автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Характеристики коалесцирующих фильтроэлементов для очистки судовых нефтесодержащих вод

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. Свойства нефтесодержащих сточных вод

1.1. Свойства нефтесодержащих сточных вод МКО морских судов

1.2. Статистические модели нефтесодержащих сточных вод

Глава 2. Методы очистки нефтесодержащих вод

2.1. Обзор методов очистки нефтесодержащих вод

2.2. Фильтрационные методы очистки

2.3. Механизм разделения эмульсии фильтрацией

Глава 3. Гидродинамика коалесцирующего фильтра

3.1. Геометрия фильтрующего слоя и его обобщенные характеристики

3.2. Гидродинамика неподвижного слоя. Общие соотношения и критерии подобия

3.3. Фильтрация однокомцонентной жидкости при одновременном воздействии сил инерции и вязкости

3.4. Гидродинамика фильтрации многофазных сред

Глава 4. Описание экспериментальных установок

4.1. Экспериментальная установка для исследования режимных характеристик коалесцирующих фильтров в отсеке сепаратора «Вариант I»

4.2. Экспериментальная установка для исследования режимных характеристик коалесцирующих фильтров в отсеке сепаратора «Вариант И»

4.3. Экспериментальная установка для изучения режимных характеристик коалесцирующих фильтров «Вариант III» с регулируемыми условиями отстоя

Глава 5. Экспериментальные исследования

5.1. Исследования режимных характеристик коалесцирующего фильтра с осевым током и загрузкой из анионита АВ 17-8 в отсеке сепаратора

5.1.1. Постановка задачи

5.1.2. Методика проведения эксперимента

5.1.3. Планирование эксперимента и его реализация

5.1.4. Обработка результатов эксперимента

5.2. Исследование режимных характеристик фильтра с радиальным током и загрузкой из анионита марки АВ 17в отсеке сепаратора

5.2.1. Постановка задачи и условия эксперимента

5.2.2. Методика эксперимента

5.2.3. Результаты эксперимента и их обработка

5.3. " Определение критической скорости фильтрации в коалесцирующих фильтрах с зернистыми загрузками

5.3.1. Постановка задачи

5.3.2.1. Методика проведения эксперимента

5.3.3. Реализация эксперимента и обработка результатов

5.4. Исследование смачиваемости коалесцирующих синтетических материалов нефтью.

5.4.1. Постановка задачи

5.4.2. Методика эксперимента

5.4.3. Результаты обработки данных эксперимента

5.5. Исследование режимных характеристик коалесцирующи^фильтров с загрузкой из полимерных материалов (3-х факторный эксперимент с фиксированным временем отстоя)

5.5.1. Постановка задачи и планирование эксперимента

5.5.2. Методика проведения эксперимента 120 5.5.3. Реализация плана эксперимента

5.5.3.1. Реализация плана для анионита AB 17

5.5.3.2. Реализация плана для материалов А9 и А

5.5.4. Обработка результатов эксперимента

5.5.4.1. Результаты обработки данных для анионитаАВ 17

5.5.4.2. Результаты обработки данных для материала А

5.5.4.3. Результаты обработки данных для материала AI

Глава 6. Обсуждение результатов и их промышленное применение

6.1. Обсуждение режимных характеристик коалесцирующего фильтра с осевым током и загрузкой из анионита АВ 17в отсеке сепаратора 135.

6.2. Обсуждение режимных характеристик фильтра с радиальным током и загрузкой из анионита марки

АВ 17-8 в отсеке сепаратора

6.3. Обсуждение результатов определения критической скорости коалесценции

6.4. Обсуждение результатов исследования смачиваемости коалесцирующих синтетических материалов нефтью

6.5. Обсуждение режимных характеристик коалесцирующих фильтров с загрузкой из полимерных материалов (3-х факторный эксперимент с фиксированным временем отстоя)

6.6. Промышленное применение результатов исследований

Одной из важных проблем экологии является предотвращение загрязнения Мирового океана нефтепродуктами, значительная часть которых попадает в него вследствие недостаточной очистки нефтесодержащих вод (НВ) на судах. Непрерывно растущие требования к очистке удаляемых с судов НВ обуславливают необходимость проведения исследований и разработки новых конструкций очистного оборудования.

