автореферат диссертации по строительству, 05.23.04, диссертация на тему:Интенсификация процессов гидродинамической очистки нефтесодержащих сточных вод

й7' .....

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АДЕЛЫПИН АЗАТ БИЛЯЛОВИЧ

ИНТЕНСИФИКАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД.

05.23.04. —Водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов

Ш:

Диссертация в виде научного до$л^ на^сойскание ученой степени доктора ш^ичсШих н£ук .

■/' //" 1 /Ч/

Санкт - Петербург 1998

1 Общая характеристика работы

1.1. Актуальность проблемы. Решение проблемы рационального использования и охраны водных ресурсов связано с созданием и внедрением новых методов, сооружений, аппаратов очистки природных и сточных вод, интенсификацией и совершенствованием существующих технологических процессов очистки, методов расчета, конструирования, проектирования и эксплуатации, разработкой систем водоснабжения и канализации.

Разработка, совершенствование, интенсификация технологии очистки вод обусловлены качественными и количественными характеристиками последних и требованиями к качеству очищенной воды.

В основе, практически, всех методов и работы сооружений, аппаратов очистки вод важное место занимают гидродинамические процессы, происходящие как в самих сооружениях, аппаратах, так и в коммуникациях (трубопроводы, местные сопротивления и т.д.). При движении сточной воды в сооружениях, аппаратах, коммуникациях наблюдаются самого различного рода деформации поля скоростей и напряжений, образование зон завихрения и вторичных течений, диссипативные процессы. Все это определяет фазово-дисперсное состояние сточной воды.

В зависимости от условий образования нефтесодержащие сточные воды (НСВ) представляют собой полидисперсные системы от грубодисперсных до коллоидных с размерами частиц нефтепродуктов от 200 до 0,001 мкм и менее. Очистка НСВ от эмульгированных капель нефти представляет большие трудности, поскольку эти капли очень малы (порядка 10 мкм и менее). Размер части нефти имеет превалирующее значения в процессах очистки НСВ. Кроме того частицы нефти окружены прочной бронирующей оболочкой состоящей из веществ, содержащихся в исходной НСВ. Бронирующие оболочки препятствуют коалесценции частиц нефти. Плотность таких стабилизированных бронирующей оболочкой частиц нефти (нефтяных глобул) по величине приближается к плотности сточной воды. Разрушение бронирующих оболочек, снижение дисперсности нефтяных глобул в НСВ являются одним из наиболее действенных и реализуемых факторов интенсификации очистки НСВ.

В настоящее время широкое распространение получили химические и физические методы интенсификации процесса очистки НСВ отстаиванием, фильтрованием, флотацией и т.д.

Химические методы связаны с добавлением в НСВ химреагентов, вызывающих коагуляцию, флокуляцию и коалесценцию нефтяных частиц. Эти методы требуют относительно больших материальных и трудовых затрат.

Существует ряд принципиальных возможностей технологического, конструктивного совершенствования для интенсификации процесса очистки НСВ на базе физических методов. Так в практике очистки НСВ широкое применение нашли тонкослойные отстойники, нефтеловушки, маслоуловители и др. Однако полочные блоки значительно усложняют конструкцию и повышают трудоёмкость изготовления и эксплуатации сооружений очистки НСВ.

Эффективным, широко распространенным и перспективными для интенсификации процесса очистки НСВ является применения метода коалесценции.

Скорость и глубину процесса коалесценции можно увеличить применением электрических, магнитных, ультразвуковых полей, подвижных коалесцирующих

элементов, коалесцирующих фильтров-насадок контактных и гидродинамических и различных гидродинамических каплеобразователей (центробежные, струйные, объемные, трубчатые линейные и секционные).

В установках очистки НСВ широко применяются контактные насадки, загруженные мелкозернистыми, плотными, пористыми и волокнистыми фильтрующими материалами, обладающими коалесцирующими свойствами. Такие насадки при работе заиливаются, снижается эффект коалесценции, требуется частая и дорогостоящая регенерация загрузки насадки.

