Содержание к диссертации
Введение
1. Условия образования и свойства льяльных вод 11
1.1. Механизм образования дисперсной фазы нефтепродуктов 11
1.2. Стабильность нефтеводяных эмульсий 15
2. Коалссценция как метод очистки льяльных вод 28
2.1. Физическое явление коалесценции капельных нефтепродуктов в объеме нефтеводяной смеси и на поверхности твердого тела 28
2.2. Анализ движения нефтеводяной смеси через зернистый слой коалесцентного деэмульгатора 32
2.3. Факторы, влияющие на эффективность очистки нефтеводяных смесей в сепараторах отстойно-коалесцентного типа 37
3. Исследование эффективности разделения нефтеводяных эмульсий в коалесцептной ступени очистки воды на основе зернистого слоя из полимерных материалов 45
3.1. Описание экспериментальной установки и методики выполнения экспериментов 45
3.2. Определение погрешности выполнения экспериментов 57
3.3. Автоматизация расчета концентрации капельных нефтепродуктов в воде 59
4. Обсуждение результатов экспериментов 62
5. Разработка судового автоматического устройства экспресс-контроля качества очистки льяльных вод (сигнализатора) 85
5.1. Анализ технической эксплуатации судовых сигнализаторов контроля качества очистки льяльных вод 85
5.2. Структура автономного устройства экспресс анализа качества очистки льяльных вод 90
Заключение 93
Литература 96
- Стабильность нефтеводяных эмульсий
- Анализ движения нефтеводяной смеси через зернистый слой коалесцентного деэмульгатора
- Определение погрешности выполнения экспериментов
- Анализ технической эксплуатации судовых сигнализаторов контроля качества очистки льяльных вод
Введение к работе
Одной из главных проблем современности является предотвращение антропогенного загрязнения вод мирового океана, прежде всего нефтепродуктами (НП). При этом имеется в виду загрязнение не только открытых пространств морей и океанов, через которые проходят транспортные пути, но и акваторий заливов, портов, береговой линии, по периметру которой расположены береговые промышленные предприятия различного назначения.
В настоящее время по данным космической съемки 30% площади мирового океана покрыто нефтяной пленкой. Последняя наиболее серьезная катастрофа танкера «Prestige» у берегов Испании принесла непоправимый экологический ущерб: погибло большое количество животных, под толстым слоем мазута оказались сотни километров пляжей и туристических зон. При этом последствия загрязнения будут давать знать о себе еще 4 года [1]. Однако доля аварий танкерного флота составляет только 12% от общего числа источников загрязнения [2]. Основную роль в загрязнение мирового океана (27%) вносят нефтеводяные смеси (НВС) сливаемые судами в окружающую среду, типичным примером которых являются трюмные, балластные (для танкеров) и льяльные воды машинных отделений (МО).
В первую очередь это связано с неисправностью, физическим (износ) или моральным устареванием фильтрующего оборудования (ФО), а порой и его отсутствием ради сиюминутной экономической выгоды в связи с большой стоимостью оборудования и необходимостью его обслуживания. Отрицательную роль в этом также играет несоблюдение технологической дисциплины при технической эксплуатации судового нефтеводяного фильтрующего оборудования по предотвращению загрязнения моря (ПЗМ).
В настоящее время вступили в силу новые требования МАРПОЛа, оговоренные Резолюцией ИМО МЕРС 107 (49) [3], принятой международным сообществом 18.07.2003 г., которые ужесточают методы проведения типовых испытаний ФО для предотвращения загрязнения моря с судов. ФО является
наиболее важным и неотъемлемым компонентом осушительной системы судна [4].
Ассортимент современного ФО весьма ограничен, существующее оборудование бывает в большинстве своем отстойно-коалесцентного типа и не может очищать воду от эмульгированных НП. Эффективных схем реализации технологии очистки вод с точки зрения цены, качества, надежности и простоте обслуживания до сих пор нет. Поэтому исследование и разработка современного ФО для предотвращения загрязнения моря с судов остается задачей весьма актуальной.
