автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Конструирование и расчет основных эксплуатационных параметров устройства для очистки прудов-отстойников НПЗ

На правах рукописи

ГОГЛАЧЕВ СЕРГЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ УСТРОЙСТВА ДЛЯ ОЧИСТКИ ПРУДОВ-ОТСТОЙНИКОВ НПЗ

Специальность 05.02.13. - «Машины, агрегаты и процессы» (машиностроение в нефтеперерабатывающей промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

□□3457411

Уфа-2008

003457411

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Уфимского государственного нефтяного технического универси тета.

Защита состоится «23» декабря 2008 года в 15-30 на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.05 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан «22» ноября 2008 года.

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Наумкин Евгений Анатольевич.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Владимир Александрович;

кандидат технических наук Туманова Елена Юрьевна.

Ведущая организация: ГУЛ «Институт нефтехимпереработки РБ».

Ученый секретарь совета

Лягов А.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ

Нефтеперерабатывающие заводы относятся к отрасли промышленности, потребляющей большое количество воды, которая расходуется в основном для промывки нефти при ее обессоливании на установках ЭЛОУ, для конденсации и охлаждения нефтепродуктов, охлаждения машин, а также для иных технологических целей (приготовления растворов реагентов, промывки топлива после защелачивания и других). Одним из важнейших элементов технологического комплекса многих предприятий является система водяного охлаждения, в состав которой входит оборотное водоснабжение.

От качества и эффективности работы систем оборотного водоснабжения зависят производительность технологического оборудования, качество и себестоимость продукта, удельный расход сырья и электроэнергии.

При эксплуатации систем оборотного водоснабжения нередко возникают большие затруднения, обусловленные возникновением коррозии, образованием различных отложений и обрастаний в теплообменных аппаратах, трубопроводах и градирнях, что наносит большой ущерб промышленным предприятиям.

Одним из источников попадания загрязнителей в систему оборотного водоснабжения являются пруды-отстойники. В процессе отстаивания в прудах-отстойниках образуются большие массы ила, которые, накопившись выше некоторого критического значения, резко повышают вероятность его взмучивания и тем самым способствуют загрязнению технологического оборудования.

В связи с этим становится актуальной разработка мероприятий, предотвращающих попадание загрязнителей в систему оборотного водоснабжения.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - разработать устройство, позволяющее без остановки процесса отстаивания ила осуществлять очистку прудов-отстойников очистных сооружений нефтеперерабатывающих предприятий с учетом исключения его взмучивания при максимальной концентрации, и тем самым свести к минимуму попадание загрязнений в теплообменное оборудование, исполь-

зующее воду системы оборотного водоснабжения, и рассчитать для разработанного устройства основные эксплуатационные параметры.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1 Разработка, проектирование и изготовление устройства забора и транспортировки донного ила из прудов-отстойников очистных сооружений нефтеперерабатывающих предприятий.

2 Изготовление экспериментальной установки исследования процесса извлечения донного ила и разработка методики проведения экспериментов.

3 Осуществление подбора модельной среды подобной смеси донного ила с водой, используя метод анализа размерностей («я-теорема»).

4 Получение зависимости концентрации осадка от эксплуатационных параметров установки исследования процесса извлечения донного ила для оптимизации процесса его извлечения со дна емкости, используя метод планирования полного факторного эксперимента по минимизации числа опытов.

5 Проведение верификации экспериментальных данных и численных результатов, полученных на основе моделирования процесса извлечения осадка со дна емкости, используя программный комплекс Flow Fisión, и разработка алгоритма получения оптимальных эксплуатационных параметров процесса извлечения донного ила из прудов-отстойников очистных сооружений.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА

1 Впервые получено уравнение, определяющее зависимость концентрации удаляемого осадка со дна емкости от эксплуатационных параметров извлекающего устройства путем проведения полномасштабного моделирования процесса извлечения по критериям Рейнольдса, Фруда и гомохронности, которое удовлетворяет условиям Пи-теоремы.

2 Разработана модель процесса извлечения осадка со дна емкости в ПК Flow Fisión и получены зависимости его концентрации при условии исключения взмучивания от эксплуатационных параметров извлекающего устройства, результаты которых отличаются ог экспериментальных не более чем на 7%.

