автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Вихревой сепаратор для очистки сточных вод предприятий от углеводородов

Введение

1 Методы разделения сложной системы

1.1 Состав сложной системы

1.2 Методы очистки сточных вод

1.3 Анализ существующих методов и конструкций для механического разделения сложной системы

1.3.1 Осаждение

1.3.2 Фильтрование

1.3.3 Флотация и электрофлотация

1.3.4 Разделение сложной системы в поле центробежных сил

1.3.5 Центрифугирование

1.3.6 Разделение в гидроциклонах

2 Выбор объекта и метода очистки сточных вод

2.1 Общие сведения о воде

2.2 Воздействие сточных вод на окружающую среду

2.3 Состав и характеристики сточных вод ОАО "Каучук"

2.4 Выбор метода очистки сточных вод и конструкции сепаратора

2.5 Модернизация базового гидроциклона

2.6 Принцип действия и конструкция вихревого сепаратора

2.7 Гидродинамика потоков в вихревом сепараторе

2.8 Силы, действующие в вихревом сепараторе

2.9 Существующие методики расчета производительности циклонных аппаратов

2.10 Моделирование вихревого сепаратора

2.11 Расчет гидравлических и геометрических характеристик вихревого сепаратора

2.11.1 Выбор производительности сепаратора и его диаметра

2.11.2 Методика определения диаметра питающего патрубка сепаратора

2.11.3 Определение геометрических размеров диафрагмы и пароотбо-рочной головки сепаратора

2.11.4 Определение геометрических размеров корпуса сепаратора

2.11.5 Зависимость геометрических параметров от диаметра сепаратора

3 Лабораторные исследования сепаратора

3.1 Задача исследований

3.2 Лабораторная установка по изучению работы сепаратора при различных режимах

3.3 Методика проведения экспериментов

3.4 Влияние давления питания и диаметра диафрагмы на производительность сепаратора

3.5 Изменение давления по радиусу входной камеры сепаратора

3.6 Влияние температуры жидкости на производительность сепаратора

4 Опытно-промышленные испытания сепаратора

4.1 Схема обвязки вихревого сепаратора

4.2 Испытания вихревого сепаратора на линии промывной воды, поступающей из цеха ИП-10~ ОАО "Каучук"

4.3 Испытания сепаратора в цехе ИП-10 ОАО "Каучук"

4.4 Испытания сепаратора в цехе Д4-8/10 ОАО "Каучук"

4.5 Испытания сепаратора на КНС-12 НГДУ "Арланнефть" 112 ВЫВОДЫ 115 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 117 ПРИЛОЖЕНИЯ

Нефтеперерабатывающая и нефтехимическая отрасли промышленности обеспечивают народное хозяйство огромным количеством всевозможных продуктов, без которых была бы невозможна жизнь современного общества. Для всестороннего развития этих отраслей промышленности необходимо всемерно расширять и углублять постановку научно-исследовательских и опытных работ в области нефтепереработки, нефтехимии и их технологий, аппарато- и приборостроения, совершенствовать существующую технику.

Совершенствование нефтеперерабатывающей и нефтехимической техники и технологии направлено на повышение производительности труда, улучшения качества готовой продукции при снижении ее себестоимости, интенсификацию технологических процессов и создание безотходных производств.

Одним из базовых процессов в технологии нефтяной отрасли промышленности является процесс сепарации жидкости от составляющих их компонентов и фаз на основе создания и широкого внедрения новых высокопроизводительных и эффективных сепарационных устройств.

В настоящее время в различных отраслях нефтяной промышленности широкое применение нашли для осуществления процессов сепарации такие аппараты как отстойники, газосепараторы, дегазаторы, флотаторы, электрофлотаторы, атмосферные и атмосферно-вакуумные колонны и многие другие. Основными недостатками таких установок являются их большие габариты и металлоемкость, часто невысокая производительность. Дальнейшее повышение эффективности физических процессов сепарации в таких аппаратах, связанных с седиментацией, плавлением, кристаллизацией, кипением и всплытием части составляющих частиц исходной фазы, связано с увеличением затрат тепловой (для снижения вязкости среды) и электрической (на привод устройств по перемещению больших объемов жидкостей и газов) энергии.

