CC BY
49
индуцированного течения достаточно малы. Поле давления определяется по интегралу Бернулли:
тоньше, что позволяет при тех же затратах топлива вывести на орбиту полезный груз большего веса.
Р=Р„-р
и; + и
а
то есгь
р - Рн -Р • cosp(cosß-2COS0) 2
н к sin 0-(cosac - cos©)
Данная методика уточняет представленные выше соотношения для дополнительных каналов и стартового канала. Результаты расчетов д\я различных РКК показывают, что предложенные рекомендации являются завышенными на 10- 15%.
Представленные СС обладают рядом существенных преимуществ по сравнению с известными. Одним из них является снижение затрат на строительство и эксплуатацию сооружений вследствие их меньших габаритов. Кроме того, возможна относительно недорогая их модернизация, т.е. использование имеющихся сооружений для старта ракет большей мощности. В связи с тем, что в предлагаемых СС обеспечивается о твод горячих газов обратного кольцевог о потока от корпуса РКН, её старт является более надежным, а нижняя часть его корпуса может быть выполнена
Библиографическим список
1. Афанасьев Е В. и др. Структурно-элементное моделирование газодинамических процессов при старте ракет J Афанасьев Е.В.. Балобан В.И., Бобышев C.B.. Добросердов И.А. - СПб. : Балт. гос. техн. ун-т.. 2004. - 416 с.
2. Бирюков Г.П. и др. Основы проектирования ракетно-космических комплексов (методологическое обеспечение облика комплекса) / Бирюков Г.П., Гран кии Б.К., Козлов 13. В.. Соловьев В.Н. - СПб. : Алфавит. 2002. - 398 с.
3. Теории турбулентных струп / Абрамович Г.К., Гиршович Т. А. Крашенинников C.IO. и др. ; под ред. Г.Н. Абрамовича. 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Наука. 1984. - 720 с.
4. Вулис A.A., Кашкарон В.П. Теория струй вязкой жидкости. - М. : Наука. 1965. - 431 с.
5. Гинсвскин A.C. Теория турбулентных струн н слелов. Интегральные методы расчета. - М. : Машиностроение, 19С9. - 400 с.
ЛАНШАКОВА Наталия Владимировна, аспирантка кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация».
Статья поступила п редакцию 08.09.08 г. © Н. В. Ланшакова
УДК «1-«« ю. М. ГЕРЖБЕРГ
Ю. В. ЛОГУНОВА В. В. ТОКАРЕВ В. В. ШАЛАЙ Л. О. ШТРИПЛИНГ
ОАО «ВНИИГАЗ»—«СеверНИПИГАЗ»
ОАО «Транссибнефть»
Омский государственный технический университет
РАЗРАБОТКА УСТАНОВКИ ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДО-СОДЕРЖАЩИХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ОТХОДОВ МЕТОДОМ РЕАГЕНТНОГО КАПСУЛИРОВАНИЯ_
Предложена конструкция и приведены результаты экспериментальных исследований по определению эффективности работы установки по обезвреживанию углеводородо-содержащих производственных отходов методом реагентного капсулирования. Даны рекомендации по эксплуатации.
Для обезвреживания иефтезагрязнеиных почво-грунтов, осадков нефтехранилищ, продуктов очистки нефтепроводов используются различные технологии, каждая из которых имеет свои достоинства и недостатки.
Одной из перспективных интенсивных технологий обезвреживания нефтезагрязненных материалов различной консистенции, особенно для территорий Крайнего Севера, является их перевод в мелкодисперсные твердые, биологически инертные капсули-
рованные гидрофобизированные образования с высокой степенью иммобилизации загрязняющих веществ.
Капсулирование нефтезагрязненных материалов производится с помощью реагентов на основе оксидов щелочных материалов. В результате химической реакции образуются частицы 10 - 200 мкм, покрытые труднорастворимым карбонатом кальция (СаСО,), который является естественным и безвредным компонентом окружающей среды.
Технология, обеспечивающая такой процесс, описана в |1 -3).
