Методика проектирования объединенной системы очистки судовых сточных и нефтесодержащих вод

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта»

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Методика проектирования объединенной системы очистки судовых сточных и нефтесодержащих вод

Специальность 05.08.03 «Проектирование и конструкция судов»

Писарев Антон Олегович

Нижний Новгород, 2010

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Волжская государственная академия водного транспорта».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ Курников Александр Серафимович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Решняк Валерий Иванович

кандидат технических наук, доцент Васькин Сергей Владимирович

Ведущая организация: ФГОУ ВПО «Санкт-петербургский университет водных коммуникаций» (г. Санкт-Петербург).

Защита состоится декабря 2010 года в часов на заседании диссертационного совета Д 223.001.02 при ФГОУ ВПО «ВГАВТ» по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а, аудитория .

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГАВТ».

Автореферат разослан 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент Кеслер А.А.

Общая характеристика работы

Актуальность работы. В настоящее время в связи с начинающимся ростом производства и интенсивным развитием судоходства в России, а также перспективным вступлением в ВТО и открытием внутренних водных путей для иностранных судов, продолжается ухудшение качества воды малых и крупных рек. Эксплуатация качественно нового флота: с мощными энергетическими установками, высокими грузоподъемностью, пассажировместимостью и скоростью невозможна без решения проблем утилизации судовых отходов, которые неизбежно образуются на борту при проведении производственной и общесудовой деятельности. В их числе судовые сточные и нефтесодержащие воды, для утилизации которых в настоящее время на флоте предусмотрено два способа.

Первый - раздельное накопление этих видов отходов для сдачи на берег. Недостатком его является необходимость иметь на борту емкости, что требует дополнительных помещений и уменьшает провозную способность, а также использовать вспомогательные суда для доставки отходов на береговые предприятия переработки, спецпричалы и прочую инфраструктуру. К тому же процесс сдачи указанных видов отходов на берег является дорогостоящим, что в конечном итоге приводит к значительным затратам судовладельцев.

Второй - переработка отходов на борту судна при помощи специальных систем для очистки сточных (СВ) и нефтесодержащих (НВ) вод, но эти системы переработки являются отдельными, не взаимодействующими, что в свою очередь значительно увеличивает массо-габаритные характеристики.

Указанные недостатки существующей системы обслуживания флота и систем переработки отдельных видов отходов явились поводом для поиска новых подходов к комплексному решению проблемы утилизации судовых СВ и НВ.

Проведенный анализ работ различных российских и зарубежных ученых, к которым относятся Баранов А.Л., Богатых С.А., Васильев Л.А., Волков Л.С., Карастелев Б.Я., Кульский Л.А., Курников А.С, Лукиных Н.Л., Решняк В.И., Стаценко В.Н., Этин В.Л., Яковлев С.В. Баадер В., Бойлс Д., Бренндерфер М., Доне Е., Заборски О., Соуфер С., Рандольф Р. и др., показывает, что разработки и исследования, выполненные по очистке СВ и НВ, ориентированы не на решение общей проблемы повышения экологической безопасности судна, а на частные решения этих задач. В этих работах отсутствует общая стратегия поиска, не были обобщены полученные результаты различных технологических схем очистки СВ и НВ. Исследования характеризовались отсутствием универсальности и могли быть полезны лишь при рассмотрении отдельных задач технологии очистки стоков. Не рассматривались взаимосвязи технологий обработки СВ и НВ, что позволило бы объединить ряд судовых систем в единый комплекс, например комплекс систем очистки СВ и НВ.

Комплексный метод при проектировании судовых систем позволяет производить эффективную переработку и утилизацию основных видов судовых отходов, используя универсальные технологии обработки различных сред с одновременным уменьшением антропогенной нагрузки на окружающую среду. Таким образом, проблема проектирования систем для переработки и утилизации судовых отходов актуальна и требует скорейшего разрешения.

