Методика расчета тонкослойных модулей нефтеловушки на основе метода баланса мощностей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 628.34

М ЕТОДИКА РАСЧЕТА ТОНКОСЛОЙНЫХ МОДУЛЕЙ НЕФТЕЛОВУШКИ НА ОСНОВЕ МЕТОДА БАЛАНСА МОЩНОСТЕЙ

Е.А. МАКСИМОВ, доцент, к.т.н. В.И. ВАСИЛЬЕВ, доцент, к.т.н.

Южно-Уральский государственный университет (Россия, 454080 Челябинск, проспект Ленина, 76) E-mail: [email protected]

Для описания процесса уплотнения шлама в тонкослойном модуле нефтеловушки предложено использовать энергетическое условие баланса мощностей. Установлено, что энергетическое условие баланса мощностей позволяет установить связь между параметрами процесса уплотнения шлама в шламоуплотнителе: геометрическими, кинематическими и реологическими параметрами, удельной силой трения частиц шлама о стенки шламоуплотнителя, удельным весом шлама.

Цель настоящей работы заключается в определении параметров тонкослойных модулей и размеров самого отстойника с помощью энергетического метода баланса мощностей, обеспечивающих требуемый эффект очистки.

Ключевые слова: расчёт тонкослойного модуля нефтеловушки, механика сплошной среды, энергетическое условие баланса мощностей.

Для всех видов нефтесодержащих сточных вод характерно присутствие в них нефтепродуктов, которые могут находиться в сточной воде в эмульгированном состоянии, а также выпадать в виде осадка. Кроме нефтепродуктов, для рассматриваемых сточных вод обычно характерно присутствие различных взвешенных веществ. Содержание нефти и механических примесей в сточных водах колеблется в значительных пределах и в среднем составляет от 500 до 16000 мг/л и более, содержание солей составляет от 5-270 мг/л. Среднее остаточное содержание нефти и взвешенных веществ в осветленной воде соответственно составляет до 110 мг/л и до 35 мг/л [1-4].

Для очистки нефтесодержащих сточных вод на нефтепромыслах, нефтеперерабатывающих заводах и других предприятиях нефтяной промышленности широко применяются различного вида нефтеловушки.

Конструкции и размеры нефтеловушек определяются по количеству и характеру сточных вод, подлежащих очистке [5-8].

Для очистки нефтесодержащих сточных вод находят применение нефтеловушки с тонкослойными модулями, в которых рабочий объем разделен наклонными пластинами на отдельные зоны отстаивания — ярусы, в которых происходит отставание. При этом коэффициент использования объема составляет 80-85%. Продолжительность процесса очистки значительно меньше, чем в традиционной нефтеловушке.

В нефтеловушках пластины объединены в тонкослойные модули, которые устанавливаются в зоне отстаивания. В зависимости от направления

движения рабочего потока воды и шлама возможны три схемы работы нефтеловушки:

• перекрестная, когда шлам сползает по наклонной пластине перпендикулярно движению потока воды,

• противоточная, когда шлам сползает в направлении противоположном движению потока воды,

• прямоточная, когда в направлении сползания шлам и движение потока воды совпадают.

В настоящее время для очистки нефтесодержа-щих сточных вод наибольшее распространение получили нефтеловушки с перекрестным и противоположным движением потока воды и шлама.

Схема нефтеловушки с перекрестным движением потока воды и шлама представлены на рис. 1.

Распределённый по поперечному сечению рабочей зоны поток воды поступает в пространство, разделенное параллельными пластинами тонкослойного модуля на ярусы. При движении рабочего потока между параллельными пластинами тонкослойного модуля выделяется тонкодисперстная нефть и загрязнения в виде шлама Частицы нефти всплыва-

Рис. 7. Схема нефтеловушки: 1 — шламоуплотнитель; 2 — полупогруженная перегородка; 3 — вводной патрубок; 4 — щелевая перегородка; 5 — поворотная труба; 6 — скребковый транспортер; 7 — выводной патрубок; 8 — тонкослойный модуль; 9 — патрубок выгрузки шлама

ют к верхним пластинам тонкослойного модуля, укрупняются и поднимаются вверх по образующим пластин. Затем поднимаются на поверхность воды в нефтеловушке. Шлам, выделяющийся на образующих пластин тонкослойного модуля, сползает на дно нефтеловушки. Со дна нефтеловушки шлам сгребается скребковым транспортером и перемещается в шламоуплотнитель, из которого удалятся через патрубок выгрузки шлама. Задержанная в нефтеловушке нефть удаляется через поворотную трубу.

Поток очищенной воды после тонкослойного модуля проходит под полупогружённой перегородкой и переливается через водослив в отводящий лоток, из которого отводится за пределы нефтеловушки.

