CC BY
135
Известия Тульского государственного университета Естественные науки. 2011. Вып. 3. С. 257-261
= Науки о земле =
УДК 665.663.9
Математическое моделирование процесса очистки отработанных масел растворами гуминовых кислот
Ю. Л. Демичева, В. М. Пузырева, Н. В. Пученков
Аннотация. С целью очистки отработанных масел от продуктов старения предложен метод, основывающийся на сорбции загрязнителей раствором гумата натрия. Для описания полученных экспериментальных данных построена регрессионная математическая модель.
Ключевые слова: отработанное масло, гуминовая кислота.
Нефтяные масла находят широкое и разнообразное применение при эксплуатации современной техники. Наряду с моторными маслами, используемыми для смазки двигателей внутреннего сгорания, большое количество масел употребляется для смазки различных машин, механизмов, станков и приборов, в качестве рабочих жидкостей для гидравлических систем разного назначения, для изоляции электрических устройств, обеспечения работы вакуумных насосов и многих других целей [1].
Проблема переработки отработанных масел остро стоит во всем мире, так как по сравнению с другими углеводородами отработанные масла значительно загрязняют биосферу. В отличие от нефти и нефтепродуктов, отработанные масла в гораздо меньшей степени обезвреживаются естественным путем (окисление, биоразложение, фотохимические реакции). В процессе эксплуатации в маслах из-за термического разложения и окисления накапливаются асфальто-смолистые соединения, различные соли и кислоты, частицы сажи, поверхностно-активные вещества, частицы металлов [2].
На современном этапе развития российской промышленности весьма важным и актуальным является вопрос вовлечения в производство вторичного сырья, а именно, отработанных масел, которые представляют собой сырьевую базу для получения ценных нефтепродуктов при надлежащей переработке. Среди различных направлений использования отработанных масел наиболее важное место отводится методам очистки (регенерации) — полного восстановления их первоначальных свойств с целью повторного использования по прямому назначению.
Нами предложен метод по восстановлению отработанных индустриальных масел растворами гумата натрия. Эффективность процесса регенерации отработанных масел зависит от показателей качества исходного сырья (отработанных масел) и соответственно от условий проведения процесса. Было изучено влияние таких параметров проведения процесса регенерации отработанных масел, как продолжительность процесса, количество вводимой гуминовой кислоты, концентрации щелочи для приготовления раствора гумата натрия и температуры.
Для оценки результативности проведения процесса регенерации масел их качество оценивалось по следующим показателям: кислотное число, температура вспышки, вязкость. По таким показателям как вязкость и температура вспышки восстановленное масло отвечает, предъявляемым к нему требованиям. Основным показателем, характеризующим качество масла, является его кислотное число, поэтому во всех проводимых опытах измерялся именно этот показатель.
В процессе работы было установлено, что применение гуминовой кислоты в чистом виде для регенерации масел не дает практических результатов, т.к. практически отсутствует эффект смешивания и растворения в системе «масло — гуминовая кислота». Выполненный цикл лабораторных работ и теоретических исследований позволил установить, что для обеспечения рабочих сорбирующих свойств гуминовой кислоты необходимо провести ее структурные изменения на макро молекулярном уровне, путем ее предварительного растворения в водных растворах щелочи.
Пробы масел обрабатывались щелочными растворами гуминовых кислот различной концентрации: 1, 3 и 5 % (масс) гуминовых кислот в щелочи с концентрацией 0,25, 0,5 и 1 % (масс), затем пробы перемешивались от 5 до 30 мин, а также подвергались термостатированию при температуре от 30 до 70°С. Опыты проводились в отношении отработанного индустриального масла И20А, турбинного и смеси индустриальных масел И20А и И40А. В результате было проведено 135 опытов при различных сочетаниях вышеуказанных факторов. Измерялось значение кислотного числа после очистки в мг КОН/г (или степень очистки в %).
Для примера рассмотрим смесь отработанного индустриального масла марок И20А и И40А. Так как количество экспериментальных данных достаточно большое, то для наглядности представим лишь часть, при которых получен лучший результат очистки (табл.1). Это концентрация щелочи 1%, концентрация гуминовой кислоты 3%, значение кислотного числа до очистки 0,84 мг КОН/г.
Для описания полученных экспериментальных данных была составлена регрессионная математическая модель первого порядка. Для оценки точности регрессионных моделей рассматривался показатель Б2 —
отношение суммы квадратов отклонений, обусловленных регрессией к сумме квадратов отклонений относительно среднего наблюдений.
Регрессионная модель первого порядка задавалась уравнением:
У = Ко + КХ + К2Х2 + К3Х3 + К4Х4, (1)
где У — степень очистки, а Ко, К\, К2, К3, К4 — коэффициенты, которые
необходимо найти. При этом значения параметров изменялись следующим образом:
Х1 (температура смеси в реакторе, °С): 30; 50; 70;
Х2 (время перемешивания, мин.): 5; 10; 15; 20; 30;
Х3 (концентрация гуминовой кислоты, %): 1; 3; 5;
Х4 (концентрация щелочи, %): 0,25; 0,5; 1.