3 Установлена зависимость ширины полосы извлечения донного ила от

уровня всасывания при условии его максимальной концентрации и исключения взмучивания, на основе моделирования процесса извлечения ила со дна пруда-отстойника очистного сооружения в ПК Flow Fisión, которая изменяется по параболическому закону.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ РАБОТЫ

Результаты, полученные в процессе работы, используются в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета при выполнении лабораторных занятий по гидромеханическим процессам дисциплины «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки», направления 150400 «Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП УГНТУ.

АПРОБАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены: на 55, 56, 57-й научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых УГНГУ (Уфа, УГНТУ, 2005, 2006, 2007 гг.), Ш Всероссийской научной ИНТЕРНЕТ-конференции «Интеграция науки и высшего образования в области био- и органической химии и механики многофазных систем» (Уфа, УГНТУ, 2004 г.), IX Международной научно-технической конференции «Проблемы строительного комплекса России» (Уфа, УГНТУ, 2005 г.), Всероссийской студенческой научно-технической конференции «Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология» (Уфа, УГНТУ, 2005 г.).

ПУБЛИКАЦИИ

По материалам диссертации опубликовано одиннадцать работ, в том числе 1 статья помещена в издании, включенном в перечень ВАК РФ.

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА РАБОТЫ

Диссертационная работа состоит из четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 98 наименований, содержит 104 страницы машинописного текста, включая 20 рисунков, 6 таблиц и приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введение раскрывает актуальность выбранной темы диссертационной работы, в нем сформулированы основные положения, выносимые на защиту, а также отражена научная новизна выполненных исследований и их практическая ценность.

В первой главе рассмотрены и проанализированы системы оборотного водоснабжения нефтеперерабатывающих заводов, факторы, влияющие на эффективность работы теплообменного оборудования.

Анализ системы оборотного водоснабжения показал, что некачественная очистка сточных вод негативно влияет на эффективность работы теплообменного оборудования. Одним из источников попадания загрязнителей в систему являются пруды-отстойники. Исследованиями работы отстойников в XX в. занимались многие ученые: А.И.Жуков, И.В.Скирдов, С.М.Шифрин, Ю.В.Вейцер, З.А.Колобова, В.А.Барабаш, Н.М.Попова, А.А.Карпинский, Т.А.Кирюха, М.Лева, И.Н.Качан, Д.М.Минц, С.А.Шуберт, Б.В.Кизевальтер, С.Ф.Ричардсон, В.Н.Заки, А.М.Гаспарян, Н.С.Искарян, А.А.Денисов, П.С.Белов. Отмечено, что в процессе отстаивания в прудах-отстойниках образуются большие массы осадков, которые, накопившись выше некоторого критического значения, резко повышают вероятность его взмучивания и тем самым способствуют загрязнению технологического оборудования, вследствие чего исследование процесса извлечения осадков со дна прудов-отстойников является актуальным.

В настоящее время процесс извлечения ила осуществляется после остановки прудов-отстойников и их высыхания, затем путем привлечения механизированных транспортных средств и рабочих осуществляется очистка, что является трудоемкой и длительной операцией, а существующие методы извлечения выкачиванием насосами являются трудоемкими и неэффективными. Кроме этого, пруд-отстойник на определенный промежуток времени должен быть исключен из технологической цепочки, что вызывает дополнительные нагрузки на другие пруды.

Приведены уже существующие способы извлечения осадков из прудов-отстойников. Известна озерная установка для разработки илистых грунтов, включающая: смонтированный на плавучем основании корпус в виде открытой шахты со свободным уровнем ила с илоприемником на нижнем конце; приспособление для перемещения установки по водоему; механизм для погрузки ила в транспортные емкости (в частности, представляющий собой погружной моноблочный электронасос) и сигнализатор с поплавком (патент 1797640 РФ). Недостатком известного устройства является необходимость контроля уровня ила в шахте для обеспечения работоспособности погружного моноблочного злеюронасоса, а также большая металлоемкость конструкции.

Известен также землесосный снаряд, включающий: плавучий корпус, сочлененный из двух понтонов; установленные на одном из них грунтовый насос с всасывающим и напорным патрубками и насос гидроразмыва; всасывающую трубу с наконечником; аппарат напорного хода и механизм рабочих перемещений с приводом (патент 2013497 РФ). Недостатком этого устройства является сильное взмучивание ила при использовании аппарата напорного хода, необходимость использования двух насосов, необходимость применения двух систем передвижения, большая металлоемкость конструкции.