Целью диссертационной работы является создание научно - обоснованной методики проектирования объединенной системы по очистке судовых СВ и НВ, производящей обработку исходной жидкости современными методами в соответствии с требованиями российских и международных контролирующих организаций.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. На основе анализа методов обработки СВ и НВ в судовых системах их очистки (СОСВ и СОНВ соответственно) разработать современные принципиальные схемы этих систем.

2. Рассмотреть возможность объединения СОСВ и СОНВ на завершающей стадии очистки в силу идентичности предложенных методов обработки.

3. Создать математическое описание работы элементов систем с учетом их особенностей при функционировании в судовых условиях.

4. Выполнить экспериментальные исследования по определению неизвестных величин, влияющих на работу элементов системы.

5. Разработать блок-схему расчета и методику проектирования объединенной системы по очистке СВ и НВ.

6. Дать социально-экологическую и экономическую оценки предлагаемым мероприятиям.

Объектом исследования являются судовые системы, имеющие в своем составе элементы механической и химической очисток СВ и НВ.

К предмету исследования относятся процессы, протекающие при переработке судовых СВ и НВ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Впервые представлена концепция совершенствования и объединения систем очистки СВ и НВ, обоснованная едиными технологическими приемами обработки стоков.

2. Впервые предложено использование аппаратов гидроциклонного типа в составе судовых СОНВ для интенсификации механической очистки исходных НВ.

3. По результатам экспериментальных исследований определены оптимальные геометрические и режимные параметры гидроциклонов при выделении нефтепродуктов и взвешенных веществ из исходных НВ.

4. Научно обоснована и доказана экспериментально целесообразность применения озонирования при очистке судовых НВ.

5. Создана математическая модель объединенной системы очистки СВ и НВ, на основе которой разработана новая принципиальная схема взаимодействующих систем очистки.

Практическая ценность.

Применение результатов работы позволяет:

1. Производить комплексную обработку судовых СВ и НВ в единой системе.

2. Определять оптимальные условия функционирования гидроциклонных аппаратов в составе СОНВ.

3. Рассчитывать геометрические и режимные параметры основных элементов объединенной системы очистки СВ и НВ.

Реализация результатов работы выражается в следующем:

1. Патент РФ на полезную модель № 89484.

2. Методика проектирования предложена для пассажирского колесного теплохода типа “СУРА” проекта ПКС-40, предназначенного для кольцевого маршрута Москва-Нижний Новгород-Москва.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов теоретических и экспериментальных исследований. Экспериментальные исследования проводились с использованием известных (стандартных) методик и приборов для определения контролируемых показателей и характеристик. Обработка результатов производилась с помощью метода корреляционно-регрессионного анализа на основе известных зависимостей гидродинамических, физических и химических процессов, происходящих в СОСВ и СОНВ. Адекватность модели подтверждена сопоставимостью аналитических и экспериментальных результатов.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на следующих мероприятиях: научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ “Транспорт-XXI век” (Н. Новгород, 2007); ежегодном научно-практическом форуме “Великие реки” (Н.Новгород, 2008, 2009, 2010); VIII и VIV Всероссийских выставках НТТМ (Москва, 2007, 2008); областном конкурсе молодежных инновационных команд РОСТ “Россия. Ответственность. Стратегия. Технологии.” (Н. Новгород, 2008); XIII Нижегородской сессии молодых ученых (панс. “Татинец”, 2008), заочной технической конференции аспирантов и молодых ученых 2009 г. в Дальневосточном государственном техническом университете им. В.В. Куйбышева, научно-методической конференции профессорско-преподавательского состава ВГАВТ «Прохоровские чтения-2009».

Автор удостоен различных дипломов, сертификатов и государственных наград (приложение 4). В их числе финансирование проекта в рамках федеральной программы “Участник молодежного научно-инновационного конкурса” (У.М.Н.И.К.-2009 и У.М.Н.И.К.-2010).

Публикации. Список публикаций по материалам диссертации состоит из 12 работ, в том числе 1 работа в реферируемом ВАК журнале, 1 патент России на полезную модель.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, библиографического списка использованной литературы и приложений. Основное содержание работы изложено на 148 страницах машинописного текста и включает 48 рисунков и 24 таблицы. Список литературы состоит из 140 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цели и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность.