В настоящее время на морских судах широко используются тяжелые сорта органического топлива, плотность которых достигает 0,98 кг/м , а иногда соизмерима с плотностью воды [5]. НВС на основе такого топлива не разделяются на основе сил гравитации даже при нагреве. Указанное значение плотности частиц НВС превышают средние значения плотности НП применявшихся ранее при типовых испытаниях судового нефтеводяного сепараци-онного оборудования по программе, оговоренной в Резолюции ИМО А.393 (X) [6] (0,83 - 0,94 кг/м3). Таким образом, большинство старых сепарацион-ных установок, которые продолжают использоваться на морских судах в настоящее время для очистки сточных нефтесодержащих вод (СНВ), не предназначены для разделения нефтеводяных смесей на основе тяжелых НП [7].
Известно [8], что основными механизмами природной деградации нефтяного загрязнения в океанических условиях являются испарение легких углеводородов и фотохимическое окисление ароматических углеводородов под влиянием солнечной радиации. Однако в судовых сточных водах НП чаще всего представлены в диспергированном виде, т. е. в виде эмульсий, которые обычно не содержат капель НП диаметром более 0,5 мм. Именно в такой форме НП представляют наибольшую угрозу окружающей среде. Это объясняется тем, что мелкие частицы НП находятся в толще воды и не разлагаются под действием солнечного излучения, не выветриваются и могут переноситься на большие расстояния морскими течениями [9]. В форме эмульсии НП
прежде всего поглощаются планктоном, попадая в пищевую цепь морских организмов. Это часто приводит к уничтожению обширных регионов обитания морских животных [10].
В работе [11] систематизированы различные методы очистки НВС, а также изучен метод фильтрации с использованием кварцевого волокнистого материала. Основным недостатком метода фильтрации является то, что отфильтрованный НП со временем накапливается в фильтрующем материале забивая поры, снижая пропускную способности и эффективность фильтрации, требуя периодического обслуживания (регенерации).
Одним из перспективных методов разделения НВС при очистке сточных вод является метод использования явления коалесценции грубодисперс-ных капельных НП в объеме очищаемой воды и мелкодисперсных НП на поверхности различных коалесцентных материалов. При фильтрации очищаемой воды через такие материалы происходит укрупнение капель НП за счет их слияния на поверхности пористой структуры с образованием пленки НП или в объеме воды, проходящей в узких каналах пористых материалов с образованием более крупных капель. На выходе из таких устройств (деэмульга-торов) на наружной поверхности устройства наблюдается дренаж и отрыв образовавшейся пленки НП, всплытие более крупных капель НП из объема очищенной воды. Поэтому наличие в сепараторе отстойной емкости после коалесцентного устройства (деэмульгатора), является необходимым условием для эффективного разделения НВС. Этот метод очистки льяльных вод на морских судах позволяет получить нефтесодержание в сбросе до 15 млн"1, что соответствует предельно допустимым нормам (ПДС) [12].
Первоначальной задачей разработки современного ФО является поиск новых эффективных и дешевых материалов, способных к регенерации при разделении НВС. В качестве таких материалов экономически целесообразно использовать зернистые загрузки коалесцентных деэмульгаторов, на основе гидрофобных полимеров, выпускаемых отечественной промышленностью. Экспериментальное определение и расчет оптимальных режимов фильтрации
НВС через такие зернистые материалы позволяет определять их ресурс при технической эксплуатации судовых нефтеводяных сепараторов.
Определенный интерес представляет разработка аппаратно-программного комплекса для экспресс-контроля качества очистки нефтесо-держащей воды, который с достаточной степенью точности мог бы измерять и автоматически контролировать концентрацию мелкодисперсного НП в сточных водах. Используя входные данные о структуре НВС (число и размеры частиц НП в заданном объеме воды) подобная система могла бы в режиме реального времени предоставлять информацию о нефтесодержании с различными видами визуализации (таблицы, графики, гистограммы и т.д.), а также воздействовать на исполнительные устройства, контролирующие сброс очищенной воды за борт судна. В случае создания мобильных и автономных систем контроля легко решается задача удаленного мониторинга в режиме реального времени.
В результате выполненных экспериментальных исследований были решены следующие задачи:
изучены условия стабильности льяльных вод МО морских судов с целью определения факторов, влияющих на процесс коалесценции капельных НП;
определена эффективность процесса коалесценции НП на поверхности некоторых полимерных материалов, выпускаемых отечественной промышленностью;
разработан метод оценки эффективности очистки льяльных вод в коалесцентных деэмульгаторах на основе зернистой загрузки из полимерных материалов с использованием статистических методов анализа экспериментальных данных;
разработано программное обеспечение (ПО) для автоматизации дисперсного экспресс анализа структуры НВС и расчета нефтесо-держания воды с использованием персональной ЭВМ;
5) на основе полученных опытных данных предложен новый метод работы прибора контроля качества очистки льяльных вод. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и приложения.