Многообразие условий образования и способов хранения техногенных загрязненных материалов, их объемов, состава и свойств, предопределяет и разнообразие организационно-технологических и технических вариантов их обезвреживания и утилизации. При выборе схемы обработки этих материалов необходимо руководствоваться, прежде всего, практической целесообразностью и доступностью технических средств, необходимых для реализации такой природоохранной технологии, их вторичною использования. а также минимизацией затрат на утилизацию.
В современных условиях представляется оправданной ориентация на максимальное использование стандартного оборудования, выпускаемое отечественной промышленностью.
Основными вариантами обработки углеводород-содержащих промышленных отходов являю тся стационарная и нестационарная схемы обезвреживания.
Стационарную схему обезвреживания целесообразно применять на промышленных объектах, с систематическим образованием техногенных отходов. Показательными в этом плане могут служить, например, нефте- и газоперерабатывающие заводы, буровые, осуществляющие эксплуатацию скважин по безамбарной схеме. Нефтяные и буровые шламы в этом случае необходимо не сбрасывать в шламо-накопители, как это происходит повсеместно, а направлять на стационарные установки д\я обезвреживания и утилизации. Естественно, что при таком подходе технология и оборудование для обезвреживания должны быть увязаны с технологией и техническими средствами основного производства, и эксплуатироваться как единый производственный комплекс.
Для промышленных узлов, где на сравнительно небольшой территории сосредоточено несколько крупных производственных объектов, обработку техногенных отходов целесообразно осуществлять централизованно на специально созданном для этих целей полигоне.
Нестационарные схемы обезвреживания с использованием мобильных технических средств рационально применять на объектах с периодическим, кратковременным образованием производственных отходов. В частности, при очистке от отложений и осадков резервуаров, нефте- и продуктопроводов; на нефтегазодобывающих предприятиях для обезвреживания углеводородсодержащих отходов, образующихся при ремонтно-воссгановительных работах на нефтяных и газоконденсатиых скважинах и др.
Загрязненные углеводородными разливами территории подвергаются санированию с использованием технологии реагентного капсулирования. Санирование территорий может осуществля ться непосредственно на месте по методу поверхнос тной обработки, либо путем выемки загрязненных почвогрунтов с последующим обезвреживанием на мобильных
установках, смонтированных непосредственно на месте проведения работ.
Нейтрализация загрязненных материалов на установках квазизакрытого тина в стационарном или мобильном исполнении производится в три этапа.
Первый этап — предварительная очистка загрязненного материала от крупных включений (более 0,02 м): камней, техногенного мусора, древесных обломков и т.п. происходит на механических классификаторах — грохотах.
Второй этап — перемешивание реагента и загрязненного материала с последующим химическим диспергированием образующейся гомогенной массы осуществляется в специальных реакторах-смесителях. Реагент из резервуара-хранилища подается в реактор-смеситель через загрузочный бункер и дозатор. При обработке обезвоженных материалов для успешного протекания химических реакций в смеситель после перемешивания с реаген том из расходной емкости добавляется вода.
Для транспортирования материалов от одного узла к другому применяются шнековые устройства и ленточные конвейеры.
Тип и марка реагента, а также его оптимальные дозы определяются опытным путем на стадии предварительных лабораторных исследований методом пробного капсулирования.
Третий этап — естественная карбонизация, в результате которой на поверхности частиц завершается формирование защитной водонепроницаемой оболочки (капсулы), протекает в первые 3 — 5 суток на площадке, снабженной навесом, а затем — на открытом воздухе, где в течение 60 и более суток продолжается увеличение прочности и снижение проницаемости вещества.
На рис. 1 представлена принципиальная схема универсального блока, которая может обеспечит!, технологию реагентной нейтрализации углеводородсодержащих материалов.
Основным элементом обеспечивающий работу по данной схеме является реактор смеситель, который предназначен для эффективного порционного смешивания твердого или пастообразного загрязненного материала с реагентом и является техническим средством для осуществления процесса реагентного обезвреживания в стационарных и мобильных установках. От надежности устройства, эффективности и скорости смешивания компонентов в значительной мере зависит качество обезвреживания загрязненных материалов и, в определенной мере, расход реагента. Наш опыт работы и участие в эксплуатации импор тного реактора-смесителя (фирма «Трай-Фло») вДООО «Асграханьбургаз» показало необходимость разработки отечественных агрегатов для осуществления первой стадии реакции загрязненного материала с реагентом.