Наиболее близким к предлагаемой в данной работе конструкции является устройство забора и транспортировки донного ила, разработанное авторами патента РФ № 2183705. Данное устройство состоит из плавучего корпуса, сочлененного из двух понтонов с установленным на нем грунтового насоса с всасывающим и напорным патрубками, и механизма рабочих перемещений с приводом, закрепленным на фундаментных плитах, расположенных вдоль илового пруда-накопителя через равные интервалы, на которые его последовательно устанавливают по мере очистки дна отстойника. Недостатком устройства является нарушение плавности перемещения понтона, что приводит к взмучиванию ила; периодичность перемещения; необходимость остановки; отсутствие автоматизации труда, вследствие чего требуется 2-4 чело-

века для перемещения устройства на следующую фундаментную плиту и 1-2 часа времени для проведения процесса пуско-наладочных работ.

Поэтому в данной работе предлагается устройство, позволяющее без остановки процесса отстаивания ила осуществлять очистку прудов-отстойников очистных сооружений с учетом исключения взмучивания.

Во второй главе предложено извлечение отработанного активного ила из прудов-отстойников осуществлять способом, принципиальная схема которого приведена на рисунке 1.

1 - распределительная гребенка; 2 - фильтры; 3 - пруд-отстойник;

4 - установка по извлечению отработанного активного ила

Рисунок 1 - Способ извлечения отработанного активного ила из прудов-отстойников

Установка по извлечению отработанного активного ила (4) перемещаясь по пруду-отстойнику (3) извлекает отработанный активный ил и по трубопроводу направляет его на фильтры (2). Отфильтрованный активный ил подается на утилизацию, а вода через распределительные гребенки (3) возвращается в пруд-отстойник.

Реализация данного способа предлагается путем извлечения осадка высасыванием погружным насосом, закрепленным на плавающем понтоне.

га утгапащво

На рисунке 2 представлен общий вид устройства забора и транспортировки донного ила. Устройство содержит плавучий корпус, сочлененный из двух понтонов 1, к раме 2 которого прикреплена система регулировки глубины погружения 3 с гибкой муфтой 4 и погружным моноблочным грунтовым насосом 5 в нижней её части; гибкого напорного шланга 6, присоединенного через патрубок 7 к приемному резервуару (на рисунке не показан); механизм рабочих перемещений, состоящий из кольцевого троса 8, прикрепленного к плавучему корпусу и снабженного кольцевыми автоматическими переключателями 9. Механизм рабочих перемещений установлен на двух передвижных платформах 10 и 11, расположенных на противоположных берегах пруда-отстойника; на одной из них (правой) установлены реверсивный двигатель 12 с редуктором 13 (привод для перемещения кольцевого троса); направляющий ролик 14 для перемещения кольцевого троса 8, установленный на валу редуктора 13; ролик 15 натяжения кольцевого троса 8, установленный на стойке 16. На левой платформе размещен направляющий ролик 17 для передай-

жения кольцевого троса 8, установленный на стойке 18. На обеих платформах, перемещаемых на колесах 19, размещены ролики 20, 21 и 22, 23, направляющие движение платформ 10 и 11 и перемещаемые по параллельно-противоположно расположенным уголкам 24, жестко закрепленным на опорах 25, и установлены приводы с цепной передачей, состоящие из двигателя 26, 27 и 28, 29, редуктора 30 и 31 и цепной передачи 32 и 33, синхронно приводящих в движение эти платформы 10 и 11.

Устройство работает следующим образом.

Собранный плавучий корпус, присоединенный к кольцевому тросу 8, устанавливают на месте забора ила и системой 3 производят регулировку требуемой глубины погружения насоса 5. При помощи ролика 15 натягивают кольцевой трос 8, присоединяют гибкий напорный шланг 6 через патрубок 7 к приемному резервуару (на рисунке не показан), одновременно включают питание реверсивного двигателя 12 и питание погружного электронасоса 5. При поступательном движении плавучего корпуса через всасывающее отверстие насоса иловая взвесь подается через гибкий шланг 6 и оттуда - в приемный резервуар. При достижении плавучим корпусом берега концевые переключатели 9 автоматически изменяют направление поступательного движения плавучего корпуса на противоположное. Для компенсации неровностей дна пруда гибкая муфта 4 системы регулировки глубины погружения обеспечивает отклонение погружного насоса от вертикального положения на угол 90°.