Шлам, выпавший на дно ловушки и перемещённый в шламонакопитель, обычно содержит взвешенные вещества (кварц, карбонаты, глину, полевой шпат и др.) различного гранулометрического состава, а также тяжёлые нефтепродукты (битумы и др.).

В нефтеловушках горизонтального типа шламо-накопитель имеет пирамидальное дно с наклоном граней 45-50° к горизонту.

Цель настоящей работы заключается в определении параметров тонкослойных модулей и размеров самого отстойника с помощью энергетического метода баланса мощностей, обеспечивающих требуемый эффект очистки.

К расчётным параметрам относятся: площадь отстаивания, угол наклона и длина пластин модуля. Расстояние между пластинами, их ширина, концентрация взвеси после очистки не рассчитываются, так как эти параметры зависят от типа конструкции тонкослойного модуля отстойника.

Площадь поперечного сечения отстойной камеры нефтеловушки определим в виде:

я

^' (1)

¥б = В 0 Я 0 =

где В0 — ширина отстойника; Н0 — высота отстойной и распределительной частей нефтеловушки; VG — допустимая средняя скорость горизонтального движения между полками тонкослойного модуля; К — коэффициент, учитывающий стеснение живого сечения.

Коэффициент, учитывающий стеснение живого сечения, запишем в виде:

К =

2 И - р 2 И

(2)

где 2h — расстояние между полками, рекомендуется принимать 0,03-0,5 м; р — толщина полок.

Для отстойной части длину полок тонкослойного модуля нефтеловушки определим в виде:

1ТМ =Ф

К 2 И

(3)

и со8 а

где V — горизонтальная скорость движения воды; и — гидравлическая крупность частиц; а — угол наклона полок (рекомендуется принимать 50-60°); ф=1,6 — коэффициент, учитывающий влияние параметров, тормозящих осаждения частиц.

При расчёте тонкослойного отстойника нефтеловушки необходимо проверять критерий Рейнольдса:

Кг V

Кг , (4)

где V — кинематическая вязкость воды; RG — гидравлический радиус яруса тонкослойного модуля.

Гидравлический радиус полок тонкослойного модуля, запишем в виде:

^ = - ,

(5)

где F=2hb — площадь живого сечения яруса тонкослойного модуля; х=2^+Ь) — смоченный периметр; Ь — ширина полок яруса.

Полная длина тонкослойного отстойника нефтеловушки может быть определена в виде:

Ь 11 +12 +1ТМ ' '-з,

(6)

где 11 — длина от входного патрубка до распределительной решетки; 12 — длина от распределительной решетки до тонкослойного модуля; 13 — длина от тонкослойного модуля до конца отстойника.

Длины частей 11, 12, 13 отстойника определяются из таблицы.

Глубину осадочной части отстойника нефтеловушки рекомендуется принимать в пределах 1,01,5 м из условий обеспечения уплотнения осадка и размещения устройства для его удаления.

Для учёта соотношения между Н0, В0 и h в расчётные формулы необходимо вводить коэффициент:

¡1 + 12 +

(7)

Параметры для расчёта длины тонкослойного отстойника

т =

I

р

Длина частей отстойника Обозначение Для Н <2,0 м Для H >2,0 м

Длина от входного патрубка до распределительной решетки 11 0,5Н 0,5Н

Длина от распределительной решетки до тонкослойного модуля К (1-2)Н (0,5-1,0)Н

Длина от тонкослойного модуля до конца отстойника 1з Н (0,5-1,0)Н

Суммарная т 3,0 2,0

Значения коэффициента т могут быть приняты из таблицы.

Полный объём тонкослойного отстойника нефтеловушки определяется путем суммирования объемов: 1) объёма отстойной части:

WOT =B0H0lp,

2) объёма распределительной части:

WOT =№ ^

3) объёма осадочной части:

WoT =Boh(lp + mHo

(8)

(9) (10)

Ng + NR = NCG+

(11)

V г v™ Л

-Л но Y

—/ осадок ho

ео

Рис. 2. Расчётная схема уплотнения шлама в наклонном канале между пластинами нефтеловушки

Мощность, затрачиваемая на сгущения шлама, может быть записана в виде [9]:

Ncg = ШХsHdV ,

(12)

Полки отстойной части нефтеловушки должны быть наклонены под углом 50-55°, а расстояние между полками выбирается в пределах 30-50 мм.

На рис. 2 представлена расчетная схема уплотнения шлама в наклонном канале между пластинами отстойника.

Для описания процесса уплотнения шлама в нефтеловушке воспользуемся положениями механики деформированного тела с известными ограничениями и допущениями [9].

При описании процесса уплотнения (деформации) шлама будем считать:

• сопротивления сдвигу зависит от концентрации дисперсной фазы;

• в тонкослойном модуле деформация шлама происходит под действием сил тяжести;

• по ширине пластин деформация — равномерная, слои остаются плоскими до и после деформации;

• при перемещении участка шлама на бесконечно малую величину концентрация осадка и напряжения сдвига остаются постоянными по высоте слоя.