В соответствии с требованиями Международной конвенции по предотвращению загрязнения моря с судов МАРПОЛ 73/78 и резолюции ИМО МЕРС 60(33) было необходимо к июню 1998 г. все существующее судовое нефтеводяное сепарационное оборудование с очистной способностью до 100 млн"1 полностью заменить на фильтрующее, с очистной способностью до 15 млн"1.

Большая часть судов Российских транспортных и рыбопромысловых компаний была оборудована отечественными сепарационными установками СК и СКМ отстойно-коал&сцирующего типа, не отвечавшими возросшим требованиям. Поэтому было необходимо либо полностью заменить морально устаревшее оборудование, либо провести его модернизацию до уровня, отвечающего требованиям Международной конвенции и улучшить его эксплуатационные качества. Второй путь сулил большой экономический и экологический эффект. В связи с этим была поставлена актуальная задача, исследовать свойства нефтесодержащих сточных вод машинно-котельных отделений (МКО), процессы их очистки и на основе исследований дать рекомендации ? недостающие расчетные зависимости для проектирования элементов фильтрующих установок, разработать конструкции для модернизации серийного оборудования.

Конструкции экспериментальных установок и методики экспериментов разработаны в соответствии с требованиями резолюций ИМО А393(Х),

А444(Х1) и МЕРС 60(33), содержащих методы испытания судового нефтево-дяного очистного оборудования, и на основании опыта испытаний натурного оборудования многих моделей разных производителей.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

- проведен сбор, обобщение и анализ информации о свойствах нефте-содержащих вод и методах их очистки;

- в качестве объекта исследования выделен процесс коалесценции в коалесцирующих фильтрах;

- проведен сбор и обобщение информации о процессе коалесценции;

- разработаны методики исследования процесса коалесценции и факто-ров^а него влияющих;

- разработаны схемы экспериментальных установок и коалесцирующих фильтров;

- исследованы режимные характеристики коалесцирующих фильтров с осевым и радиальным током и загрузкой анионита АВ 17-8;

- исследован процесс критического перехода коалесценции для ряда полимерных материалов;

- исследованы поверхностные свойства ряда полимерных материалов;

- разработан новый класс коалесцирующих материалов - пленочные;

- исследовано совместное влияние скорости фильтрации, толщины слоя материала, и концентрации нефти на процесс коалесценции в материалах: зернистом - АВ 17-8; и пленочных - А 9, А 10.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- исследованы характеристики коалесцирующих фильтров с загрузкой ряда материалов, никогда ранее не использовавшихся в качестве коалесцирующих;

- впервые количественно исследовано явление кризиса коалесценции для различных материалов и концентраций нефти в воде;

- на основе экспериментального определения смачиваемости ряда полимерных материалов и расчета работы адгезии сделан вывод, что различия в работе фильтров из этих материалов определяется не их поверхностными свойствами, а структурой слоев;

- разработан новый класс перспективных коалесцирующих материалов (пленочные) и проведено исследование двух таких материалов со специально созданной структурой.

Практическая ценность работы заключается в следующем:

- полученные зависимости критической скорости фильтрации и концентрации нефти в воде дают возможность рассчитать предельные режимы работы коалесцирующих фильтров;

- полученные зависимости для режимных параметров коалесцирующих фильтров позволяют рассчитать их размеры, выбрать материалы и режимы работы.

Промышленное применение научных результатов.

Основные результаты исследований, проведенных в процессе работы над диссертацией, реализованы в двух хоздоговорных темах, а так же в учебном процессе ДВГМА.

