Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор и анализ методов и средств для разделения смесей, содержащих устойчивые эмульсии
1.1. Методы и средства разделения загрязнённых устойчивых эмульсий
1.1.1 . Физико-механические методы разделения '
1.1.2. Физико-химические методы 25
1.1.3. Биологические методы 28
1.1.4. Термические методы 29
1.2. Описание конструкций и методик расчёта струйных аппаратов
1.2.1. Классификация струйных аппаратов 29
1.2.2. Методы расчётов струйных аппаратов 30
38
ГЛАВА 2. Аналитические исследования процессов разрушения и коалисценции устойчивых эмульсий в результате гидродинамических воздействий
2.1. Устойчивость эмульсий нефтепродуктов. Причины её возникновения
2.2. Механизмы разрушения бронирующих оболочек в струйном аппарате
2.3. Процесс коалесценции капель разрушенных устойчивых эмульсий
2.4. Расслоение разрушенных устойчивых эмульсий ->8
ГЛАВА 3. Аналитические исследования гидродинамики и разработка математической модели струйного аппарата с регулируемой гидродинамикой
3.1. Математическая модель струйного аппарата с регулируемой гидродинамикой для разделения устойчивых эмульсий
3.2. Определение оптимальных конструктивных параметров по результатам математического моделирования струйного аппарата
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований процессов разделения устойчивых эмульсий в многофункциональном струйном аппарате с регулируемой гидродинамикой
4.1. Конструкция экспериментальной установки и струйного аппарата для разделения устойчивых эмульсий
4.2. Результаты экспериментальных исследований по разделению маслосодержащих эмульсий
4.3. Результаты экспериментальных исследований по разделению сильнозагрязнённых мазутосодержащих эмульсий
Основные результаты и выводы 115
Список использованной литературы
- Физико-механические методы разделения
- Механизмы разрушения бронирующих оболочек в струйном аппарате
- Определение оптимальных конструктивных параметров по результатам математического моделирования струйного аппарата
- Результаты экспериментальных исследований по разделению маслосодержащих эмульсий
Введение к работе
Предприятия текстильной и химической промышленности используют технологические процессы, при проведении которых образуются устойчивые маслосодержащие эмульсии. Утилизация таких эмульсий связана со значительными трудностями и материальными затратами, а также сопровождается загрязнением окружающей среды.
Кроме того, около 60% предприятий текстильной и химической промышленности для обеспечения своих производственных нужд оснащены собственными котельными, резервным топливом которых является мазут. При длительном хранении на дне емкостей для хранения мазута образуется густой осадок, состоящий из затвердевшего до асфальтоподобного состояния мазута, твёрдых примесей и застаревших обратных мазутных эмульсий, достигающий 1,5 метров в высоту. Такой состав осадка не позволяет как-либо его использовать или перерабатывать, а подлежит захоронению (более того, сам процесс извлечения этого осадка из мазутного бака очень трудоёмок). Аналогичным образом приходится поступать со значительно загрязнённым маслом.
Регенерация указанных отходов с возвратом ценных составляющих в производство является актуальной задачей и способствует повышению экологической и экономической эффективности производства.
Целью диссертационной работы является разработка методики, инженерных методов расчёта, математических моделей и аппаратурного оформления установок для разделения загрязнённых механическими примесями устойчивых эмульсий и регенерации входящих в них веществ. Научная новизна работы: • предложен новый метод разделения загрязнённых эмульсий с использованием многофункционального струйного аппарата с регулируемой гидродинамикой;
• получены математические модели разрушения эмульсий и коалесцен-ции веществ в струйном аппарате;
• разработано математическое описание гидродинамики струйного аппарата для разделения сильно загрязнённых устойчивых эмульсий.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
- Разработаны инженерные методы расчёта аппаратов, предназначенных для разделения сильно загрязнённых устойчивых эмульсий;
- Созданы типовые конструкции многофункциональных струйных устройств с регулируемой гидродинамикой для регенерации исходных продуктов из сильнозагрязнённых эмульсий;
- Созданные установки для регенерации веществ из устойчивых загрязнённых эмульсий прошли успешные испытания и были внедрены на Волгоградской ТЭЦ-1, Ставропольской ГРЭС, Краснодарской ТЭЦ и Волжской ТЭЦ (акт внедрения приводится в Приложение 1);
- Разработаны рекомендации по дальнейшему использованию установок для регенерации исходных веществ из различных смесей и эмульсий.
Обоснованность научных положений и выводов подтверждается корректностью применяемых математических положений и выводов, хорошим согласованием экспериментальных результатов и теоретических исследований.