Стабильность нефтеводяных эмульсий
Особенностью дисперсионных систем является существование между частицами и средой действительной границы раздела фаз с определенной величиной межфазного натяжения. Высокое межфазное натяжение на границе между неполярной фазой (НП) и водой и соответственно сильная тенденция к агрегатированию неполярных частиц в воде обусловлены сильными взаимодействиями между полярными молекулами воды, образующих пространственную сетку водородных связей. Разрыв и деформация этой сетки на границе с неполярными фазами, как и на границе с отдельными неполярными молекулами, связаны с большой затратой работы, т. е. термодинамически не выгодны [24]. Состояние таких систем характеризуется избытком свободной энергии, причем укрупнение частиц происходит самопроизвольно, обусловливая уменьшение этой величины. Поэтому эмульсии термодинамически неустойчивы; их стабильность связана с наличием энергетического барьера, предотвращающего сближение и объединение капель НП.
Устойчивость дисперсионных систем зависит от знака и величины суммарной энергии взаимодействия, обусловленной сложением ионно-электростатической энергии отталкивания и энергии притяжения Ван-дер-Ваальса. Такое объяснение стабильности дисперсионных систем впервые дано Дерягиным. Часто эту теорию называют теорией Дерягина - Ландау -Фервея - Овербека (ДЛФО) [25].
Для устойчивости необходимо, чтобы силы отталкивания, обусловленные перекрытие двойных электрических слоев частиц, превышали на определенном расстоянии силы молекулярного притяжения. Эти силы (силы Ван-дер-Ваальса) трехкомпонентные [26]: 1) силы ориентационного взаимодействия (силы Кеезома); 2) индукционное взаимодействие (силы Дебая); 3) дисперсионное взаимодействие (силы Лондона). Наличие электрических зарядов в атомах и молекулах веществ говорит о том, силы межмолекулярного взаимодействия имеют электромагнитную природу [27].
Существование первых двух типов взаимодействий предполагает наличие, по крайней мере, наведенного дипольного момента у молекул обеих частиц. Силы первых двух типов значительны для полярных веществ, например для воды (молекула воды имеет дипольный момент), вызывая дополнительное взаимное притяжение по сравнению с неполярными молекулами. Силы ориентационного взаимодействия определяют взаимодействие двух диполей.
Кроме того, Дебай предположил, что заряды в молекуле не закреплены жестко, а могут двигаться, смещаясь под влиянием поля производимого дру гой молекулой, вызывая ее поляризацию. Взаимодействие молекул с наведенной полярностью было названо индукционным [27].
Между неполярными молекулами (вещества с низким поверхностным натяжением, например, между полимерами и углеводородами) действуют только дисперсионные силы, которые обусловлены флуктуациями зарядов, возникающими вследствие движения электронов в атомах [28]. Эти силы дальнодействующие (охватывают области более 1000 А) и они превосходят радиус действия сил химической связи [29].
Для случая двух сферических частиц, если радиус частиц гораздо больше, чем расстояние h между ними энергия молекулярного взаимодействия определяется как [23, 30]:
При анализе взаимодействия дисперсных частиц часто возникает необходимость учета запаздывания распространения сил межмолекулярного взаимодействия, которое связанно с конечной скоростью распространения света [27]. Это объясняется тем, что при взаимодействии двух молекул поле первого диполя достигает второй молекулы за время R/c, и индуцирует в ней дипольный момент, который взаимодействует с первой молекулой по прошествии времени 2R/c. За это время первая молекула может изменить свое положение (к примеру, на 90), что приведет к нулевому взаимодействию. Ослабевание дисперсионных сил возникает при расстояниях R 400..
Электростатические силы отталкивания дисперсных частиц являются следствием их одинакового заряда, при этом частицы НП заряжены отрицательно. Однако нельзя вычислять силы отталкивания непосредственно по закону Кулона, поскольку частицы окружены противоионами, которые компенсируют заряд частиц, и за пределами двойного слоя напряженность электрического поля равна нулю. Таким образом, в близи поверхности раздела образуется двойной слой зарядов; одна часть этого слоя локализована на по верхности, а вторая в виде диффузионного слоя распространяется в глубь раствора (рис. 2).