Основные недостатки импортного смесителя «Трай-Фло», выявленные при эксплуатации на скважине Девонская 1 ДООО «Астраханбургаз»:
— недоста точная мощность привода;
— малоэффективная кинематика смешивания, выраженная в недостаточно быстром и качественном смешивании загрязненного материала с реагентом при использовании серповидных смесительных лопастей;
— быстрый износ смесительных лопастей.
При разработке реактора-смесителя рассматривались различныетипы глиномесных машин, используемых для подготовки глинопасты при производстве кирпичей, черепиц и других изделий из глины. Смеси-
Рис. 1. Схема стационарного промышленного узла (полигона) для обезвреживания загрязненных материалов: I — механический классификатор; 2 — реактор-смеситель; 3 — резервуар-хранилище реагента; 4 — загрузочный бункер реагента; 5 — дозатор реагента; б — расходная емкость для воды с дозатором: 7 — площадка для переработанного материала; 8 — шнек; 9 — ленточный конвейер
гель лопастной двухвальный СМК-125А с производительностью до 20тонн в час (ГОСТ9231-80) в наибольшей степени соответствует процессам смешивания загрязненных материалов. Он включает два расположенных на одном горизонтальном уровне вала с лопатками, входящими в пространство между лопатками другого вала для самоочистки этого пространства, разгрузочный люк, электропривод с редуктором. Основным недостатком такого устройства при использовании в процессе реагеитной нейтрализации загрязненных материалов является, по нашему мнению, горизонтальное расположение валов, что существенно увеличивает поверхность испарения летучих веществ при реакции и не обеспечивает качественного высокоскорос тного смешивания компонентов.
Конструкторские проработки позволили разработать новое устройство — смеситель названный нами СШ-2В-700 (смеситель шнекового типа двухвальный), в большей степени соответствующий условиям процессов реагентногообезвреживания загрязненных материалов.
Общий вид опытной конструкции изготовленной в металле представлен на рис. 2.
Загрязненный материал, предварительно очищенный от крупных твердых включений, подается сверху через сетчатую секцию ограждения в корпус смесителя. Через загрузочный люк секции ограждения подается определенная доза реагента. Рабочие поверхности лопастей расположены под углом 55*...70" к плоскости их вращения, т. с. они образуют разрезной шнек. Угол поворота лопастей устанавливается при сборке валов. Лопасти на валах наклонены так, что при их вращении нижний вал перемещает массу к разгрузочному люку, а верхний — в противоположную сторону. После открытия, вручную, разгрузочного люка переработанная смесь поступает на шнековый или ленточный конвейер.
Скорость перемещения массы вдоль валов зависит от угла поворота лопастей смесительных валов. Рекомендуемый угол установки лопастей к оси вала составляет 65', но окончательно он устанавливается по результатам опытной отработки смеси. Крепление лопастей позволяет регулировать этот угол.
Техническая характеристика опытного реактора-смесителя
Производительность, м п/час до 1,0
Потребляемая мощность, кВт 30
Электродвигатель:
тип 4AH180S4Y3
мощность, кВт 30
число оборотов вала в минуту 1500
Напряжение сети, В 380
Редуктор:
тин Ц2У-250-24.9-12-МУ
переда точное число 25
Число оборотов
смесительного вала в минуту 60
Количество лопастей на каждом валу 31
Наружный диаметр
лопастей, мм 394
Длина смесительного корыта, мм 2520 Зазор между лопастями и внутренней
поверхностью корпуса, мм 12
Габаритные размеры (с приводом), мм:
мина 4280
ширина 943
высота 1563
Масса (без привода), кг 7000
Этап смешивания (продолжительность приблизительно 8... 15 минут) происходит при закры том нижнем люке. Загрузка компонентов смеси (загрязненного материала и реаген та) осуществляется, как правило, до включения смесителя. В некоторых случаях и вода и реагент могут подаваться после начала работы смесителя. Полная загрузка смесителя установлена опытным путем уровень (0,5.. .0,6 объема смесителя), то есть 350...420 л, так как в процессе реакции объем смешиваемой массы в некоторых случаях может существенно увеличиться вследствие ее разогревания до 100°... 105е.