Результаты научно-исследовательской работы были одобрены Регистром и рекомендованы к внедрению (письмо Главного управления Регистра № 006-8-5509р от 23.05.90г.). Ранее по результатам типовых испытаний сепа-рационной установки на т/х «Пионер Приморья» ГУРом было выдано Свидетельство о типовом испытании (СОТИ) №90.001.170 от 09.04.90 г на нефтеводяной сепаратор типа СК-2,5м с коалесцирующими фильтроэлементами на основе зернистой загрузки из анионита АВ 17-8 по ГОСТ 20301-74 конструкции ДВВИМУ. Затем шестьдесят шесть установок типа

СК-2,5м транспортных судов Дальневосточного морского пароходства в 1990-91 году были переоборудованы фильтроэлементами конструкции ДВВИМУ. Список этих судов приведен в приложении. В дальнейшем Г.И.Тихомировым, модернизировано более 120 установок на судах транспортного и рыбопромыслового флота.

По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Основные положения работы докладывались на: научно-технических конференциях преподавателей и сотрудников Дальневосточной государственной морской академии имени адмирала Г.И. Невельского и межвузовских конференциях в 1986^-2001 г.г.;

- Региональной научно-технической конференции «Приморские зори» (Владивосток, 1998 г.);

- Межотраслевой научно-технической конференции «Проблемы автоматизации, эксплуатации и проектирования специальных систем танкеров» (Владивосток, 1987 г);

Всесоюзной научно-технической конференции «Защита водного и воздушного бассейнов от загрязнений при постройке и эксплуатации су-до^ХЛенинград 1990 г.).

Выполненная совместно с Г.И. Тихомировым на основе исследований работа на тему: «Разработка регенеративного коалесцирующего фильтроэле-мента для судовых нефтеводяных сепараторов типа СК и СК-2,5М была отмечена поощрительной премией и дипломом на конкурсе ЦНТО Водного транспорта «на лучшее инженерно-техническое решение по проблеме охраны окружающей среды» (Москва 1994 г).

Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложений.

Основные результаты исследований, проведенных в процессе работы над диссертацией, реализованы в ряде хоздоговорных работ, а так же в учебном процессе ДВГМА. Разработаны коалесцирующие фильтроэлементы к нескольким типам оборудования.

Результаты научно-исследовательской работы были одобрены Регистром и рекомендованы к внедрению (письмо Главного управления Регистра № 006-8-5509р от 23.05.90г.). Ранее по результатам типовых испытаний сепараци-онной установки на т/х «Пионер Приморья» ГУРом было выдано Свидетельство о типовом испытании (СОТИ) №90.001.170 от 09.04.90 г. на нефте-водяной сепаратор типа СК-2,5м с коалесцирующими фильтроэлементами на основе зернистой загрузки из анионита АВ 17-8 по ГОСТ 20301-74 конструкции ДВВИ-МУ. Затем более шестидесяти установок типа СК-2,5м транспортных судов Дальневосточного морского пароходства в 1990-91 году были переоборудованы фильтроэлементами конструкции ДВВИМУ. Список этих судов приведен в приложении.

В дальнейшем Г.И.Тихомировым модернизировано более 120 установок на судах различных владельцев.

Сборочный чертёж фильтроэлимента и свидетельство о типовых испытаниях с дополнением приведены в приложениях.

Заключение

В диссертационной работе: исследованы свойства нефтесодержащих сточных вод машинно-котельных отделений (МКО); процессы их очистки; на основе исследований даны рекомендации и недостающие расчетные зависимости для проектирования элементов фильтрующих установок; разработаны конструкции для модернизации серийного оборудования. Экспериментальные исследования проводились на макромоделях (отсеках) и натурных объектах. При этом использовался статистический метод планирования и анализа эксперимента, называемый методом поверхности отклика или стратегией эффективного экспериментирования.

Научная новизна работы заключается в следующем: исследованы характеристики коалесцирующих фильтров с загрузкой ряда материалов, никогда ранее не использовавшихся в качестве коалесцирующих; впервые количественно исследовано явление кризиса коалесценции для различных материалов и концентраций нефти в воде; на основе экспериментального определения смачиваемости ряда полимерных материалов и расчета работы адгезии сделан вывод, что различия в работе фильтров из этих материалов определяются не их поверхностными свойствами, а структурой слоев; разработан новый класс перспективных коалесцирующих материалов - пленочные материалы и проведено исследование двух таких материалов со специально созданной структурой А9 и А10.