Наиболее эффективным принципом сепарации дисперсной фазы растворимых и нерастворимых компонентов из многофазного потока является их разделение в поле центробежных и центростремительных сил, интенсивность которого может в несколько сот раз превышать интенсивность гравитационного и инерционного полей.

Этот принцип используется в таких аппаратах как гидроциклоны, вихревые сепараторы, центрифуги, турбодетандеры и др. Наиболее простыми по конструкции и дешевыми аппаратами, использующими действие центробежных и центростремительных сил, являются гидроциклоны и вихревые камеры. Они компактны, имеют малый вес, несложны в изготовлении и эксплуатации, надежны, требуют незначительных затрат энергии из-за малых гидравлических сопротивлений.

Разработка прогрессивных конструкций вихревых сепараторов, испытание и доводка их в конкретных производственных условиях является весьма актуальной задачей для предприятий нефтепереработки и нефтехимии.

Основной целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование процессов, протекающих в вихревом сепараторе при различных его режимах работы, выбор оптимальных конструкции и режима работы аппарата при очистке сточных вод от растворимых и нерастворимых нефтепродуктов, растворителей, газов и др., снижение металлоемкости технологического сепарационного оборудования и затрат тепловой энергии при осуществлении процессов очистки сточных вод ОАО «Каучук» г. Стерлитамака.

Диссертационная работа выполнена по договору №51 АН РБ, по теме: "Создание аппаратов и приборов нового поколения для нефтегазохимической промышленности", является разделом ГНТП "Перспективные технологии в машиностроении, приборостроении, аппаратостроении и других отраслях промышленности Башкортостана", выполняемой Академией наук Республики Башкортостан.

Цель достигается разработкой и испытанием высокопроизводительного и компактного вихревого сепаратора при очистке сточных вод от растворимых и нерастворимых углеводородных примесей в производственных условиях нефтехимического предприятия.

ВЫВОДЫ

1. Предложена методика расчета геометрических размеров отдельных элементов сепаратора и фракционирующего устройства для отбора из центральной части аппарата легких углеводородов в виде газовой фазы.

2. Изучены зависимость производительности сепаратора от входных параметров потока, диаметра диафрагмы и особенности распределения давления по радиусу входной камеры. Повышение температуры жидкости на входе в сепаратор на 1 °С приводит к снижению производительности сепаратора на 3% в диапазоне температур 60. .76°С.

3. Предложена теоретическая зависимость распределения статического давления по радиусу входной камеры с учетом скачка (изменения) плотности среды на границе жидкой и газовой фаз (которая качественно подтверждается результатами лабораторных исследований).

4. Впервые предложено учитывать сегрегацию (неоднородность) среды в газовом вихре по радиусу потока во входной камере сепаратора. Обоснована соответствующая теоретическая зависимость.

5. Разработан и изготовлен вихревой сепаратор диаметром Б = 250 мм и

•у производительностью 30 м /ч для отбора из сточной воды растворимых (ацетон, ацетонитрил, бутанол) и нерастворимых (углеводородные газы, изопрен, нефть) углеводородов.

6. Содержание любого компонента, отобранного из каналов фракционирующего устройства, увеличивается, а содержание влаги (воды) уменьшается с уменьшением радиуса отбора. Достигнуто 100%-ное содержание примесей в пробе (содержание воды - "следы"), отобранной из центрального канала фракционирующей головки аппарата.

7. Испытания разработанного сепаратора, проведенные на ОАО "Каучук", показали, что для диафрагмы диаметром = 100 мм при производительности 27,5 м /ч содержание углеводородов в сточной воде уменьшилось на 83%. При испытаниях, проведенных на КНС-12 НГДУ "Арланнефть" по доочистке

116 сточных вод перед закачкой их в продуктивные пласты, достигнуто снижение содержания нефти в сточной воде на 73%.

1. Касаткин А.Г. Основные процессы и аппараты химической технологии. 9- е изд. М.: Химия, 1973.

2. Коваленко В.П. Загрязнения и очистка нефтяных масел. М.: Химия, 1978.- 304 е., ил.