Существует две основные схемы возникновения заряда на поверхности частицы НП при ее контракте с дисперсионной средой (водой). В первой схеме заряд возникает вследствие неодинаковой растворимости заряженных функциональных групп в водных растворах электролитов. Согласно второй схеме заряд возникает вследствие неодинаковой адсорбируемости катионов и анионов, присутствующих в дисперсионной среде, на поверхности частицы НЩ31].
Взаимодействие двух частиц НП обнаруживается только тогда, когда перекрываются их диффузные электрические слои. Теория двойного электрического слоя разработана Гуи и Чепменом и скорректирована Штерном [32]. Полная интерпретация структуры двойного слоя требует учета объема противоионов (минимального расстояния д от границы раздела фаз до центра тяжести зарядов противоионов) и их специфической адсорбции. Поэтому поверхность, от которой начинается двойной слой и тем самым область дейст
Анализ движения нефтеводяной смеси через зернистый слой коалесцентного деэмульгатора
Для анализа возможности вторичного эмульгирования НП при фильтрации НВС воспользуемся теорией зернистого слоя [58].
Впервые течение однородных жидкостей в пористых телах было рассмотрено Дарси, который вывел основной закон фильтрации [59]. Этот закон связывает такие макроскопические параметры как давление, вязкость и расход жидкости. Однако введение понятия проницаемости, которое зависит от структуры пористой среды, вносит определенные сложности в расчет динамики движения жидкостей в пористых телах. Это связано с тем, что не существует универсального подхода к определению этой величины. Существуют различные теории определения проницаемости (капиллярные модели, теории гидравлического радиуса и др.), однако ни один из этих подходов не лишен недостатков.
Обычно рассматривают проницаемость как зависимую величину от пористости среды [59], которая является основным параметром, определяющим свойства зернистого слоя. Пористость подразумевает долю его общего объема, приходящегося на поры. Пористость зависит от формы гранул загрузки и типа их укладки. В данном случае загрузка деэмульгатора является неконсолидированной пористой средой и состоит из близких по размеру элементов (шаров), поэтому такой слой называется монодисперсным. Для шаров без укладки и вибрации пористость имеет значение 0,38 — 0,39 [58]. В качестве материала загрузки нами в опытах использовались гранулы сополимера стирола с 8%-ым содержанием ДВБ, имеющие частицы круглой формы диаметром 0,5 - 1,2 мм.
Рассматривая течение жидкости в зернистом слое как внутреннее, можно определить эквивалентный диаметр порового канала зернистой загрузки:
По значению пористости и размеру частицы эквивалентный диаметр составляет 0,49 10" м, т. е. размер порового канала, по которому двигаются частицы НП в 10 раз больше среднего размера частицы НП (0,05 мм).
Исходя из геометрических размеров деэмульгатора (средний диаметр сечения - 0,154 м, высота - ОД 6 м), расхода жидкости (определяется по раз-ности конечного и начального объемов - 35,36 м и 34,34 м соответственно) и времени опыта, равное 12300 с, можно определить среднюю скорость фильтрации, рассчитанную на полное сечение зернистого слоя: величина которой составляет 1,076x10" м/с.
Истинную среднюю скорость (скорость потока в пространстве между зернами) можно определить по формуле: величина которой составляет 2,83x10"3 м/с.
На основе средней скорости НВС, плотности [60] и вязкости [61] воды (т. к. эмульсия является неконцентрированной, значения плотности и вязкости НВС совпадают с соответствующими значениями для воды) можно определить эквивалентный критерий Реинольдса, который является основным параметром, характеризующим режим движения жидкости в поровых каналах зернистой загрузки деэмульгатора [62]:
По расчетному значению Яеэ (для нашего случая равному 0,16) можно утверждать, что течение жидкости между зернами зернистой загрузки является ламинарным. Это подтверждается опытными данными, приведенными в работе [63], что говорит об отсутствии вторичного эмульгирования в поровых каналах зернистой загрузки коалесцентных фильтроэлементов-деэмульгаторов при выбранных режимах фильтрации НВС.