Практическая ценность работы заключается в следующем: полученные зависимости критической скорости фильтрации и концентрации нефти в воде от ряда факторов дают возможность рассчитать предельные режимы работы коалесцирующих фильтров; полученные зависимости для режимных параметров коалесцирующих фильтров позволяют рассчитать их размеры, выбрать материалы и режимы работы.

Внедрение. Разработанные на основе исследований конструкции фильтроэлементов применены при модернизации установок для очистки нефтесодержащих сточных вод на 66 судах ДВМП.

1. Грановский И.Г.,Лавров И.С., Смирнов О.В. Электрообработука жидкостей. JI., Химия, 1976.

2. Исследование состава судовых льяльных, балластных вод и нефтеостат-ков. Клайпеда: Клайпедское отделение Гипрорыбфлота. 1981. - 48 с.

3. Карпинский Ю.И. Очистка нефтесодержащих вод морских судов в аппаратах со сложным силовым полем. Автореферат дисс. канд. техн. наук. -Владивосток: 1976.

4. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря с судов. М.: Транспорт,-! 985,-228 с.

5. Средства очистки жидкости на судах: Справочник под ред.И.А. Иванова. Л.: Судостроение, 1984.-272 с.

6. Михайлюк В. А. Исследования коалесцирующих матриц пред очистных фильтров судовых сепараторов нефтесодержащих вод. Автореф. дисс. канд. техн. наук. - Николаев: 1989.

7. Михайлюк В.А. ,Писарук A.B. Исследование нестационарности процессов массообмена при сепарации нефтесодержащих вод.Судовые энергетические установки: Сб. научн. тр. Николаев, ЕЛКИ, 1991. - С. 36 - 41.

8. Якубовский В.Ю. Статистическая модель физико-химических свойств судовых нефтесодержащих вод. Судовые энергетические установки: Сб. научн. тр. Николаев, НКИ, 1993. С. 51-58.

9. Брусельницкий Ю.М. Судовые устройства очистки трюмно-балластных вод от нефтепродуктов. Л.: Судостроение 1966. - 200 с.

10. Ю.Роев Г.А., Юфин В.А. Очистка сточных вод и вторичное использование нефтепродуктов. М.:Недра 1987. - 224 с.

11. П.Проскуряков В.А., Смирнов О.В. Очистка нефтепродуктов и нефтесодержащих вод электрообработкой. СПб.: Химия, 1992. 112 с.

12. Дерягин Б.В. Теория устойчивости коллоидов и тонких плёнок. М.: Наука, 1986.216 с.13.3убрилов С.П., ИщукЮ.Г., Косовский В.И. Охрана окружающей среды при эксплуатации судов. Л.: Судостроение, 1989. - 256 с.

13. Седлухо Ю.П., Клюшин A.A., Бавтот Д.П. /О коалесценции нефтепродуктов при^фильтрации сточных вод через гидрофобные полимерные материалы/. Нефтяное хозяйство, 1982 № 11, с 38 42.

14. Аэров М.Э., Тодес О. М.Гидравлические и тепловые основы работы аппа-ттов со стапионапным и кипятттим ^епнистам г.ттпем — TT • Хч^ч^ 1^68г —л. . X > 1512с.

15. Adams N. К., The Physics and Chemistry of Surfaces, Oxford Univ. Press, London, 1941.

16. Гиматудинов Ш.К., Ширковский А. И. Физика нефтяного и газового пласта. М.: Недра, 1982, 311 с.

17. Р. Коллинз .Течение жидкости через пористые материалы. Пер. с английского. М.: Мир, 500 с.

18. Тихомиров Г.И., Андреев А.К. Экспериментальные исследования филырадии нефтеводяной смеси в слое зернистого коалесцирующего материала.// Тезисы докладов Межвуз. научно-техн. конф. ДВГМА, Владивосток: ДВГМА, 1996.-С. 27-28.