Для описания процесса уплотнения шлама запишем энергетическое условие баланса мощностей [9]

где NG — мощность, затрачиваемая на сгущение шлама; NT — мощность, затрачиваемая на трение частиц осадка о пластины; Ысо — мощность сил тяжести.

где Н — интенсивность скоростей деформации сдвига;

— сопротивление частиц осадка сдвигу; V — деформируемый объём.

Интенсивность скоростей деформации сдвига запишем в виде [9]:

„ Г7~2-Г (13)

н = У! 4 \ 2 + П гх

где — компоненты интенсивности скоростей де-

формации сдвига.

В механике деформированного тела для расчёта интенсивности скоростей деформации используется поле скоростей деформаций.

Вертикальную составляющую скорости уплотнения шлама запишем в виде:

Z (14)

Vz = Vom Z '

h о

Продольную составляющую скорости уплотнения осадка определим из условия несжимаемости

[9]:

Э VZ Э Vx (15)

-- +-— = 0 ,

Э Z дХ

, д V,

V

х

dZ

-dZ + C.

Постоянную С определим из граничного условия Ух (X = 0), С = 0.

После подстановки вертикальной составляющей скорости из уравнения (14) в (15) и интегрирования определим продольную составляющую скорости:

=

V0M х

(16)

С учётом уравнений (14) и (16) компоненты интенсивности скоростей деформации сдвига запишем в виде:

q Z dZ hn '

(17)

д Vz , d Vx V0MZ + V0MX (18)

П zx +

dx dz hn

hr

С учётом (17) и (18) мощность, затрачиваемая на сгущения шлама (12), примет вид

Ncg = ШХsHdV = ТslB0 V0Mh0

(19)

При сползании шлама по пластинам возникают силы трения. Мощность, затрачиваемую на трения

частиц шлама о пластины, запишем в виде:

h0

NT = B 01 Jt V0 С dZ = l V0Cт B0 h0 ,

0

(20)

h0

Ng = lB0 J у0 V0C Cos a dZ = lB0 y0 h0 V0C Cos a , (21)

где у0 — среднее значение удельного веса шлама.

Подставляя значение уравнений (19), (20), (21) в уравнение (11), получим

lB0 у0 h2 V0C cos a =

= l V0C To B0 ho + 1,4TS l B0 V0M V (22)

Энергетическое условие баланса мощностей (22) позволяет установить связь между следующими параметрами процесса образования шлама:

• геометрическими параметрами (h0, l, B0 — высота, длина и ширина зоны уплотнения осадка, a — угол наклона пластин к горизонтальной плоскости);

• реологическими параметрами (сопротивление частиц шлама сдвигу ts);

• удельной силой трения частиц шлама о пластины т;

• удельным весом осадка.

Решая уравнение (22) относительно V0C, получим:

V ос =

Т S V0M

t + y 0 h 0 Cos а

(23)

Время сползания шлама по наклонным пластинам, определим в виде:

I (24)

T =

vn

где I — длина пластин.

После определения основных конструктивных параметров Н0, B0 и h с помощью формулы (1) рассчитывается расход воды на одну секцию:

Q = kVGFB ■

(25)

Из общего количества сточных вод рассчитывается количество секций:

N = Q0,

Qi

(26)

где т — удельная сила трения частиц шлама о пластины.

Мощность сил тяжести шлама, находящегося на пластине, запишем в виде:

Выводы

1. Теоретически исследован процесс уплотнение шлама с точки зрения механики сплошной среды. Для описания процесса уплотнения шлама в тонкослойном модуле предложено использовать энергетическое условие баланса мощностей. Записаны составляющие баланса мощностей.

2. Исследования показали, что энергетическое условие баланса мощностей позволяет установить связь между параметрами процесса уплотнения шлама в тонкослойном модуле: геометрическими, кинематическими и реологическими параметрами, удельной силой трения частиц шлама о пластины, удельным весом шлама и др.

3. Приведён пример расчёта тонкослойного модуля с учётом геометрических размеров, уплотнения осадка и др.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Карелин ЯА., Евсеева ЛА., Евсеева О.Я. Очистка не-фтесодержащих сточных вод. — М.: ВНИИИС, 1987. — 65 с.

2. Покровский В.Г., Аракчеев Е.П. Очистка сточных вод тепловых станций. — М.: Энергия, 1980. — 258 с.

3. Пушкарев В.В., Южанинов А.Г., Мэн С.К. Очистка маслосодержащих сточных вод. — М.: Металлургия, 1980. — 200 с.