В наших опытах эквивалентный диаметр порового канала зернистого слоя на основе стандартных гранул сополимера стирола с 8%-ым содержанием ДВБ на порядок превышает средний размер частицы НП, поэтому вероятность межкапельной коалесценции НП маловероятна. Это согласуется с утверждением Ю. П. Седлухо [63], где отмечается, что основную роль в укрупнении капель НП играет контактная коалесценция на зернах загрузки с образованием пленки на поверхности материала.
Под влиянием дисперсионных сил (сил Лондона) частицы НП в потоке взаимодействуют с гранулами загрузки, деформируясь при этом, если расстояние до поверхности полимера становится сравнимым с их размерами. Между молекулами воды и гидрофобной загрузки эти силы являются отталкивающими, в то время как для капель НП они являются притягивающими.
Этим объясняется процесс налипания капель НП на поверхности частиц зернистого слоя загрузки аппарата-деэмульгатора.
Опишем физический процесс прилипания частицы НП при ламинарном обтекании НВС частицы гидрофобной загрузки (рис. 10). Рис. 10. Схема обтекания круглой гранулы загрузки частицей нефтепродукта При небольших значениях Re влияние сил инерции становится пренебрежимо малым, по сравнению с силами вязкости. Определим это с помощью неравенства, предложенного в работе где левая часть в условиях опыта составляет величину 1,32 10 .
Таким образом, при ламинарном обтекании частицы загрузки (Re l) безынерционность осаждения обеспечивается малостью частиц НП по сравнению с размером частицы загрузки. Для оценки вероятности коалесценции капли НП на поверхности загрузки воспользуемся коэффициентом захвата, понятие которого ввел Б. В. Дерягин в работе [64] для частиц потока (НП) радиусом более 10"6 м (в нашем случае 10"5 и более) и частиц препятствия (загрузки) размером намного более 10"5 м (в нашем случае 1,2x10"3 м):
Определение погрешности выполнения экспериментов
Определение точности расчета диаметра частиц НП. Расчет диаметра частиц НП выполняется на основе 2 физических измерений: размера одного пикселя {в мм) фотографии НВС и размера площади каждой частицы в пикселях. Для расчета размера пикселя использовалась фотография зерна загрузки (рис. 18). Диаметр зерна был измерен микрометром с точностью 0,01 мм и составляет 1,53 мм. Значит, погрешность измерения диаметра зерна составляет 0,65%. По диаметру полученного изображения частицы (275 пикселей) и с учетом того, что точность определения границы сфотографированной частицы составляет порядка 3 пикселя, погрешность определения числа пикселей, составляющих диаметр частицы, равняется 1,09%. То есть, общая погрешность расчета размера пикселя составляет ц 1,74% (0,000087 мм). Притом, что размер пикселя составляет 0,005 мм. Для расчета суммарной погрешности определения диаметра частицы НП (с точностью до 0,01 мм) по количеству пикселей на фотографии, составляющих изображение частицы воспользуемся следующей таблицей: 2. Определение точности расчета концентрации НП. Для определения точности расчета концентрации НП в НВС необходи мо найти соотношение погрешностей расчета сфотографированного объема НВС и погрешности определения суммарного объема частиц НП. Погреш ность расчета объема НВС определяется как произведение погрешностей сторон объема нефтеводяной эмульсии. Глубина мениска на предметном стекле была измерена микрометром с точностью 0,01 мм и составила 0,8 мм (рис. 17), следовательно, погрешность определения глубины составляет 1,25%. С учетом точности расчета длины и ширины объекта исследований (1,74%) погрешность определения объема НВС будет составлять 3,78%. Объ ем нефтеводяной эмульсии составляет 3,93 мм3 с точностью 0,148 мм3. Суммарная погрешность расчета среднего диаметра частиц (0,0027 мм) дает погрешность определения объема частицы в 1,9683 10 8 мм3. Даже в случае присутствия 1000 частиц НП в фотографии погрешность определения объема НП будет составлять очень незначительную величину по сравнению с погрешностью определения объема НВС. То есть погрешностью расчета суммарного объема частиц НП можно пренебречь и основную роль в точности определения концентрации НП в воде играет точность определения объема НВС и составляет 3,78%. Снижение точности расчета также связано с возможностью сокрытия мелких капель более крупными в объеме НВС. С целью автоматизированного расчета нефтесодержания в лабораторных условиях было разработано программное обеспечение (ПО), которое представляет собой Win32 приложение [89], работающее под управлением ОС Windows 2000 (ХР и новее). В качестве инструмента разработки использовалась интегрированная среда разработки «Borland C++ Builder 6» [90]. Основные окна программы представлены в приложении 3. Программа имеет следующие функции и возможности: 1) открытие черно-белых фотографий (в формате BMP) и отображение на экране компьютера с представлением информации о размере изображения; 2) подсчет числа и размеров элементов (в пикселях); 3) определение площади элементов на основе размера пикселя, значение которого определяется в установках программы (по умолчанию - 0,005 мм); 4) определение радиуса элементов, исходя из предположения, что все элементы изображения имеют форму шара (круг в сечении); 5) определение объема всех элементов, объема изображения (глубина задается в установках программы) и их соотношения; 6) представление данных о размере и диаметре в виде таблицы для каждого элемента изображения; 7) изменение масштаба до 32 раз (увеличение и уменьшение изображения) с целью детального отображения элементов изображения (при увеличении в 16 и 32 раза каждый пиксель выделенного элемента отображается в виде окаймленного квадрата); 8) перемещение увеличенного изображения в окне с помощью ползунков прокрутки и позиционирование с помощью инструмента «рука»; 9) выделение определенного элемента изображения с помощью курсора с позиционированием в таблице; 10) копирование данных из таблицы в буфер обмена и сохранение в файле для последующей обработки (например, в электронной таблице «Excel»); 11) удаление выделенного элемента изображения, если указанный элемент не должен участвовать в расчетах; 12) удаление группы элементов, размеры которых лежат в указанном диапазоне (в пикселях), либо в диапазоне диаметров (в мм). Эта функция необходима для возможности исключения из расчетов всех элементов, размеры которых лежат в определенном диапазоне, например, размеров в 1 пиксель; 13) сохранение измененного изображения в BMP формате в файле на диске или копирование его в буфере обмена для дальнейшей обработки; 14) построение гистограммы распределения диаметров частиц, при этом число столбцов определяется автоматически по формуле: где N число элементов. Ширина столбцов гистограммы определяется следующим образом:
Анализ технической эксплуатации судовых сигнализаторов контроля качества очистки льяльных вод
Одним из основных компонентов судовых систем ФО являются приборы контроля качества очистки НВС (сигнализаторы), которые предназначены для автоматического контроля величины нефтесодержания в сточных водах в режиме реального времени, а также предотвращения сброса их при превышении величины 15 млн"1.
В настоящее время на морских судах применяются сигнализаторы, которые косвенно определяют нефтесодержание воды в сбросе, используя для анализа известный принцип турбидиметрии в инфракрасной области спектра.
Он заключается в подсчете количества взвешенных частиц путем измерения степени ослабления светового потока вследствие его рассеяния, отражения и поглощения [94]. Рассеяние подразумевает прямое взаимодействие между световым потоком и взвешенными частицами. При облучении молекул частицы электрическая составляющая излучения образует диполи из-за смещения ядра и электронного облака в противоположные стороны. Смещение пропорционально энергии излучения и поляризуемости электронов молекул частиц, при этом оно максимально в случае наименьшего расстояния между молекулами частицы и электрической составляющей излучения. Таким образом, осциллирующий диполь становится источником электромаг нитного излучения, который испускает свет во всех направлениях с той же частотой, что и исходный луч.
Частицы смеси рассеивают часть исходного излучения с прямолинейного направления, при этом потеря интенсивности связана с рассеивающей силой исследуемой смеси - мутностью (turbidity). Эта величина пропорциональна концентрации частиц в смеси. Согласно модифицированному закону Ламберта - Бера для однородных смесей молярная концентрация составляет [94]:
Таким образом, зная молекулярный вес молекул НП, геометрические размеры прибора и концентрацию НП можно вычислить константу К. Эта константа используется в дальнейшем при расчете соотношения интенсивно-стей исходного и рассеянного света для получения значения концентрации. Инфракрасный излучатель подает монохроматический луч, который проходит через измерительную камеру, представляющую собой вертикально установленную стеклянную трубку (рис. 39), внутри которой снизу-вверх движется анализируемая НВС.