В первой главе проведен обзор современного состояния проблемы очистки СВ и НВ, в рамках которого рассмотрены особенности и приведены основные контрольные параметры данных видов судовых отходов, показаны способы утилизации и методы очистки СВ и НВ на судах, а также подробно рассмотрены особенности конструкции и принципы действия наиболее распространенных судовых СОСВ и СОНВ.

Указано, что очистка судовых СВ и НВ может осуществляться механическим, физическим, химическим, биологическим методами или их комбинациями. Так, взвешенные вещества, плавающие нефтепродукты и примеси удаляются механическими методами. Мелкодисперсные коллоидно-растворенные и растворенные примеси ликвидируются физико-химическими или биохимическими методами.

Показано, что из-за сложного состава СВ и НВ при их очистке используются системы, в которых представлены различные методы. Но во всех случаях первой стадией является механическая очистка, способствующая удалению взвешенных веществ. Далее СВ и НВ подвергаются физико-механической, физико-химической или биохимической обработке в зависимости от состава стоков и требований к степени их очистки.

По результатам обзора особенностей конструкции и принципов действия современных судовых СОСВ и СОНВ сделаны выводы о том, что в настоящее время на судах внутреннего и смешанного «река-море» плавания, наиболее перспективными являются СОСВ и СОНВ с физико-химическим методом обработки. В качестве реагента для обеззараживания чаще всего применяется озон.

Акцентировано внимание на идентичности некоторых методов очистки судовых СВ и НВ, что позволило рассмотреть возможность объединения СОСВ и СОНВ в единый комплекс очистных сооружений.

Подчеркнута возможность достижения максимального эффекта в экономическом и экологическом аспектах при комплексном подходе к очистке СВ и НВ современными универсальными методами и приемами.

Проблемы проектирования судовой системы очистки СВ достаточно полно освящены в работах Курникова А.С., Распопова А.В., Мизгирева Д.С. Данная установка получила все необходимые для внедрения в производство документы (Синитарно-эпидемиологическое заключение и согласование с Российским Речным Регистром). Поэтому в настоящей работе основное внимание уделено разработке СОНВ.

Во второй главе выполнена разработка и обоснование новой функциональной схемы системы очистки нефтесодержащих вод (рис 1).

Рисунок 1 - Функциональная схема судовой СОНВ

Для этого произведен сбор и систематизация фактического материала, а также выполнены исследования свойств и анализ всех имеющихся данных о свойствах НВ (нефтяных эмульсий), обуславливающих технологические процессы их очистки (разрушения).

Проведено исследование концентрации нефтепродуктов и взвешенных веществ в судовых нефтесодержащих водах. Данные для проведения исследования предоставлены ООО “Флот - сервис” по обслуживаемому судоходному участку с границами по р. Волга от г. Балахна (878 км) до с. Сомовка (1047 км), по р. Ока от 28 км до устья с центром в г. Нижний Новгород (табл. 1). По результатам исследования сделан вывод о том, что судовые НВ представляют собой сложную полидисперсную эмульсию с большим содержанием взвешенных веществ, плавающих и эмульгированных нефтепродуктов.

Таблица 1 - Средневероятностные значения концентраций нефтепродуктов и ВВ в судовых НВ

	Средневероятностные значения
	Взвешенные вещества, г/м3	Содержание нефтепродуктов общ., г/м3	Содержание нефтепродуктов эмульгир., г/м3
Пассажирский флот	901	48007	290
Грузовой флот	228	184959	37
Технический флот	430	4908	65

Рассмотрены способы повышения эффективности очистки судовых НВ в системе, для чего предложено и научно обосновано применение аппаратов отстойного типа на стадии механической очистки. Установлено, что в судовых условиях наиболее целесообразно использование отстойников вертикального типа, оснащенных тонкослойными элементами, т.к. при сравнительно небольших массо-габаритных характеристиках эти аппараты способны обеспечить необходимые показатели глубины очистки НВ.