При подходе понтона к берегу срабатывают концевые автоматические переключатели 10, перемещение кольцевого троса 9 прекращается и одновременно с этим включаются приводы цепных передач. При перемещении платформ 10 и 11 с помощью роликов 20, 21 и 22, 23, направляющих движение платформ 10 и 11 по направляющим уголкам 21 и 22 на необходимое расстояние, срабатывают автоматические переключатели 9, цепные передачи отключаются, и вращение направляющего ролика 15 осуществляет передвижение кольцевого троса 8 в противоположном направлении. Далее цикл повторяется.

Однако для внедрения данного способа на производстве требуются исследования по определению оптимальных эксплуатационных параметров установки.

Результаты исследований должны быть направлены на выявление параметров, позволяющих достичь максимальной концентрации извлечения осадка со дна пруда-отстойника и при этом исключить его взмучивание.

Решение данной задачи осуществлялось путем разработки модели и проведения расчетов в ПК Flow Fisión и сравнительного анализа результатов расчета с экспериментальными данными, определяющими зависимость концентрации удаляемого осадка со дна емкости от технологических параметров извлечения и геометрических размеров извлекающего устройства.

1 - сосуд; 2 - понтон; 3 - погружная трубка; 4 - осадок; 5 - гибкий шланг;

6 - трос; 7 - электродвигатель; 8 - рама; 9 - направляющие Рисунок 3 - Схема экспериментальной установки исследования

процесса извлечения донного осадка

Экспериментальное определение оптимальных параметров осуществлялось на специально разработанной и изготовленной установке исследования процесса извлечения донного осадка, схема которой представлена на рисунке 3. Установка состоит из сосуда прямоугольного сечения (1) и передвижного понтона (2), закрепленного на раме (8) с погружной трубкой (3). Принцип действия установки заключается в постепенном перемещении пон-

тона (2) вдоль сосуда (1) с помощью электродвигателя (7) и троса (6) и постепенном извлечении через погружную трубку (3) донного осадка (4), откачиваемого далее по гибкому шлангу 5.

Для проведения исследований на данной установке расчетным путем с помощью метода анализа размерностей (Пи-теорема) была подобрана модельная среда, подобная среде «вода - ил», при содержании в сточной воде только взвешенных веществ.

Из уравнения (1) видно, что в трубе, размеры которой меньше по сравнению с реальным объектом, должна применяться менее вязкая жидкость

чЗ/2

V,

ь

(1)

где V! - кинематическая вязкость среды в реальном трубопроводе, м2/с; у2 - кинематическая вязкость среды в моделируемой трубе, м2/с; Ь, - диаметр всасывающего патрубка в реальном трубопроводе, м; Ь2 - диаметр трубки в моделируемой трубе, м.

Динамическая вязкость и плотность сточных вод, содержащих только взвешенные твердые частицы, равна

цс=ц0-(1 + 2,5-С0), (2)

Рс=Р + Р„-(1-Е)> (3)

где Цо - динамическая вязкость чистой воды, Пас;

Со - объемная концентрация взвешенных частиц, кг/м3; р и р та - плотность соответственно чистой воды и твердых частиц, кг/м3; е - объемная доля жидкой фазы.

Объемная доля жидкой фазы определяется по формуле

V

£ =-1—, (4)

где Уж и У,, - объем жидкой и твердой фаз в сточной воде, м3.

В результате подбора модельной среды при плотности сточной воды, содержащей только взвешенные вещества рст = 1448 кг/м3, концентрации

взвешенных веществ С = 450 кг/м3 и кинематической вязкости сточной воды Уст = 13 МО"7 м2/с установлено, что можно применить среду «вода - мел», при концентрации мела С= 6 кг/м3, температуре воды 30 °С и кинематической вязкости модельной среды умод = 130' 10"7 м2/с.

В целях минимизации количества экспериментов по оптимизации технологического режима процесса извлечения суспензии со дна емкости и конструктивных параметров установки был спланирован полный факторный эксперимент.

Была сформулирована задача оптимизации: достижение максимальной концентрации извлеченного осадка (у), а также определены факторы, характеризующие процесс: расстояние от дна емкости до всасывающего патрубка Х1; высота слоя осадка х2; скорость извлечения осадка х3; скорость передвижения понтона Х4.