С помощью программы БРЯБ были определены коэффициенты
регрессионной модели: К0 = —39, 338, К1 = 0, 899, К2 = 0, 23, К3 = 5, 213, К4 = 63, 534.
В табл. 1 дано сравнение экспериментальных и расчетных значений степени очистки.
Таблица 1
Экспериментальные и расчетные значения степени очистки отработанного
масла
Время перемешивания, мин Температура, С Кислотное число после отстаивания Степень очистки, У % эксп /и Степень очистки, У % расч /и Величина отклонения |Уэксп Урасч|, %
15 30 0,42 50 52,35 4,7
20 0,38 55 54,63 0,68
30 0.36 57 59,18 3,82
15 50 0,36 57 56,93 0,12
20 0,30 64 59,21 7,49
30 0,27 69 63,76 7,6
15 70 0,27 68 61,51 9,54
20 0,27 68 63,79 6,2
30 0,25 70 68,34 2,38
Кроме того, в работе были получены коэффициенты линейной регрессионной модели первого порядка для турбинного масла с кислотным числом до очистки 0,56 мг КОН/г и для индустриального И20А с кислотным числом 0,2 и 0,84 мг КОН/г (см. табл. 2).
Установлено, что коэффициенты регрессионной модели зависят от величины кислотного числа до очистки масла. На основе этого были получены зависимости, которые с достаточной для первоначального анализа степенью точности аппроксимируют коэффициенты модели в диапазоне
Таблица 2
Значения коэффициентов регрессионной модели
Кислотное число до очистки, мг КОН/г Ко К1 К2 Кз К4 Я2
0,20 1,956 0,455 0,229 2,417 29,450 0,76
0,56 -33,347 0,752 0,237 4,667 69,312 0,90
0,84 -39,338 0,899 0,230 5,213 63,534 0,86
изменения кислотного числа £ от 0,2 до 1,0.
Ко = 171£2 — 113,3£ — 23, 51,
К1 = —0, 82£2 + 0,16£ + 0, 899,
К2 = —0,075£2 + 0,076£ + 0,217, (2)
Кз = —10,18£2 + 6, 224£ + 4, 375,
К4 = —247, 5£2 + 204,1£ + 32, 6.
Таким образом, обобщенная регрессионная модель первого порядка для отработанных масел выглядит следующим образом
У = Ко(£) + К1(£)Х1 + К2 (£)Х2 + Кз(£)Хз + ШХ (3)
где У — обобщенная оценка, а К0(£), К1(£), К2(£), К3(£), К4(£) — коэффициенты из (2).
Например, при £ = 0, 97 мг КОН/г значения по модели получается 38%, а фактическое значение составило 31% (при времени перемешивания 15 минут, температуре 25°С, концентрации гуминовой кислоты 3% и концентрации щелочи 1%).
Таким образом, в работе приведена методика построения математических моделей для описания процессов очистки отработанных масел. Получены регрессионные модели, которые дают высокую точность результатов и имеют высокую корреляцию с фактическими данными. Используя приведенную в статье модель можно провести предварительную оценку степени очистки отработанных масел без проведения натурных экспериментов.
Список литературы
1. Каменчук Я.С. Отработанные нефтяные масла и их регенерация (на примере трансформаторных и индустриальных масел). Автореферат диссертации. Томск, 2007.
2. Евдокимов А.Ю., Фукс И.Г. Утилизация отработанных смазочных материалов: технологии и проблемы // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2004. №2. С.9-11.
Демичева Юлия Львовна ([email protected]), ассистент, кафедра аэрологии, охраны труда и окружающей среды, Тульский государственный университет.
Пузырева Вера Михайловна ([email protected]), к.т.н., доцент, кафедра аэрологии, охраны труда и окружающей среды, Тульский государственный университет.
Пученков Николай Валентинович ([email protected]), к.т.н, эксперт ООО «Бизнес перспектива», Тула.
The simulation of the purification of waste oil by solutions of
humic acids
J.L. Demicheva, V. M. Puzyreva, N.V. Puchenkov
Abstract. For the purpose of purification of waste oil from aging products it is presented a method based on the sorption of pollutants with help of sodium humate. The model of linear regression is created to describe the experimental data.
Keywords: waste oil, humic acid.
Demicheva Julia ([email protected]), assistant, department of physics of atmosphere, labour and environmental protection, Tula State University.
Puzyreva Vera ([email protected]), candidate of technical sciences, associate professor, department of physics of atmosphere, labour and environmental protection, Tula State University.
Puchenkov Nikolay ([email protected]), candidate of technical sciences, expert, «Business Outlook», Tula.
Поступила 12.09.2011