Основные результаты работы докладывались на Международных конференциях по химии и химической технологии «Успехи в химии и химической технологии» (2004-2005г.г.), на Всероссийских конференциях «Современные технологии и оборудование текстильного производства» (Текстиль 2004 и Текстиль 2005).
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ.
Диссертация состоит из четырёх глав. В первой главе анализируются существующие исследования и разработки различных методов очистки и разделения смесей, содержащих устойчивые эмульсии. Во второй главе из ложены результаты аналитических исследований процессов разделения устойчивых эмульсий в струйном аппарате в результате гидродинамических воздействий, заключающихся в деформации и разрушении бронирующих оболочек глобул воды с их последующей коалесценцией. В третьей главе представлены аналитические исследования гидродинамики в струйных аппаратах для регенерации исходных продуктов, содержащихся в устойчивых эмульсиях, результатом которых стала разработка математической модели струйного аппарата. В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований разработанного струйного аппарата.
Физико-механические методы разделения
При очистке нефтеналивных танкеров применяется гидрокавитационный метод очистки. Образующиеся в процессе эксплуатации нефтеналивных танкеров и топливных танков судов осадочные отложения, по своему составу чрезвычайно разнообразны и представляют собой сложные системы, состоящие из нефтепродуктов, воды и механических примесей, соотношение которых колеблется в очень широких пределах.
С течением времени происходит старение осадочных отложений за счет "вымывания" легких фракций, окисления и осмолення нефти, перехода асфальтенов и смол в другое качество, образования коллоидно-мицеллярных конгломератов, попадания дополнительных механических примесей органического и неорганического происхождения. Устойчивость к разрушению таких сложных многокомпонентных дисперсных систем многократно возрастает, а обработка и утилизация их представляют одну из труднейших задач. При применении этой технологии, несмотря на использование в системе насоса высокого давления, сам объект очистки воздействия высокого давления не испытывает. Кавитационный эффект способен разрушать, в т.ч. высокотвердые отложения такие, как карбонат железа, не разрушая и не повреждая внутренней поверхности даже ветхих труб [22].
Недостатком такого разделения эмульсия является необходимость последующей обработки размытых твёрдых отложений и не полностью разрушенных эмульсий, что требует дополнительных затрат. 1.1.2. Физико-химические методы
Методы основаны на поглощении или химическом соединении одного из веществ, образующих эмульсию.
Сорбционная очистка. В качестве поглотителя компонентов составляющих эмульсию используются различные природные и синтетические сорбенты.
Выбор сорбентов для систем разделения эмульсии зависит от химического состава разделяемых веществ. В [23,24] приводятся критерии оценки сорбентов, основанные на проведенных лабораторных исследованиях. Способ реализован в целом ряде аппаратов различных конструкций.
Исследование сорбционных фильтров проведено Демиховым СИ. [25]. Рассмотрены различные варианты конструкции фильтра, проведены их исследования и выбор конструкционных параметров фильтра, соответствующих максимальной эффективности фильтрующей системы в разделении нефтесодержащих эмульсии. На основании экспериментального исследования очистки воды в разных динамических условиях и общего представления о режимах течения жидкости в полостях разного сечения найдено новое конструкционное решение фильтра.
К основным недостаткам сорбционных методов очистки следует отнести: недостаточный объем выпуска сорбентов и их высокая стоимость.
Коагуляция. Для разделения эмульсий может также применяться метод коагуляции. При разделении эмульсий, содержащих нефтепродукты, в качестве коагулянтов преимущественно применяются соли алюминия и железа. . Для повышения эффективности процесса наряду с основными коагулянтами в воду дозируются, вспомогательные, в основном, полиэлектролиты. Фирмой "Dearborn" разработан органический коагулянт, имеющий структуру танина. Он эффективно снижает концентрацию органических примесей, в частности нефтепродуктов. Доза коагулянта составляет 25...40 мг/л [26].
Флокуляция. К флокулянтам относят ППС, ВПК-. 101, ВПК-402, эпафлок и др. Эффект очистки колеблется в пределах 70...95 % при дозах флокулянта 3...10 мг/л [27].
По результатам проведенных лабораторных и производственных исследований по очистке сточных вод нефтеперерабатывающих заводов от взвешенных веществ и нефтепродуктов с помощью катиониых флокулянтов ППС, ВПК-101 н ВПК-402, КР [28], получено, что при применении флокулянта на основе полиакриламида совместно с сульфатом алюминия сокращается расход последнего (с 68...106.5 до 20...25 г/м ) и количество образующегося шлама (с 1,5...6 до 0,5...2.5 %); снижается содержание солей в очищенной сточной воде (в среднем на 6,5 %) и шламе, исключается расход щелочи для подщелачивания обрабатываемой воды (рН рабочих растворов катионного флокулянта - 9...9,2), а также обеспечивается высокая степень очистки сточных вод от нефтепродуктов и взвешенных веществ (остаточная концентрация соответственно - 2,8...12,8 и 0,2...22,8 г/м3) [29].