Оптимальные дозы реагента определялись опытным путем на стадии предварительных лабораторных исследований методом пробного капсулирования.
Реактор-смеситель может работать и режиме гомогенизации и в режиме гомогенизации и диспергирования.
При работе реактора-смесителя в режиме гомогенизации осуществляется перемешивание компонентов (загрязняющий материал, реагент, вода) до однородного состояния. Выгрузка гомогенной смеси через эвакуационный люк реактора производится до момента начала реакции гидратации. В этом случае
Рис. 2. Общий вид опытно-промышленного образца реактора-смесителя
процессы химического диспергирования и карбонизации обезвреживаемою материала протекают на специально отведенной для этих целей площадке.
При работе реактора-смесителя в режиме гомогенизации и диспергирования перемешивание компонентов ведется до образования сухого порошкообразного продукта, который после выгрузки из реактора укладывается на карбонизацию.
Степень обезвреживания обработанных материалов оценивалась методом выщелачивания из них остаточных загрязненных материалов. Таким образом, тест на выщелачивание, имитируя в лабораторных условиях процессы взаимодействия обезвреженных продуктов с водой, позволяет получить обь-ективную информацию о мобильных свойствах загрязнений и. следовательно, об их способности к распространению в природных биотопах, что в конечном итоге является решающим фактором загрязнения окружающей среды.
Анализ водной вытяжки после выщелачивания проводился на содержание углеводородов и на содержание органических веществ по интегральному показателю ХПК (химическое потребление кислорода).
Степень дисперсности продуктов рсагентного обезвреживания, определяемую методом ситового анализа по ГОСТ 3584-73, позволяет оценить полноту гомогенизации загрязняющего материала в ходе химической реакции диснершрования. Очевидно, что присутствие в конечном продукте крупных (более 1 мм) слипшихся (не рассыпающихся при легком нажатии) загрязненных частиц указывает либо на недостаточное количество вводимого реагента, либо на дефицит воды, необходимой для полного протекания реакции гидратации активной окиси кальция.
Стендовые работы по испытанию реактора смесителя проводились на опытно-экспериментальном участке НПО «Севернефтегазтехнология» в г. Ухте.
Испытательный стенд состоял из опытно-промышленного образца двухвального реактора-смесителя, оборудования для электроснабжения и управления агрегатом, взвешивающего устройства д\я дозирования компонентов, контрольно-измерительных приборов для измерения температуры и времени протекания в смесителе химических реакций.
Для проведения стендовых работ использовались следующие виды загрязняющих материалов:
— модельный шлам, имитирующий слабоми-нерализованпый терригенный шлам буровой № 24 «Печоргородскан»;
— модельный нефтезагрязненный грунт;
— гомогенные пастообразные нефтепарафинис-тые отложения резервуарного парка НПС «Ухта-1» ОАО «Северные магистральные нефтепроводы».
Для каждого из трех видов загрязняющих материалов лабораторным путем были определены модификации обезвреживающих реагонтов, их оптимальные дозы, а также необходимое количество добавляемой воды.
Системный подходк планированию стендовых испытаний. когда реактор-смеситель рассматривается как исследуемая система, позволяет выделить все воздействующие на нее существенные фак торы как контролируемые и регулируемые и контролируемые, но нерегулируемые.
К первым относятся: количество загружаемых в реактор компонентов, время перемешивания компонентов, а также состав (модификация) реагента.
К контролируемым, но нерегулируемым факторам относятся: физико-химический состав загрязняющего материала и температура реакции гидра тации, по значениям которой можно суди ть о времени начала и окончания реакции, а также об интенсивности ее протекания.
К откликам системы на воздействие вышеуказанных факторов относятся эффекты обезвреживания загрязняющих материалов.
По полученным в результате стендовых испытаний реактора-смесителя данным устанавливалась его производительность при выбранных режимах работы, определялись физико-химические свойства и эффекты обезвреживания обработанных материалов.