Многочисленные авторы исследовали главным образом работу контактных насадок. Имеющиеся рекомендации по расчету и проектированию контактных насадок, определению параметров процесса коалесценции относятся к конкретным условиям постановки исследований при относительно мелкозернистых загрузках и небольших скоростях фильтрации НСВ. Эти рекомендации не могут быть перенесены на условия, связанные интенсификацией очистки НСВ с применением гидродинамических насадок из крупнозернистых коалесцирующих загрузок и высоких скоростей фильтрации НСВ.

Повышенная скорость фильтрации и крупнозернистая загрузка обеспечивают непрерывную саморегенерацию фильтра коалесцирующих насадок и высокий эффект межкапельной коалесценции нефтяных глобул.

Стремление заменить коалесцирующие насадки с мелкозернистой загрузкой, требующей регенерации и малой производительностью, насадками с повышенной производительностью определило задачи одного из направления данной работы.

Результаты исследований свойств коаесцирующих материалов, процесса гидродинамики и коалесценции в фильтрационном потоке, могут быть использованы при создании высокоэффективных установок очистки НСВ с применением гидродинамических насадок.

Известно, что турбулентные пульсации потока НСВ в трубопроводе способствуют протеканию в объеме потока следующих процессов: эффективное сближение, увеличение частот столкновений нефтяных глобул, ослабление и разрушение бронирующих оболочек и коалесценцию. Для осуществления указанных процессов с целью интенсификации очистки НСВ применяют трубчатые линейные и секционные гидродинамические каплеобразователи, имеющие весьма большую длину, металлоемкость и энергозатрат.

Для интенсификации очистки НСВ перспективны применения центробежных (гидроциклонов) и струйных каплеобразователей, технологически высокоэффективных, компактных,менее материалоемких и во многих случаях менее энергоемких.

Благоприятная с технологической точки зрения гидродинамическая обстановка ^ эффективность и последовательность действия в количественном и качественном отношении гидродинамичесикх сил на дисперсную фазу НСВ в центробежных и струйных каплеобразователях способствуют наиболее полной реализации механизма разрушения НСВ в объеме высокотурбулентного потока. При этом совершенно меняются традиционные представления о гидроциклонах только как об аппаратах разделения нефтяных эмульсий, т.е гидроциклон рассматривается как эффективный аппарат для разделения нефтяных эмульсий так и для коалесценции нефтяных частиц.

В целом в работе рассматривается технология очистки НСВ, основанная на использование гидродинамических эффектов (для интенсификации очистки НСВ), создаваемых коалесцирующими насадками гидродинамического типа, гидроциклонами и струйными каплеобразователями (коалесцентрами).

Разработке и внедрению гидродинамических коалесцирующих насадок, гидро-циклонов-каплеобразователей-разделителей, струйных каплеобразователей, а так же на основе их компактных высокопроизводительных и эффективных блочных (высокоиндустриального изготовления и монтажа) гидроциклонных, струйно-отстойных и коалесцирующими насадками аппаратов, установок очистки НСВ посвящена настоящая диссертационная работа.

Настоящая работа выполнена в соответствии с комплексной научно-технической программой Минвуза РСФСР "Человек и окружающая Среда. Проблемы охраны природы"; совместным приказом Миннефтерома, Минхиммаша, Минпри-бора №304/128/179 от 9.06.76 г «О координировании научных разработок по болч-ным установкам очистки и подготовки сточных вод и нефти» ; постановлением ГКНТ №318 от 31.07.81г по выполнению задания 05.17 целевой комплексной программы 0.Ц.007 (разработка блочной автоматизированной установки для утилизации пластовых вод), планами по разработке и внедрению новой техники и технологии Мин-нефтепрома и Минхиммаша СССР и по внедрению блочных гидроциклонных установок очистки НСВ на объектах производственного объединения (ПО) "Татнефть", а также планами по внедрению новой техники Донецкого эксковаторного завода (Ростовская обл.), Ворошиловградского тепловозостроительного завода (Украина), локомотивного депо станции Юдино (РТ), Альметьевского трубного завода (РТ), Петразоводского грузового порта Беломорского-Онежского пароходства (Республика Карелия) Казанского производственного объединения грузового автотранспорта а так же другими научными, проектными организациями и промышленными предприятиями.