3. Бузников Е.Ф. Циклонные сепараторы в паровых котлах. М.: «Энергия», 1969 г.

4. Нестеров В.Д., Васильев Ю.Н. Вихревые динамические теплообменники. М.: Недра, 1982,160 с.

5. Патент США № 3816274, 1974 Удаление растворенных или суспендированных частиц из сточной воды.

6. Патент США № 3809631, 1974 Способ обработки сточных вод, содержащих нефть.

7. Патент США № 3539508, 1970 Способ и устройство для сепарации нефти и тому подобного из жидкости.

8. Патент США № 3769186, 1973 Способ обработки сточных вод электролизом.

9. Патент США № 3673065, 1972 Электролитическое удаление жировых веществ из воды.

10. Патент США № 3456798, 1969 Способ и аппарат для очистки жидкостей.

11. Патент Франции № 2055251, 1971 Циклон для разделения суспензий, по крайней мере, на две фракции различной плотности.

12. Авторское свидетельство № 584895, 1976 Полочный гидроциклон для разделения жидкостей с различным удельным весом. A.M. Курков, И.С. Бронштейн, А.Ф. Бардин.

13. Авторское свидетельство № 419251, 1970 Гидроциклон. П.П. Юров, А.Н. Мякущенко.

14. Авторское свидетельство № 544474, 1975 Гидроциклон. А.Я. Василенко.

15. Авторское свидетельство № 548319, 1975 Мультигидроциклон. A.A. Хекконен.

16. Авторское свидетельство № 548320, 1975 Циклонное устройство для отделения тяжёлых примесей от рабочих сред. Общественное конструк-торско-технологическое бюро Совета ВОИР Минского тракторного завода.

17. Авторское свидетельство № 548318, 1975 Гидроциклон для выделения минеральных примесей из зерна. Ч.К. Курочицкий и Н.И. Соловьёва.

18. Авторское свидетельство № 575134, 1975 Вихревой сепаратор. В.И. Соколов и В.Г. Жуков.

19. Авторское свидетельство № 575137, 1976 Гидроциклон. B.C. Глазунов, O.A. Радлинский и В.В. Оболенский.

20. Авторское свидетельство № 542557, 1975 Открытый гидроциклон для очистки сточных вод от взвешенных частиц. В.Г. Папуша, В.Г. Солонец-кий и Э.Н. Егоров.

21. Авторское свидетельство № 542558, 1975 Гидроциклон. Г.З. Карандаев.

22. Авторское свидетельство № 542559, 1975 Гидроциклон. Г.М. Косой.

23. Авторское свидетельство № 542560, 1974 Гидроциклон. С.И. Семёнов и В.М. Колинько.

24. Авторское свидетельство № 1564119 Устройство для разделения масла и воды. В.А. Симаков, Ю.Г. Кирюхин, A.A. Боголь.

25. Авторское свидетельство № 1555341 Способ получения фракций из нефти. В.А. Симаков, В.А. Краснов и др.

26. Абрамович Г.Н. Теория центробежной форсунки. Изд-во «Промышленная аэродинамика». ЦАГИ, 1944, 114 с.

27. Шестов Р.Н. Гидроциклоны. Изд-во «Машиностроение» Ленинград, 1967, 80 с.

28. Ангелов А.И. Применение гидроциклонов в США. «Цветные металлы», 1958, № 12, с. 92- 103.

29. Модер И.И., Дальстром Д.А. Разделение в гидроциклонах мелкоизмель-чённых твёрдых материалов с близкими значениями удельных весов. В кн.: Химия и химическая технология. Перевод. Вып. 6. М., Изд. Иностр. Лит., 1953, с. 39-40.

30. Поваров А.Н. Гидроциклоны. М., Госгортехиздат, 1961, 246 с.

31. Беднарский С., Гроттуз Ф. Новые типы гидроциклонов. Экспресс информация. - «Пищевая промышленность», 1961, № 46, реф. 487.

32. Chaston J.R.M. A simple formula for calculating the approximate capacity of a hydrocyklone. "Bulletin of the Institution of Mining and Metallurgy", 1958, №615.