Полная гомогенизация бурового шлама с реагентом БИЗОЛ-20 в соотношении 1:0,15 происходила достаточно быстро. Через 10 минут перемешивания, когда в корыте реактора-смесителя образовывалась однородная пастообразная масса серого цвета, наблюдался медленный рост температуры реакции гидратации активной части реагента. К концу шестидесятой минуты температура достигала максимума 40,5 СС (рис. 3), а сама смесь превращалась в полусухую массу, которая после выгрузки из реактора-смесителя и вылеживания в течение нескольких суток рассыпалась в тонкодисперсный порошок.
Аналогичная картина наблюдалась при обработке в реакторе-смесителе нефтезагрязненого грунта реаген том БИЗОЛ-20 с оптимальной дозой 20%. При этом, реакция гидратации протекала несколько
I {аименованис материала
Плотность, кг/м'
Прирост
объема. %
Модельный буровой шлам
Модельный
нефтезагряэненный фу!гг
Пастообразные |{сфтелар(1()н1нисгис отложения резерауарного парка МПС «Ухта-1» ОАО «Северные магистральные нефтепроводы»
Рис. 3.Температурная характеристика технологического процесса обработки бурового шлама в реакторе-смесителе
Рис. 4. Температурная характеристика технологического процесса обработки нефтепарафинистых отложений в реакторе-смесителе
Таблица I
Физико-химические свойства продуктов обезвреживания углеводородсодсржащих материалов, полученных в результате стендовых испытаний опытно-промышленного образца реактора-смесителя
Степень дисперсности. %
Результаты анализа водной вытяжки
ХПК. мгО.Укг
Углеводороды, мг/кг
<1 >2мм - 21 % 0,5«1<2мм - 25 % 0.25<<1<0,5мм— 35% 0,1 «!<0.25мм — 19%
<1 >2мм - 19% 0,5<(1<2мм - 24 % 34%
1<с1<0,25мм— 23%
>2мм - 1.5%
- 18% 0.25<(1<0.5мм- 37% 35% 0.1мм - 8.5%
Эффекты Обезорежипания. %
10 1$ 2(1 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 Время, мин
интенсивней, достигая максимальной температуры 46 'С с образованием к концу 45 минуты обработки сухого порошкообразного продукта. Время полного цикла обработки составило 50 минут.
С учетом того, что процессы гидратации и химического диспергирования буровых шламов и грунтов материала занимают достаточно много времени, целесообразно проводить их обработку в реакторе-сме-сителетолько в режиме гомогенизации, а гидратацию и диспергирование осуществлять на открытой площадке после выгрузки из агрегата. В этом случае расчетное время для определения производительности реактора-смесителя будет составлять 10 минут. На практике при использовании в едином комплексе двух последовательно работающих смесителей это время может быть принято для расчета производительности каждого из них.
В процессе перемешивания нефтепарафинистых отложений с реагентом БИЗОЛ-5 и воды в соотношении 1:0,8:0,28 вместо гомогенизации в реакторе-смесителе наблюдалось более-менее равномерное распределение реагента по всей зоне перемешивания, с налипанием последнего на разнородные но форме I и размеру комки загрязненного материала. Через
2 минуты после добавления в реактор-смеситель расчетного количества воды, отмечается начало реакции гидратации (рис. 4), которая сопровождается резким повышением температуры до 116 'С и интенсивным плавлением нефтепарафинистой фракции. Расплав представлял собой однородную смесь загрязненного материала, реагента и воды, который к концу реакции гидратации, вспухая, превращался в сухой тонкодисперсный порошок. Для данного случая время полного цикла обработки в режиме гомогенизации и диспергирования не превышал 13 минут.
Данные аналитического контроля результатов стендовых испытаний (табл. 1) показывают, что реактор-смеситель обеспечивает эффективное связывание загрязняющих материалов. Так, ииертизация углеводородной фазы, определяемая тестом на выщелачивание, достигает для бурового шлама 95,5 %, а для нефтезагрязненного грунта - 97,4 %, при этом суммарное содержания органических веществ по показателю ХПК снижается в водной вытяжке соответственно на 85 и 93,7 %. Необходимо отметить, что полученные эффекты обезвреживания возрастут на стадии естественной карбонизации благодаря образованию и упрочнению па поверхности частиц капсу-
лируемого материала защитных карбонатных оболочек.