Механизмы разрушения бронирующих оболочек в струйном аппарате
Методики расчета струйных аппаратов и их математические модели приводятся в работах [44-63].
В [64] представлена математическая модель аппарата, в основу которой положена задача смешения несжимаемой активной и пассивной жидкостей. Указанная задача решалась численными методами. При этом исследовалось влияние соотношения входных скоростей, плотностей рабочих жидкостей, геометрических характеристик сопла, камеры смешения и выходного диффузора на коэффициент смешения и гидравлический КПД струйного аппарата.
Принципиальная схема струйного аппарата приведена на рис. 1.11. Рис. 1.11. Принципиальная схема струйного аппарата. Традиционный метод описания гидродинамических процессов, происходящих в струйном аппарате, предназначенном для смешивания и транспортировки, осуществляется следующим образом.
Для двумерного установившегося течения в струйном аппарате используется уравнение сохранения количества движения в виде ди ди dp 1 д а ди , , а pu- -p-D— = --f- + — --[w Л -и(ри) -у ], (1.3) дх ду ах уа ду ду а также уравнение неразрывности:
Основным результатом является перепад давления для пассивного потока, в соответствии с сечениями приведёнными на рис. 1.11. : Щ2 =Р5 Рг = Р - 0 - П(1 - Ю)0 -Q.(\-5xW)) (СТ + Сд№ + (1 - &)& х W){C1 + (1- 0)W) - Свх х $ х w где Pj = РІС + 0,5pi Dj2; Pjc и 0,5р,- и;2 - полное статистическое и динамическое давления в і-м - сечении эжектора; pi и р2 - плотности активного и пассивного потоков; 8= pi/ р2 - относительная плотность пассивного потока; Щ = Qo / So и и3 = Cb / S3 - скорости активного потока на срезе сопла и пассивного потока на входе в камеру смешения; W= т 3 / VQ - относительная скорость пассивного потока на входе в камеру смешения; So и S3 - площади поперечных сечений на срезе сопла и камеры смешения; Q0 и Q3 -расходы через сопло и на входное сечение камеры смешения; Q.= So / S3 -относительная площадь сечения сопла; вх , С,д , т - коэффициенты сопротивления входа в камеру смешения, самой камеры смешения и диффузора [1].
Относительное повышение полного давления у пассивного потока в эжекторе: = - Х——[1-(1-0(1 -W))(l-Cl{l-S х W)) ДР12 /3(l + Cc) , (1.6) - (т + ЇД XQ + О" П)ЯГ№ + {\-Q.)W)-ZBXSW2] где Р = 1- jSW2 ; j - коэффициент учитывающий положение сопла относительно смесительной камеры; С,с - коэффициент сопротивления сопла. Коэффициент эжекции определяется из уравнения a = Q±=X—W (1.7) a Q
Тогда главная характеристика эжектора и зависимость относительного повышения полного давления у пассивного потока от коэффициента эжекции определяется из уравнения
Это уравнение позволяет рассчитывать оптимальное отношение сечений струйного аппарата (сопла и камеры смешения) [1].
Соотношение площадей сопла и камеры смешения, которое обеспечивает предельно достижимый оптимальный относительный перепад полного давления при данном коэффициенте эжекции определяется из условия dAP52 / d(fpi/ Гз)=0. Откуда следует, что: (1.9) где n = - - = — / (—-1); ф2, Фз, Ф4 - соответственно, коэффициенты скорости камеры смешения, диффузора и входа в камеру смешения струйного аппарата.
Одной из основных геометрических характеристик, определяющих эффективность работы струйного аппарата, является расстояние ІС] от среза сопла до входного сечения камеры смешения.
Для традиционного струйного аппарата расстояние ІС] определяется по приближенным формулам: при коэффициенте эжекции СС 0,50 (в пределах начального участка струи):
Определение оптимальных конструктивных параметров по результатам математического моделирования струйного аппарата
Деформация и разрушение бронирующих оболочек глобул воды в струйном аппарате происходит благодаря турбулентным пульсациям скорости движущегося потока, масштаб которых Л не превышает характерного размера капли (диаметра капли dK).