В третьей главе представлены результаты проведенных исследований.

Факторы, определяющие процесс, уровни и интервалы варьирования, сведены в таблицу 1.

Число опытов для полного факторного эксперимента определяется по формуле

Н = Рк, (5)

где р - число уровней, р = 2; к - число факторов.

Таблица 1 - Уровни факторов и интервалов варьирования

Факторы Уровни Размерность

-1 0 +1

X] 0,001 0,0305 0,06 м

Х2 0,005 0,0325 0,06 м

х3 0,012 0,013 0,014 м/с

Х4 0,077 0,1035 0,13 м/с

Матрица планирования и результаты экспериментов сведены в таблицу 2. Число экспериментов, рассчитанное по формуле (5), составило N = 2"= 16.

Таблица 2 - Матрица планирования и результаты опытов

Номер опыта XI х2 Хз Х4 У1, кг/м3 У2, кг/м3 Уз. кг/м3 у, кг/м3

1 2 3 4 5 6 7 8 9

1 - - - + 200 500 250 316

2 + - - - 0 0 0 0

3 - + - - 384 400 500 428

4 - - + - 37 38,5 115 63,5

5 + + + + 294 200 250 248

6 - - - - 166,67 222,22 125 171,63

7 + - + + 6,7 77 111 64,9

8 + + - + 130,43 142,86 111,1 128,13

9 + + + - 263 308 200 257

10 - + + + 0 0 0 0

11 + + - - 90,91 454,55 333,33 292,93

12 + - - + 0 0 0 0

13 - + + - 0 0 0 0

14 - - + + 6,7 34,5 97 25,9

15 + - + - 66,7 34,5 97 66,1

16 - + - + 333,33 500 333,33 388,89

Отклонение результата любого опыта от среднего арифметического

можно представить как разность уч - у, уч - результат повторного опыта. Наличие отклонения свидетельствует об изменчивости, чаще всего используют дисперсию. Корень квадратный из дисперсии, взятый с положительным знаком, называется средним квадратическим отклонением, стандартом или квадратичной ошибкой. Данный параметр определяется по формуле (6), результаты которого сведены в таблицу 3:

|Х>ТУ)2

Таблица 3 - Результаты расчетов среднего квадратического отклоне-

ния, критерия Стьюдента и относительного отклонения

Номер опыта Б У1 У2 Уз Г] Г2 Гз

1 160,73 0,73 1,14 0,41 0,89 1,39 0,5

2 - - - - - - -

3 62,65 0,696 0,45 1,46 0,85 0,55 1,397

4 44,6 0,59 0,56 1,15 0,72 0,68 1,41

5 47 0,979 1,02 0,04 1,19 1,25 0,05

6 48,78 0,1 1,04 0,96 0,124 1,26 1,17

7 53,2 1,09 0,23 0,87 1,33 0,277 1,06

8 16 0,14 0,92 1,06 0,18 1,12 1,3

9 54,25 0,11 0,94 1,05 0,13 1,15 1,28

10 - - - - - - -

11 185,16 1,09 0,87 0,22 1,33 1,06 0,27

12 - - - - - - -

13 - - - - - - - .

14 17,85 1,08 0,17 0,9 1,3 0,21 1,1

15 31,25 0,019 1 0,99 0,02 1,23 1,21с

16 96,2 0,58 1,15 0,58 0,7 1,409 0,7

Для движения к точке оптимума на основе планирования эксперимента была составлена линейная (математическая) модель, которая описывается уравнением (7), связывающая максимальную концентрацию с факторами, влияющими на эксперимент:

у=153,24-Хо - 21,12-х1+64,65-х2 - 62,57-х3 - 6,68-х4+34,74-х1-х2+89,43-х1-х3+ +3,36-х1-х4 -29,08-х2-х3 - 19,96-х2-Х4+0,7-Хз-Х4+23,2-хгх2 х3+18,62-х1-х3 Х4 -

- 1,62-х1-х2х4+23,69 х2-хз Х4 -4,06-хгх2 х3 Х4. (7)

Из уравнения (7) видно, что большое влияние на концентрацию оказывает высота слоя осадка х2 (+64,65-х2). Скорость извлечения осадка х3 (- 62,57-Хз) отрицательно влияет на концентрацию: чем больше его значе-