19. Андреев А.К. О структуре слоя коалесцирующего материала.// Тез. докл. Межвуз. НТК «Морское образование на Дальнем Востоке: Современное состояние и перспективы развития >>?апрель 1996г. Владивосток: ДВГМА - 1996. -С. 172.

20. Андреев А.К., Тихомиров Г.И. Анализ развития перспективных нефтеводяных сепараторов морских транспортных судов.// Сб. науч. трудов Первой региональной научно-техн. конф. «Приморские Зори», 28 29.04.195 г. - Владивосток: ТАГОВ. -1998. - С. 158 - 159.

21. Тихомиров Г.И., Андреев А.К., Чириков А.Ю., Тихомиров С.Г. Результаты разработки регенеративных фильтроэлементов для очистки судовых сточных нефтесодержащих вод.// Докл. Первого междунар. Инвестиц. Конгресса

22. Новейшие технологии в системе интеграционных процессов территорий стран АТР», 30.05 02.06.2000 г. - Владивосток: ДВГМА, 2000.-С. 304-308.

23. Хаммельблау Д. Анализ процессов статистическими методами. М.: Мир, 1979.

24. Когановский А. М., Клименко H.A. Физико-химические методы очистки промышленных сточных вод от поверхностно-активных веществ. — Киев: Наукова Думка, 1974.

25. Логинов В.И. Обезвоживание и обессоливание нефтей. -М.: Наука, 1969.

26. Леймберг A.A., Повышение эффективности сепараторов трюмных вод типа CK., Ж. Рыбное хозяйство №1,1976.

27. Нунупаров С.М. Предотвращение загрязнения моря нефтью. М.: Транспорт, 1971.

28. Монгайт И.Л., Родзилер И.Д., Методы очистки сточных вод. Гостопиздат, 1958.

29. Когановский A.M., Семенюк В.Д., Оборотное водоснабжение химических предприятий., Будивильник, Киев, 1975.

30. Тув И.А^, Судовые технические средства предотвращения загрязнения водоёмов нефтепродуктами. М. :Транспорт, 1976.

31. Кожинов В.Ф. Очистка питьевой и технической воды. М.: Стройиздат, 1971.

32. Программа испытаний нефтеводяного сепарационного оборудования, систем кощроля за сбросом трюмных вод и сигнализаторов на судах (РД 31.04.20-84)ММФ СССР, М.,1984.

33. Резолюция ИМО А393.(Х). Рекомендация по международным техническим требованиям к эксплуатационным характеристикам и испытаниям оборудования для сепарации нефтеводяных смесей и приборов для определения содержания нефти.

34. Резолюция ИМО А.444(Х1). Рекомендация по установке оборудования для сепарации нефтеводяной смеси согласно международной ковенции по предотвращению загрязнения с судов 1973 года, изменённой протоколом к^ней 1978 года., р

35. Резолюция ИМО МП 60 (33). 1 ебования к обору доьанто ни предотвращению загрязнения моря с судов.

36. Алиев H.A. Предотвращение загрязнения моря при разработке морских нефтяных месторождений. М., Недра, 1981.

37. Борьба с потерями нефти и нефтепродуктов при их транспортировке и хранении / Арбузова Ф.Ф., Бронштейн И.С. ,Новосёлов В.Ф. и др. М., Недра, 1981.

38. Зонтаг Г., Штренге Коагуляция и устойчивость дисперсных систем. Пер. с нем. JI., Химия, 1973.

39. Карелин Я.П. и др.Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов. М., Стройиздат, 1982.

40. Карпинский Ю.И. Оптимизация условий очистки нефтесодержащих сточных вод при статическом отстаивании. Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов, 1978, №1.

41. Нельсон Смит А. Нефть и экология моря. М.: прогресс, 1977.

42. Романков П.Г., Курочкина М.И. Гидромеханические процессы химических технологий. Л.: Химия, 1982.

43. Шейдеггер А.Е. Физика течения жидкости в пористой среде. М. Л.: ГТТИ. Перевод с английского, 1960.165

44. Позднышев Г.Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. М.: Недра, 19882.