Автор считает своим долгом выразить благодарность академику РАН С.В.Яковлеву, академику РААСН В.В.Найденко, академику ЖКА Р.И.Аюкаеву,многолетнее общение и работа с которыми определили направление научной деятельности диссертанта, а также д.т.н. профессору М.И.Алексееву за научные консультации и рекомендации по оформлению работы.

1.2. Цель работы. Заключается в научном обосновании, разработке, исследовании и внедрение новых гидродинамических коалесцентров-каплеобразователей для интенсификации очистки НСВ, а также создание и внедрение компактных, высокопроизводительных, высокоэффективных и индустриальных аппаратов, установок (станций), полноблочных технологических схем на основе применения новых гидродинамических коалесцентров-каплеобразователей для очистки и интенсификации очистки НСВ, новой технологии очистки НСВ, состоящей в использовании энергии потока исходной эмульсии для осуществления процесса коалесцен-ции капель нефти в НСВ с последующим их отстаиванием.

Разработка и исследовании проводились в следующих основных направлениях:

— интенсификация процессов очистки НСВ на основе применения гидродинамических коалесцирующих фильтров-насадок с крупнозернистой загрузкой, работающих с повышенными скоростями фильтрации и в режиме саморегенерации загрузки;

— очистка (разрушения, разделения) и интенсификации процессов очистки НСВ на основе применения напорных гидроциклонов-коалесцентров, гидроциклонных аппаратов;

— интенсификация процессов очистки НСВ на основе применения каплеобразователей, струйно-отстойных аппаратов;

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

— выбор и обаснавание направлений интенсификации процессов очистки НСВ с применением гидродинамических коалесцирующих фильтров, гидроциклонов, струйных коалесцентров;

— установление и изучение факторов, обуславливающие технологию очистки и {/ интенсификации очистки НСВ;

— поиск, сбор, систематизация, анализ собранных данных по коалесцирующим материалам, применяемые и рекомендованные к применению; формулировка требований к коалесцирующим материалам; определение перспективных материалов для применения в качестве загрузок коалесцирующих насадок для интенсификации процессов очистки НСВ;

— поиск, сбор, систематизация, анализ и классификация существующих конструктивных решений коалесцирующих насадок и установок очистки НСВ с применением насадок;

— анализ существующих механизмов и особенностей разрушения нефтяных эмульсий в коалесцирующих насадках;

— разработка методики исследований и исследования структуры фильтрационного потока и механизма коалесценции нефтяных частиц в насадках с крупнозернистой загрузкой и повышенными скоростями фильтрации;

— разработка теоретических основ оптимального проектирования гидродинамических насадок с крупнозернистой загрузкой и повышенными скоростями фильтрации; исследования движения жидкости и моделирование процессов коалесценции в порах загрузки насадок; экспериментальное подтверждение теоретических положений;

— экспериментальные исследования процессов коалесценции частиц нефти в гидродинамических насадках, влияния обработки НСВ в гидродинамических насадках на процесс очистки НСВ последующим отстаиванием; разработка рекомендации по выбору технологических параметров крупнозернистых коалесцирующих загрузок для расчета и проектирования насадок;

— разработка новых конструкций коалесцирующих насадок, аппаратов, установок и технологии очистки НСВ с предварительной обработкой их в гидродинамических насадках;

— внедрение в производство и проверка результатов исследований в промышленных условиях;

— оценка экономической и технологической эффективности установок очистки НСВ с гидродинамическими коалесцирующими насадками.