4. Пономарев В.Г., Иоакимис Э.Г., Монгайт И.Л. Очистка сточных вод нефтеперерабатывающих заводов.

— М.: Химия, 1985. — 256 с.

5. Яковлев С.В., Карелин Я.Д., Ласков Б.М. Очистка производственных сточных вод. — М.: Стройиздат, 1979.

— 320 с.

6. Клячко ВА, Либерман Б.Е. Тонкослойный многоярусный пластинчатый отстойник // Водоснабжение и санитарная техника. — 1976. — № 11. — С. 25-26.

7. Беднова И.Н., Карпухин С.Ю. Устройство для очистки нефтесодержащих сточных вод // Экология производства. — 2011. — № 6. — С. 64-66.

8. Кучин Г.П., Евстигнеев И.А., Петров Г.А. Совершенствование конструкций и технологии радиальных отстойников в целлюлозно-бумажной промышленности. — М.: Изд. ВНИИПИЭлеспрома, 1977. — 66 с. — (Обзорная информация).

9. Качанов Л.М. Механика пластических сред. — М.: ГНТИ, 1969. — 364 с.

CALCULATION THIN-LAYER MODULES OIL SEPARATOR BASED ON THE METHOD OF POWER BALANCE

Maximov E.A., Associate Professor, Candidate of Tech. Sci.

Vasiliev V.I., Associate Professor, Candidate of Tech. Sci.

South Ural State University (76, prosp. Lenina, Chelyabinsk, 454080, Russian Federation)

E-mail: [email protected]

ABSTRACT

For a description of the densification process in thin-film module sludge oil trap is proposed to use the energy balance condition capacities. It is found that the energy balance condition capacity allows the connection between the parameters of the densification process of sludge in sludge compactor: geometric, kinematic and rheological parameters of the specific friction force sludge particles on the wall of the seal cuttings specific gravity sludge.

The purpose of this paper is to determine the parameters of thin-film modules and the size of the sump by means of the energy balance method capacities, providing the desired cleaning effect.

Keywords: calculation of a thin oil trap module, continuum mechanics, the energy balance condition capacities.

1. Karelin YA.A., Evseyeva L.A., Evseyeva O.YA. Ochistka neftesoderzhashchikh stochnykh vod [Purification of oily wastewater]. Moscow: VNIIIS Publ., 1987, 65 p. (In Russian)

2. Pokrovskiy V.G., Arakcheyev Ye.P. Ochistka stochnykh vod teplovykh stantsiy [Wastewater thermal stations]. Moscow: Energiya Publ., 258 p. (In Russian)

3. Pushkarev V.V., Yuzhaninov A.G., Men S.K. Ochistka maslosoderzhashchikh stochnykh vod [Purification of oily wastewater]. Moscow: Metallurgiya Publ., 1980, 200 p. (In Russian)

4. Ponomarev V.G., Ioakimis E.G., Mongayt I.L. Ochistka stochnykh vod neftepererabatyvayushchikh zavodov [Wastewater refineries]. Moscow: Khimiya Publ., 1985, 256 p. (In Russian)

5. Yakovlev S.V., Karelin Ya.D., Laskov B.M. Ochistka proizvodstvennykh stochnykh vod [Process Wastewater Treatment]. Moscow: Stroyizdat Publ., 1979, 320 p. (In Russian)

6. Klyachko V.A., Liberman B.Ye. Vodosnabzheniye i sanitarnaya tekhnika — Water supply and sanitary engineering, 1976, no. 11, pp. 25-26. (In Russian)

7. Bednova I.N., Karpukhin S.Yu. Ekologiya proizvodstva — Ecology production. — 2011, no. 6, pp. 64-66. (In Russian)

8. Kuchin G.P., Evstigneyev I.A., Petrov G.A. Sovershenstvovaniye konstruktsiy i tekhnologii radial'nykh otstoynikov v tsellyulozno-bumazhnoy promyshlennosti. Obzornaya informatsiya [Improving the design and technology of circular tanks in the pulp and paper industry. Survey information]. Moscow: VNIIPIElesprom Publ., 1977, 66 p. (In Russian)

9. Kachanov L.M. Mekhanikaplasticheskikh sred [Mechanics of plastic media]. Moscow: GNTI Publ., 1969, 364 p. (In Russian)

Приглашаем Вас принять участие в 13-й Московской международной выставке «НЕФТЬ и ГАЗ«/MЮGE 2015 - главном событии года в нефтегазовой отрасли (Москва, ЦВК «Экспоцентр»), которая является местом встречи крупнейших нефтегазодобывающих компаний, поставщиков оборудования и услуг для нефтегазовой отрасли, специалистов — нефтяников.

http://www.mioge.ru/

REFERENCES

к

MIOGE

13-я Московская международная выставка «Нефть и №»/MIOGE 2015

23 — 26 июня 2015 года