Измерительный фотоприемник, установленный в той же плоскости, но под углом 30 к оси светового луча, измеряет интенсивность отраженного света, пропорциональную концентрации нефти в анализируемой пробе. Примером такого устройства, является прибор типа BWAM S-646 фирмы «Seres» (Франция) [82], который с 1987 г. используется в наших исследованиях НВС в лаборатории кафедры СВЭОС МГУ.
Анализ длительной эксплуатации таких сигнализаторов на морских судах и в нашей лаборатории [95] свидетельствует о том, что при движении анализируемой пробы в стеклянной трубке прибора, последний не реагирует на крупные (диаметром 0,5 - 1,5 мм) единичные капли мазута и занижает истинную величину нефтесодержания.
Он ложно срабатывает при изменении мутности воды из-за наличия в ней примесей, например, водного раствора пенопреобразователя типа ОП-2 или пузырьков воздуха, а также при изменении режима течения (при турбу-лизации потока жидкости).
Среди приборов для измерения нефтесодержания в сбросе льяльных вод на морских судах получили широкое распространение приборы типа СНС-201 [96]. Действие их основано на том же принципе турбидиметрии и заключается в регистрации интенсивности ослабленной части светового потока, прошедшего через эмульсию нефти в воде и поглощенного частицами её мелкодисперсной фазы НП.
В настоящее время на морских судах различного назначения в качестве сигнализаторов используют в основном приборы типа: СНС-201 и АЮФ (Грузия); GESTRA, OCD-1 и OCD-2 (Германия); BWAM S-646 (Франция); FOCAS (Япония) и JOWA (Швеция). Все они не соответствуют новым требо ваниям МАРПОЛа, оговоренным Резолюцией ИМО МЕРС 107 [3], вступившей в силу с 01.01.2005 г.
Примером отечественного сигнализатора предельного нефтесодержа-ния в сбросе может служить прибор типа «Флюорат-411» [97]. Принцип работы его основан на модификации фотолюминесцентного метода [98] количественного анализа нефтепродуктов в НВС.
Молекулы НП подвергнутые облучению излучением фиксированной частоты переходят в возбужденное состояние (переход электронов на более высокий энергетический уровень). В среднем молекула в возбужденном состоянии находится 10"9 с. Далее происходит процесс деактивации, одной из форм которого является флюоресценция, т. е. излучение света (эмиссия фотонов) - что свойственно углеводородам. При данном способе анализа производится замер интенсивности света производимого молекулами ПН и расчет зависимости между измеренной интенсивностью и концентрацией ПН.
Однако на точность определения концентрации НП таким методом влияют такие факторы среды, как вязкость, температура, кислотность, растворенный кислород, а также наличие тяжелых атомов (в особенности галогенов).
Работа прибора иллюстрируется оптической схемой, представленной на рис. 40. Излучение ксеноновой лампы 1, работающей в импульсном режиме, проходит через конденсор 2, выделяющий спектральную область возбуждения, еветоделительную пластину 3 и фокусируется на входном торце волоконно-оптического кабеля 7 - световода. Излучение лампы по возбуждающему волокну световода через его торец попадает в анализируемый поток НВС отливного трубопровода 9 и вызывает его люминесценцию. Излучение люминесценции через торец световода канала регистрации 8 попадает на зеркало 10, а затем через светофильтр 5 - на фотоприёмник регистрации люминесценции 6. Сигнал этого приёмника в сравнении с сигналом от фотоприёмника 4 (опорного канала) при постоянной интенсивности света лампы пропорционален интенсивности люминесценции эмульсии нефтепродуктов и зависит от концентрации нефтепродуктов в воде.
Электрический сигнал от приёмника 4 является сигналом сравнения и служит для учёта нестабильности работы лампы от импульса к импульсу, а также для запуска импульсной электронной схемы регистрации и обработки сигналов.
Сигнализатор соответствует требованиям Резолюции ИМО МЕРС 60(33) [12]. Недостаток его заключается в том, что точная калибровка прибора может отличаться от заводской. Показания сигнализатора зависят от двух параметров НВС - средней концентрации нефтепродуктов и степени их эмульгирования и растворимости в воде. Последний параметр зависит в основном от типа нефтепродукта, технологии процесса подачи и очистки НВС в ФО. Поэтому операция калибровки сигнализатора требуется при его первоначальной установке, т. к. показания прибора для неизменного технологического процесса очистки воды зависят только от концентрации нефтепродуктов.