ние, тем концентрация ниже. Также на уменьшение значения концентрации влияет расстояние от дна емкости до всасывающего патрубка X] (-21,12-Xi) и скорость передвижения понтона (-6,68-Х4). Однако, если рассмотреть влияние вышеперечисленных факторов с эффектом взаимодействия, то факторы, отрицательно влияющие на концентрацию, при взаимодействии друг с другом оказывают на процесс положительное влияние: (+89,43-Х]-Х3 + 3,36-XfX4 + +0,7-х3-Х4 + 18,62'ХгХз Х4). Но при взаимодействии данных факторов с положительно влияющим фактором х2 они оказывают на концентрацию отрицательное влияние (-29,08-х2-х3 - 19,96-X2-X4 -1,62-хгх2 Х4 - 4,06-Xi-x2 х3 хД

В результате экспериментов было установлено, что оптимальным сочетанием четырех факторов является максимальное значение концентрации извлеченного осадка (у3) 428 кг/м3, а факторы, влияющие на концентрацию, имеют следующие значения: расстояние от дна емкости до всасывающего патрубка Xi = 0,001м; высота слоя осадка х2 = 0,06 м; скорость извлечения осадка х3 = 0,012 м/с; скорость передвижения понтона х4 = 0,077 м/с.

С целью верификации расчетов, полученных расчетным и экспериментальным путем, были проведены расчеты концентрации суспензии в воде в процессе работы установки в программном комплексе Flow Vision. Для этого выполнялось моделирование движения среды ил - вода в трубе, которая погружена в бассейн с илом. Движение суспензии как в трубе, так и в окрестности трубы можно отнести к турбулентному несжимаемому течению, при этом имеют место изменения плотности (концентрации) среды в окрестности трубы, обусловленные постепенным удалением ила вокруг трубы. Турбулентное течение несжимаемой жидкости в таких моделях описывается уравнениями Навье - Стокса.

Поскольку одной из задач расчета было установление режимов движения жидкости и трубки, не приводящих к взмучиванию суспензии, режим течения должен быть ламинарным. При этом возникает задача смоделировать данный процесс для адекватности решения таким образом, чтобы одновременно использовался ряд моделей. Модель свободной поверхности жидкости использовалась в связи с тем, что присутствует граница раздела «вода-

использовалась в связи с тем, что присутствует граница раздела «вода-воздух»; модель несжимаемой жидкости - так как часть трубы находится внутри жидкой среды; модель частиц - поскольку выкачиваем ил с водой Причем поток, выходящий из трубы, отводится вне объема занимаемой жидкостью в бассейне, т.е. он не должен смешиваться с первоначальным объемом несжимаемой жидкости и фильтром подвижного тела.

На рисунке 4 представлен фрагмент расчета процесса извлечения модельной суспензии со дна емкости при стационарно установленной трубке

I iufV4i - tJnjgffM

□ а- У Т V g | « л «

Л Щ Тг -у tT la Те о, в

. -А \ i Ш "i .1 si i

Рисунок 4 - Фрагмент расчета режима всасывания суспензии в трубку со дна емкости, используя ПК Flow Vision

Результаты расчетов в сравнении с экспериментальными данными представлены на рисунках 5, 6, 7, 8

Расстояние от трубки до дна, Нтр, и Рисунок 5 - Зависимость концентрации извлеченного осадка от расстояния между дном емкости и трубкой

Высота слоя осадка, Нел, м Рисунок 6 - Зависимость концентрации извлеченного осадка

от высоты его слоя

Скорость извлечения осадка. Woe, м/с

Рисунок 7 - Зависимость концентрации извлеченного осадка от скорости его извлечения

Скорость передвижения понтона, \Л/п. м/с Рисунок 8 - Зависимость концентрации извлеченного осадка от скорости передвижения понтона

По результатам расчетов определены оптимальные параметры извлечения ила и даны рекомендации по проектированию промышленной установки при диапазоне изменений концентрации осадка (С) в сточной воде от 450 до 700 кг/м3: при диаметре погружной трубы 0,1 м расход извлекаемого осадка (G) должен составлять от 1,61 до 2,15 м3/ч.