33. Коваль В.П., Михайлов С.Л. Распределение скоростей и давления в вихревой камере. « Теплоэнергетика», № 7, 1972, с. 25 -28.

34. Волков Е.В. О вращении изотермического потока газа в циклонной камере. «Теплоэнергетика», № 8,1960.

35. Кухлинг X. Справочник по физике. М., «Мир», 1982, 491 с.

36. Технологические расчёты установок переработки нефти: Учеб. пособие для вузов. A.M. Танатаров, М.Н. Ахметшина, P.A. Фасхутдинов и др. -М.: Химия, 1987, 352 с.

37. Бабицкий И.Ф., Вихман Г.Л., Вольфсон С.И. Расчёт и конструирование аппаратуры нефтеперерабатывающих заводов. -М.: Недра, 1965, 906 с.

38. Мещеряков Н.Ф., Кузнецов В.Н. Флотационные методы извлечения ценных компонентов из растворов и очистки сточных вод. М.: Наука, 1972, с. 129.

39. Орловский З.А. Очистка сточных вод за рубежом. М.: Стройиздат, 1974.

40. Рудольф Рандольф. Что делать со сточными водами. М.: Стройиздат, 1976.

41. Пушкарев В.В., Трофимов Д.И. Физикохимические особенности очистки сточных вод от ПАВ. М.: Химия, 1975.

42. Надысев B.C. Очистка сточных вод предприятий масло-жировой промышленности. М.: «Пищевая промышленность», 1976.

43. Хабаров О.С. Очистка сточных вод в металлургии. М.: Металлургия, 1976.

44. Яковлев C.B., Калидун В.И. Механическая очистка сточных вод.Изд-во лит-ры по строительству. М., 1972.

45. Скирдов И.В., Пономарёв В.Г. Очистка сточных вод в гидроциклонах. М.: Стройиздат, 1975, 123 с.

46. Симаков В.А. Исследование влияния пористой среды на фазовые переходы пластовых нефтей. Автореферат диссертации. М.: ВНИИ нефть, 1971, 162 с.

47. Основы химической технологии. Учебник для студентов вузов. Под ред. И.П. Мухленова. -3-е изд., перер. и доп. М.: Высш. шк., 1983, 335 с.

48. Расчет основных процессов и аппаратов нефтепереработки. Справочник. Под ред. Е.Н Судакова. М.: Химия, 1979, 568 с.

49. Кирпатовский И.П. Охрана природы. Справочник для работников нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. М.: Химия, 1980, 376 с.

50. Назарова Н.С. Охрана окружающей среды и экологическое воспитание студентов: Учеб.-метод. пособие. -М.: Высш. шк., 1989, 104 с.

51. Банников А.Г. и Рустамов А.К. Охрана природы. М.: "Колос", 1977, 208 с.

52. Назаров В.Д. Новые методы в технологии очистки воды: Учеб. пособие. Уфа: Изд. Уфим. нефт. ин-та, 1989. - 88 с.

53. Когановский A.M., Клименко H.A., Левченко Т.М., Марутовский P.M., Рода И.Г. Очистка и использование сточных вод в промышленном водоснабжении. М.: Химия, 1983. - 288 е., ил.

54. Иванов Г.И. Гидроциклоны (Основы теории, проектирования и применения). Методические указания для слушателей ФПК. Уфа: Изд. Уфим. нефт. ин-та, 1979. - 24 с.

55. Жуков А.И., Монгайт И.Л., Родзиллер И.Д. Методы очистки производственных сточных вод (справ, пособие). Под ред. А.И. Жукова. М.: Строй-издат, 1977. 204 с.

56. Малиновская Т.А., Кобринский И.А., Кирсанов О.С. и др. Разделение суспензий в химической промышленности. М.: Химия, 1983. - 264 с.

57. Коваленко В.П., Турчанинов В.Е. Очистка нефтепродуктов от загрязнения. М.: Недра, 1990. - 160 с.

58. Прокуряков В.А., Шмидт Л.И. Очистка сточных вод в химической промышленности. Л.: Химия, 1977. 464 с.