Высокая стеиеньдисперсности и небольшая влажность продуктов реагентной обработки указывают на то, что реактор-смеситель создает благоприятные условия для гомогенизации и химического диспергирования перемешиваемой среды.
Выводы
1. Стендовые испытания опытно-промышленного образца реактора-смесителя вобьеме 116 часов доказали высокую эффективность его работы.
Реактор-смеситель способен обрабатыва ть разнообразные загрязненные материалы с широким диапазоном их структурно-механических и физико-хими-ческих свойс тв. Испытания показали, что именно эти свойства оказывают решающее значение на выбор технологических режимов и параме тров обработки. Так, высококонцентрированные, вязко-текучие и пастообразные углеводородсодержащие отходы наиболее рационально обрабатыва ть в реакторе-смеси-геле в режиме гомогенизации и химического диспергирования, а твердые загрязненные материалы с относительно небольшой концентрацией углеводородной фазы (буровые шламы, почвогрунгы) — только в режиме гомогенизации,
2. Для обезвреживания загрязненных материалов в промышленных масштабах целесообразно использовать производственные комплексы в блочно-мо-дульном исполнении, в которых с целью увеличения их производительности необходимо предусмотреть установку не менее двух смесительных агрегатов, работающих в последовательном режиме и снабженных устройствами для механизированной загрузки и эвакуации материалов.
3. Отмечено, что особенности конструкции агрегата (вертикальное расположение валов, самоочищение пространства между лопастями одного вала лопастями другого вала, перемещение смеси как в вертикальной плоскости вращения лопастей, так и встречное движение вдоль валов) способствовало максимально быстрому и качественному смешива-
нию загруженных материалов и выгрузке гомогенизированной смеси.
4. Эффективность работы, простота изготовления и обслуживания установки позволяет рекомендовать ее изготовление и применение на всей территории Российской Федерации.
Библиографический список
1. БельзингФ.ТехнологияДКР. - Ганновер. 1998. - 117с.
2. Гержберт Ю.М., Цхадая Н.Д., Овчар 3.1-1. Попов А.Н. Ре-агентное обезвреживания отходов нефтегазовой промышленности // Строительные материалы оборудование, технологии XXI века. - 2003. - №3. - С. 30-31.
3. Логунова Ю.В.,Токарев В.В..ШтриплингЛ.О. Применение технологии реагентного обезвреживания отходов транспорта нефти в условиях Севера //Нефтегазовый термин ал. - 2008. -Вып. 2. - С. .13-45.
ГЕРЖБЕРГ Юрий Михайлович, кандидат технических наук, главный специалист ОАО «ВНИИГАЗ»-«СеверНИПИГАЗ», г. Ухта.
ЛОГУНОВА Юлия Владимировна, инженер отдела экологической безопасности и рационального природопользования ОАО «Транссибнефть», г. Омск. ТОКАРЕВ Владимир Васильевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Транспорт и хранение нефти и газа, стандартизация и сертификация» Омского государственного технического университета.
ШАЛАЙ Виктор Владимирович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Транспорт и хранение нефти и газа, стандар тизация и сертификация», ректор Омского государственного технического университета.
ШТРИПЛИНГЛев Оттович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность» Омского государственного технического университета.
Статья поступила в редакцию 25.08.08 г. ® Ю. М. Гержберг, Ю. В. Логунова, В. В. Токарев, В. В. Шалай, Л. О. Штрнплннг
Книжная полка
Безпалько, В. И. Технология конструкционных и трубопроводостроительных материалов [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлениям «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств», «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. И. Безпалько. - М.: Академия, 2008. - 414, [1J с.: рис. — (Высшее профессиональное образование). - Библиогр.: с. 409-410. - ISBN 978-5-7695-4246-6.
Изложены основы производства черных и цветных металлов, обработки металлов давлением, литейного и сварочного производства, обработки металлов резанием. Рассмотрены классификация и области применения деформируемых и литейных сплавов в машиностроении. Особое внимание уделено способам производства, применению и методам защиты труб, используемых при строительстве газонефтяных комплексов и эксплуатации газонефтепроводов.