Турбулентные пульсации способствуют протеканию в объёме потока следующих процессов: ослабления бронирующих оболочек и межмолекулярных связей между компонентами бронирующих оболочек, снижения прочности и разрушения оболочек в результате их деформации при дроблении капель, улучшения условий взаимного столкновения и коалесценции в связи с возникновением турбулентных пульсаций разной интенсивности.
В случае неравномерности пульсаций в турбулентном потоке возникают зоны, в которых возможно существование капель воды различных диаметров. Попадая в область более высоких градиентов скоростей, где существуют капли определенного критического диаметра, крупные капли испытывают тенденцию к дроблению. Выходя в зоны более низких градиентов и меньших масштабов пульсаций, они будут объективно испытывать тенденцию к слиянию. Это обусловливает существование в потоке эмульсии целого спектра диаметров капель воды и объясняет причину поступления в отстойную аппаратуру установок для их разделения явно неоднородной эмульсии, что приводит к снижению эффективности процессов отстаивания. Поэтому при разработке струйного аппарата необходимо добиваться максимально возможной равномерности пульсаций в турбулентном потоке.
Для определения процессов происходящих с каплей в струйном аппарате рассмотрим, как осуществляется движение капли в большом объёме. Капля в таких условиях обладает подвижностью поверхности. При этом поверхность движется в направлении от передней подвижной точки к корме капли под действием срезающих усилий и внутренней циркуляции жидкости в капле (рис.2.1).
Если вязкость сплошной фазы велика, циркуляция внутри капли может происходить при любом значении критерия Рейнольдса для капли и наблюдается даже при Re=0,0003. Очень мелкая капля имеет почти сферическую форму, но уже при диаметре 2-КЗ мм ее форма заметно отличается от сферической. Скорость осаждения такой капли намного отличается от соответствующей скорости для сферической капли. Несферичность капли обусловлена давлением, вызываемым ее движением в сплошной фазе и приводящим к увеличению фронтальной поверхности капли. Крупные капли имеют нестабильную форму, приближающуюся к сплющенной эллипсоидальной, особенно, при малой вязкости сплошной фазы [94].
Капли периодически осциллируют, принимая последовательно шарообразную и эллипсоидальную форму. Форма очень крупных капель становится неопределенной, осцилляция их совершенно беспорядочна. Форма и осцилляция капель, в конечном счете, влияют на скорость осаждения, которая достигает максимума или проходит через максимум. Соответственно увеличивается и коэффициент трения, который с некоторого значения начинает превышать коэффициент трения для твердой частицы. Величина максимума зависит от физических свойств жидкости.
Основная характеристика рассматриваемого движения одиночной капли - ее предельная скорость. Уравнение Адамара - Рыбчинского представляет собой видоизмененное уравнение Стокса. Оно относится к случаю медленного движения сферических капель в вязкой жидкости и действительно для более крупных размеров капель по сравнению с областью применения уравнения Стокса:
Этот результат имеет простой смысл: благодаря подвижности поверхности раздела градиенты скоростей, существующие в жидкости, меньше, чем градиенты скоростей при твердой границе раздела. Поэтому скорость падения капли должна быть больше скорости падения твердого шарика при прочих равных условиях.
Все приведенные рассуждения относились к движению одиночной сферы в полубесконечном пространстве. В действительности в эмульсиях движение одиночной частицы происходит при наличии бесконечного числа однородных и неоднородных частиц разных размеров. Если для частицы очень малых размеров ее движение подчиняется закону Стокса, то для частицы больших диаметров этот закон будет нарушен. Движение капли средних размеров происходит не по прямой линии, а по ломаной. При наличии в жидкости частиц больших размеров, двигающихся с большой скоростью, при определенных числах Рейнольдса происходит частичный срыв пограничного слоя с поверхности частицы. Это приводит к резкому ухудшению условий обтекания тела частицы. Благодаря срыву ламинарного слоя изменяется распределение давления по поверхности тела. Происходит деформация жидких частиц, если силы воздействия оказываются больше силы поверхностного натяжения, которая стремится придать жидкой частице форму шара. Частицы оторвавшегося пограничного слоя создают завихрения в следе. При движении частиц больших размеров в их следе образуются также завихрения за счет срыва пограничного слоя.
Эти завихрения нарушают равномерное движение частиц малых размеров. Они попадают из зоны ламинарного движения в зону турбулентного вихревого движения. Таким образом, нарушается принцип расчета времени всплытия или опускания этих частиц.