Для получения оптимальных эксплуатационных параметров извлечения отработанного активного ила со дна пруда-отстойника путем моделирования в программном комплексе Flow Fisión получена параболическая зависимость (у = -0,0305х2 + 13,397х + 68,485; R2 = 0,9903) ширины полосы извлечения осапкасгг расстояния всасывающих) патрубка (при диаметре ОД м) до дна, откуда ввдно, что экстремальному значению соответствует 220 мм.

1800

s

2. 1600 ей

| 1400

<и

1 1200 s

I 1000 0) с

1 800

g 600 О

« 400 | 200 0

Рисунок 9

В четвертой главе для получения оптимальных эксплуатационных параметров устройства забора и транспортировки донного ила со дна пруда-отстойника путем моделирования в программном комплексе Flow Fisión описан алгоритм расчета, который сводится к определению пяти параметров:

Расстояние от уровня всасывания до дна емкости Ьтр. им - Зависимость ширины полосы извлечения осадка от расстояния всасывающего патрубка до дна пруда-отстойника

расстояния от дна емкости до всасывающего патрубка хь высоты слоя осадка х2, скорости извлечения осадка х3, скорости передвижения понтона Х4, ширины полосы извлеченного осадка.

В таблице 4 на примере изготовленного устройства забора и транспортировки донного ила представлены результаты вычислений основных эксплуатационных параметров.

Таблица 4 - Сводные данные параметров процесса извлечения ила со дна пруда-отстойника очистного сооружения

Расход извлекаемого осадка, М3/час Внутренний диаметр всасываю-щеш патрубка, м Скорость извлечения осадка, м/с Высота слоя осадим Расстояние от д на до всасывающего патрубка, м Скорость передвижения понтона, м/час Ширина полосы извлечения осадим Концентрация извлекаемого осадка, кг/м3

6 0,17 0,076 0,4 0,22 10 1,5 700

ОБЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1 Разработанное устройство забора и транспортировки донного ила позволяет осуществлять очистку прудов-отстойников очистных сооружений нефтеперерабатывающих предприятий и тем самым свести к минимуму попадание загрязнений из системы оборотного водоснабжения в теплообменное оборудование.

2 Разработана и изготовлена экспериментальная установка исследования процесса извлечения донного ила, позволяющая регулировать расстояние всасывающего патрубка до дна емкости, высоту слоя осадка, скорость извлечения осадка, скорость передвижения трубки с понтоном и определять концентрацию извлеченного осадка.

3 Для проведения исследований по оптимизации эксплуатационных параметров процесса извлечения осадка со дна емкости подобрана с использованием метода анализа размерностей («л - теорема») модельная среда

«вода - мел», при концентрации мела С = 6 кг/м3, температуре воды 30 °С и кинематической вязкости модельной среды vMOn = 130"10'7 м2/с.

4 Спланирован полный факторный эксперимент по минимизации числа опытов и получено уравнение, решение которого показало, что при оптимальном сочетании исследуемых факторов максимальное значение концентрации извлеченного осадка (у3) составило 428 кг/м3, а факторы, влияющие на концентрацию, имеют следующие значения: расстояние от дна емкости до всасывающего патрубка X] =0,001м; высота слоя осадка х2=0,0б м; скорость извлечения осадка х3 = 0,012 м/с; скорость передвижения понтона Х4 = 0,077 м/с.

5 Проведенные расчеты с использованием программного комплекса Flow Vision показали достаточную сходимость с экспериментальными данными, расхождение которых составило не более 7 %, что позволяет данный способ использовать при оптимизации эксплуатационных параметров процесса извлечения донного ила из пруда-отстойника очистного сооружения.

6 Используя ПК Flow Fisión установлено, что при извлечении ила со дна пруда-отстойника очистного сооружения ширина полосы извлечения осадка изменяется от расстояния всасывающего патрубка до дна по параболическому закону, при этом для высоты слоя осадка 400 мм, диаметра всасывающего патрубка 100 мм и расходе извлекаемой смеси 2,15 м3/час максимальное значение концентрации достигается при расстоянии всасывающего патрубка до дна, равном 220 мм.

7 Результаты, полученные в работе, используются в учебном процессе Уфимского государственного нефтяного технического университета при выполнении лабораторных занятий по гидромеханическим процессам дисциплины «Процессы и аппараты нефтегазопереработки и нефтехимии» специальности 130603 «Оборудование нефтегазопереработки», направления 150400 Технологические машины и оборудование» на кафедре МАХП УГНТУ.