— поиск, сбор, систематизация, анализ собранных данных применения гидроциклонов для очистки и интенсификации очистки НСВ (разрушения, разделения нефтяных эмульсий в т.ч. высококонцентрированных по нефти.

— исследование механизма и особенности процесса разрушения нефтяных эмульсий в гидроциклонах.

— определение конструктивных и технологических параметров гидроциклонов при работах их свободным сливом жидкости и с противодавлением на сливах.

— моделирование процессов коалесценции частиц нефти в турбулентном потоке гидроциклона, гидродинамики гидроциклонов и гидроциклонных установок, прогнозирование эффективности работы гидроциклонных установок;

— исследования процесса коалесценции частиц нефти при обработке НСВ в гидроциклонах работающих свободным сливом жидкости и противодавлением на сливах, а также влияния предварительной обработки НСВ в гидроциклонах на процесс последующей очистки ее по технологической схеме гидроциклон-отстойник;

— разработка и внедрение в производство технологии изготовления гидроциклонов;

— разработка и внедрение в производство установок, работающих по схеме гидроциклон-отстойник, для очистки НСВ, в т.ч. высококонцентрированных по нефти;

— оценка технологической и экономической эффективности гидроциклонных установок;

— разработка рекомендации для расчета конструирования, проектирования гидроциклонов и гидроциклонных установок для очистки НСВ;

— поиск, сбор, систематизация, анализ собранных данных применения струйных коалесцентров-каплеобразователей для интенсификации очистки НСВ;

— исследование механизма и особенности процесса разрушения нефтяных эмульсий в струйном каплеобразователе и струйно-отстойном аппарате;

— моделирование процесса коалесценции капель нефти в турбулентном потоке струйного каплеобразователя, оценка адекватности модели;

— моделирование процессов гидродинамики струйно-отстойного аппарата. Оценка адекватности модели;

— исследования распространения турбулентной струи жидкости в ограниченном пространстве с перфорированными стенками;

— исследование структуры потока в струйном каплеобразователе и струйно-отстойном аппарате;

— исследование влияния технологических и конструктивных параметров струйных каплеобразователей на эффективность процесса коалесценции капель нефти и очистки НСВ;

— разработка и внедрение новых струйных каплеобразователей и струйно-отстойных аппаратов (установок) для очистки НСВ, новой технологии очистки НСВ с использованием гидродинамических эффектов струйных каплеобразователей;

— разработка рекомендации для конструирования, проектирования и методики расчета струйных каплеобразователей и струйно-отстойных аппаратов для очистки НСВ;

— внедрение в производство новой технологии очистки НСВ с применением струйно-отстойных аппаратов с техно-экономической оценкой эффективности применения их;

— разработка теоретических основ анализа и оптимизации процессов и технологических схем очистки НСВ с применением гидродинамических коалесцирующих насадок, гидроциклонов, струйных каплеобразователей.

1.3. Научная новизна.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями определены гидравлические, гидродинамические характеристики и области действия линейного и нелинейного законов фильтрации для крупнозернистых загрузок коалесцирующих фильтров.

— разработаны модель крупнозернистой загрузки, оптическая модель коалесци-рующей насадки, экспериментальная установка и методика для визуального исследования процессов фильтрации и коалесценции в насадках с применением бесконтактного оптического шлирен-метода;

— впервые установлена возможность успешного применения бесконтактного оптического шлирен-метода для исследования процессов движения жидкости в порах гранулированной загрузки, а также процессов коалесценции при фильтрации нефтя-

ных эмульсий типа "нефть в воде" через гранулированные коалесцирующие загруз— с применением оптической модели насадки и бесконтактного оптического шлирен-метода системы Теплера получены тенеграммы процессов фильтрации и коа-лесценции, установлены стр