Результаты экспериментальных исследований по разделению маслосодержащих эмульсий
Имеется много методов технологического расчета горизонтальных динамических отстойников, основанных на экспериментально полученных эмпирических зависимостях, связывающих время отстаивания, необходимое для получения требуемого эффекта осветления сточных вод, и скорость осаждения (всплытия) тех частиц, которые должны быть задержаны в отстойнике. Эти зависимости можно представить в виде: Т = ———, (2.27) ("0 - w) где Т - время отстаивания; Н - рабочая высота проточной части отстойника; UQ - наименьшая скорость осаждения задерживаемых частиц в сточной воде, находящейся в состояний покоя; w - добавочное сопротивление, испытываемое оседающей частицей при движении воды в отстойнике где к - коэффициент пропорциональности; v - скорость потока (рис. 26); Н - глубина потока; х и у - эмпирические коэффициенты.
По данным ряда исследователей (М. А. Великанова, А. И. Гостунского, В. Г. Глушкова, Д. Я. Соколова, С. Ф. Савельева и др.), значение этих коэффициентов колеблется в пределах: к=0,05—1,5; х=0.075-1, у=0,2—0,5.
В соответствии со сложившимися ранее теоретическими представлениями об оптимальных условиях считалось, что коалесценция глобул воды в отстойной аппаратуре достигается в основном в результате, так называемого, эффекта дождевания. Под эффектом дождевания имелся в виду процесс укрупнения мелких глобул по типу цепной реакции и захвата мелких капель крупными при прохождении последних через слой эмульсии из верхней ее зоны в нижнюю часть.
Исследования, посвященные изучению коалесценции и осаждения капель пластовой воды в водонефтяной эмульсии [119], не подтвердили этих предположений и теоретических расчетов.
Для системы «вода в нефтепродуктах» характерно отсутствие пересечения траекторий жидких частиц с поверхностью крупной капли, за исключением тех случаев, когда траектории их движения близки к центральной линии, являющейся продолжением диаметра крупной капли. Поэтому размер зоны эффективных контактов частиц с каплей и их число по отношению к максимально возможным оцениваются в данном случае величиной около 5%.
Такой характер взаимодействия капель воды в отстаивающихся нефтепродуктах оказывает стабилизирующее воздействие на эмульсию и объясняет причины отсутствия эффекта дождевания в отстойной аппаратуре. Проведенный анализ показал, что уменьшение числа столкновений особенно существенно в случае значительного отличия в размерах сталкивающихся капель. Поэтому при расчете коалесценции капель водонефтяных эмульсий в условиях покоя необходимо вводить поправку в выражения для частоты контактов, величина которой всегда меньше единицы.
Основное влияние на скорость осаждения капель оказывает разность плотностей фаз эмульсии, диаметр капель и вязкость сплошной среды.
Процесс отстаивания происходит неравномерно во времени. Первое время он происходит очень медленно, затем быстрее и в конце отстаивания процесс всплытия нефтяных частиц опять замедляется. Первый этап можно объяснить продолжающейся подачей разрушенной и коалесцированной эмульсии в отстойник, что существенно замедляет процесс всплытия мелких частиц. Архимедовы силы настолько малы, что частица не может противостоять общему направлению потока. Второй этап наступает после прекращения движения смеси. Здесь начинают преобладать гравитационные силы. Чем выше концентрация вещества в объеме воды, тем больше вероятность коалесценции отдельных его частиц и тем интенсивнее идет отделение этого вещества от воды. Третий этап наступает, когда основная масса вещества отделилась, все крупные частицы всплыли и остались очень мелкие частицы, скорость движения которых очень мала.
Для полного разделения эмульсии необходимо создать наилучшие условия отстаивания. В процессе отстаивания капли нефти образуют сплошной слой нефти, при этом на границе раздела нефтепродукты-вода капли как бы останавливаются и, в зависимости от их размеров, величины межфазного натяжения, чистоты межфазной поверхности могут в течение определенного времени (от доли секунд до десятков минут) находиться на этой границе до момента слияния со сплошной фазой.
Из закона Стокса следует, что ускорить процесс осаждения можно путем увеличения разности плотности нефти и воды, уменьшением вязкости среды, увеличением размеров капель. Первые два параметра связаны с температурой эмульсии. При изменении температуры разность плотности воды и нефти изменяется менее интенсивно, чем изменение вязкости, которая может изменяться в десятки раз [86].
Процесс отстаивания существенно зависит от гидродинамического режима отстойника, который, в свою очередь, определяется вязкостными свойствами дисперсионной среды, дисперсионной фазы и конструктивными особенностями аппарата.
В процессе отстаивания капли нефти могут приближаться друг к другу вследствие разности скоростей всплывания, либо за счет диффузионных механизмов. При благоприятных условиях эти капли могут коалесцировать, что приводит к укрупнению капель и увеличению скорости их всплывания (осаждения).