8 На предложенное устройство забора и транспортировки донного ила получен патент на изобретение 2279509 РФ, бюл. №19 от 10.07.2006.

Основное содержание даосергации опубликовано в следующих научных трудах:

1 Гоглачев С.Н. Извлечение и обезвоживание отработанного активного ила очистных прудов-отстойников / С.Н. Гоглачев, Р.Н. Гатин, Ю.Н. Шестаева, ЕА. Наумкин // Севергеоэксггех-2004: материалы 5-й международной молодежной научной конференции. - Ухта, УГТУ, 2005.- 4.1. - 396 с.

2 Наумкин Е.А. Оптимизация процесса извлечения и обезвоживания отработанного активного ила / Е.А. Наумкин, Р.Н. Гатин, С.Н. Гоглачев, И.Л. Исмагилов // материалы IX Международной научно-технической конференции Проблемы строительного комплекса Роосии. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.- 385 с.

3 Гатин Р.Н. Обезвоживание отработанного активного ила очистных прудов-отстойников / Р.Н. Гатин, С.Н. Гоглачев, Е.А. Наумкин // материалы 55-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С.329.

4 Наумкин Е.А. Очистка прудов-отстойников от отработанного активного ила и подготовка его к утилизации / Е.А. Наумкин, Р.Н. Гатин, С.Н. Гоглачев, И.Л. Исмагилов // материалы Всероссийской студенческой научно-технической конференции Интенсификация тепло-массообменных процессов, промышленная безопасность и экология. - Казань, 2005. - 280 с.

5 Гатин Р.Н. Повышение качества очистки воды в прудах-отстойниках очистных сооружений НПЗ / Р.Н. Гатин, И.Л. Исмагилов, С.Н. Гоглачев, Е.А. Наумкин // материалы 56-й научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых УГНТУ. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005. - С.329.

6 Ямаева А.Р. Улучшение качества подготовки воды оборотного водоснабжения для снижения загрязнений оборудования / А.Р. Ямаева, С.Н. Гоглачев, ЕА. Наумкин // материалы всероссийской научно-практичажой конференции Уралэкология. Природные ресурсы -2005.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 2005.-С. 29. :

7 Ямаева А.Р. Снижения степени загрязнения оборудования путем улучшения качества подготовки воды оборотного водоснабжения / А.Р. Ямаева, Е.А. Наумкин, С.Н Гоглачев // Проблемы строительного комплекса России: материалы X международной научно-технической конференции. -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2006. - Т. 1. - 263 с.

8 Патент 2279509 Российская Федерация, МКИ Е02 F 3/88. Устройство забора и транспортировки донного ила / И.Р. Кузеев, Е.А. Наумкин, Р.Н. Гатин, С.Н. Гоглачев. -Заявка №2005100173; опубликовано 10.07.06, Бюл. №19.

9 Гоглачев С.Н. Совершенствование оборудования очистки воды системы оборотного водоснабжения / С.Н. Гоглачев, Е.А. Наумкин, И.Р. Кузеев // сборник научных статей. Мировое сообщество: проблемы и пути решения - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2007. - № 21. - С. 25-32.

10 Гоглачев СН. Снижение загрязнений оборудования путем улучшения качества подготовки воды оборотного водоснабжения / СН. Гоглачев, ЕА. Наумкин, ИР. Кузеев; Уфимск. гос. нефг. техн. ун-т - Уфа, 2007. - 12 с. - Библиогр.: 3 назв.- Деа в ВИНИТИ, 09.08.07, № 809-В2007.

11 Гоглачев С.Н. Повышение качества очистки воды системы оборотного водоснабжения НПЗ / С.Н. Гоглачев, Е.А. Наумкин // Нефтегазовое дело. - 2007. -Т.5, №2. - С.141-146.

Свидетельство № 005711137 от 20.06.2008г. Подписано к печати 21.11.2008г. Бумага многофункциональная. Гарнитура Times.. Отпечатано на лазерных МФУ КМ-1635 Формат 60x84" Усл.-печ. л. 1,0Уч.-изд. 1,7. Тираж 90 экз. Заказ № 174. 450062, г.Уфа, ул.Матвея Пинского, 6 СКУ «Бункер»