59. Химический энциклопедический словарь. Гл. ред. И.Л. Кнунянц. М.: Сов. энциклопедия, 1983. - 792 с.

60. Головко В.Н. Оборудование для приготовления и очистки промывочных жидкостей. М.: Недра, 1978. 136 с.

61. Мартынов A.B., Бродянский В.М. Что такое вихревая труба? М.: Энергия, 1976.- 152 с.

62. Малышев А.И. Исследование вихревых аппаратов для интенсификации процесса дегазации малорастворимых газов из насыщенных хемосорбен-тов. Автореферат, к.т.н. Уфа. УНИ, 1992.

63. Юминов И.П. Разработка кавитационно вихревого аппарата для процесса окисления углеводородного сырья. Автореферат, к.т.н. Уфа. - УГ-НТУ, 1999.

64. Арсланбиев Р.К. Вихревой сепаратор для разделения эпихлоргидрина при производстве эпоксидной смолы. Автореферат, к.т.н. Уфа. УГНТУ, 2000.

65. Лучинин И.В., Караванова И.А, Симаков В.А. Выбор метода очистки сточных вод Стерлитамакского завода "Синтетического каучука (CK)".

66. Вклад молодежи Башкирии в решение комплексных проблем нефти и газа: Тез. докл. 44-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Башкирии. Уфа: УНИ, 1993. - С. 79.

67. Лучинин И.В, Куров C.B., Симаков В.А. Конструкция и принцип действия вихревого сепаратора для сепарации жидкостей АО "Каучук". Материалы 45-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. -Уфа: УГНТУ, 1994. С. 54.

68. Лучинин И.В., Симаков В.А., Бадиков Ю.В. Ректификация многокомпонентных смесей в вихревых сепараторах. Материалы 46-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГНТУ, 1995. - С. 134.

69. Лучинин И.В., Симаков В.А. Особенности течения газожидкостного потока в вихревых камерах. Материалы 47-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Том 1. Уфа: УГНТУ, 1996. - С. 146-147.

70. Лучинин И.В., Симаков В.А., Арсланбиев Р.К. Гидродинамика потоков в вихревом сепараторе. Республиканская научно-техническая конференция "Техника на пороге XXI века". Уфа: Гилем, УГАТУ, 1999. - С. 84.

71. Лучинин И.В., Бакиев A.B. Использование вихревого сепаратора для разделения многокомпонентных смесей. Республиканская научнотехническая конференция "Техника на пороге XXI века". Уфа: Гилем, УГАТУ, 1999.-С. 85.

72. Лучинин И.В., Оренбуров М.А., Симаков В.А., Ризванов Р.Г. Экспериментальное исследование режимов вихревого сепаратора. Материалы 52-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГ-НТУ, 2001.-С.

73. Лучинин И.В., Леонтьев А.П., Симаков В.А., Ризванов Р.Г. Испытания вихревых сепараторов в производственных условиях. Материалы 52-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УГ-НТУ, 2001. - С.

74. Лучинин И.В, Симаков В.А., Ризванов Р.Г. Фракционирование многокомпонентных смесей в вихревых камерах. Материалы 52-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Уфа: УТНТУ, 2001. - С.

75. Лучинин И.В., Симаков В.А., Ризванов Р.Г. Использование вихревых эффектов в различных отраслях нефтегазовой промышленности. Материалы 52-й науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. -Уфа: УГНТУ, 2001. С.

76. Лучинин И.В., Симаков В.А. Исползване на вихрови сепаратори за раз-деляне на фракции на многокомпонентни смеси. Годишник БСУ VII, Бургас, Болгария 2002. - С. 87 - 92.

77. Бакиев A.B., Симаков В.А., Арсланбиев Р.К., Фархетдинов A.C., Шаки-ров А.Р. Вихревой сепаратор для отделения нефти от сточных вод. Материалы научно-практической конференции "Промышленная экология проблемы и перспективы". Уфа: 2001.

78. Баширова Н.М., Ахсанов P.P., Пономарёв В.Г. Трёхпродуктовые гидроциклоны для интенсификации процесса очистки нефтепромысловых сточных вод. М. ВНИИФЭНТ, 1985, - 57 с.