment

The object of research — technologies and facility for local purification of oily wastewaters that are discharged from small-scale enterprises

The subject of research — hydromechanical processes in elements of the technologies when flow medium interact with dispersed phase and mterfacial area

The purpose of the work is to solve the important problem of national economy that is prevention of environment pollution by oil products due to development of theoretical foundation of the hydromechanical processes that are applied in technologies of oily wastewaters purification

Methodology of the work is based on fundamental equations of the engineering hydromechanics, namely laws of conservation of mass, energy and momentum, theory of similarity and dimensional analysis, laboratoiy experiment The basic results are:

- new mathematical model for calculation of the hydromechanical processes, namely sedimentation and fluidization of bodies and granular layers, filtration of water through a porous granular media As distinct from well-known the new model permit to do calculation of all above-listed processes in wide-range of physical properties,

- new data and mathematical dependences for calculation of operation factors as well as optimal design factors of ejectors used to water purification plants,

- advanced small-sized combined-plants (SCP) for oily wastewater purification as well as recommendations for calculation of design and process parameters of the SCP,

- advanced devices used to workflow control systems during exploitation of treatment plants New devices are characterized by high manufacturability.

Practical significance of the research is proved by application of the science results to several enterprises of the Republic of Belarus

Научное издание

КРАВЦОВ Александр Маратович

ГИДРОМЕХАНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ТЕХНОЛОГИЯХ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД

05 23 04 — Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

_Редактор ТН Микулик_

Подписано в печать 12.09 2007 Формат 60x84 1/16 Бумага офсетная Отпечатано на ризографе. Гарнитура Тайме. Уел печ л. 1,22. Уч.-изд л 0,91. Тираж 60. Заказ 1013

Издатель и полиграфическое исполнение' Белорусский национальный технический университет. ЛИ № 02330/0131627 от 01 04 2004 220013, Минск, проспект Независимости, 65.