Также для интенсификации механической очистки судовых НВ предложено использование напорных гидроциклонов.

Научно обоснована целесообразность применения озона в судовых СОНВ для удаления из НВ тонкоэмульгированных и растворенных нефтепродуктов. Для этого совместно с к.х.н. Ляпиной Н. Ш. определены химические реакции взаимодействия озона с основными

химическими компонентами НВ, такими как углеводороды, сера, высокомолекулярные остатки нефтяных фракций (асфальгены) и неорганические примеси в виде золы. Показано, что вне зависимости от природы компонентов НВ конечными продуктами их взаимодействия с озоном являются кислородсодержащие соединения: спирты, кетоны, монокарбоновые, поликарбоновые или окси- и кето-кислоты. Также отмечен и тот факт, что в ходе рассмотренных реакций образуются гидроксильные радикалы ОН* и кислород, способные в свою очередь окислять любое органическое вещество до полной минерализации, а трудно окисляемые неорганические примеси до высших форм окислов, удаляемых постфильтрованием.

Для повышения степени очистки, а также удаления из НВ, прошедших стадию озонирования, продуктов окисления предложено использование адсорбционных фильтров, разработанных и запатетованных проф. Курниковым А.С.

Установлена необходимость математического описания элементов функциональной схемы, предложенной автором, с целью обеспечения их взаимодействия и работоспособности.

В третьей главе выполнено математическое описание работы элементов СОНВ, позволяющее показать происходящие процессы в системе, формализовать и оптимизировать ее расчет, выявить неизвестные величины, необходимые для разработки математической модели СОНВ.

Показано, что проведение процесса очистки НВ в СОНВ описывается системами уравнений, характеризующими работу вертикального тонкослойного отстойника, двух- и трехпродуктового гидроциклонов, озонатора, водовоздушного эжектора для смешения озона с НВ, контактного фильтра, а также уравнениями материального и энергетического балансов.

Установлено, что приведенное математическое описание работы узлов СОНВ содержит ряд величин, которые требуют уточнения или определения путем экспериментальных исследований. К ним относятся:

скорость всплытия частиц нефтепродуктов (гидравлическая крупность) в судовых НВ, :

(1)

где - высота слоя отстаивания в лабораторном сосуде, м; t - время седиментации, с;

скорость осаждения твердых механических частиц, содержащихся в судовых НВ, :

(2)

где - высота слоя отстаивания, м; - время отстаивания, с;

значение давления питания трехпродуктового низконапорного гидроциклона, необходимое для эффективной его работы, :

(3)

где - диаметр гидроциклона, мм; - диаметр входного отверстия, мм; - диаметр верхнего слива, мм; - диаметр нижнего слива, мм; - диаметр центрального слива, мм; - высота, мм; доза озона, требуемая для окисления остаточных нефтепродуктов, q:

(4)

где Q_ж - объемная скорость рабочей среды (НВ); - производительность озонатора, г/с; величина объемной скорости эжектируемого газа, необходимая для финишной очистки судовых НВ, :

(5)

где - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/м³.

В четвертой главе приводятся экспериментальные исследования работы основных конструктивных элементов СОНВ, а также математическая модель системы.

К элементам СОНВ, по которым проводились опыты, относятся гидроциклоны и озонатор.

Осуществление экспериментов в соответствии с указанными задачами потребовало проектирования специальных стендов, которые были разработаны и изготовлены при непосредственном участии автора.

При проведении экспериментов по определению величин гидравлической крупности капель нефтепродуктов и твердых механических частиц использовался метод статического отстаивания исходных стоков в специальном лабораторном сосуде. В процессе отстаивания исходных НВ тяжелые механические примеси оседали на дне сосуда, а нефтепродукты концентрировались в верхней его части в виде сплошной пленки. Для проведения экспериментального исследования автором произведен забор проб НВ с судов ОАО «СК Волжское пароходство» («Николай Чернышевский», «Русь», «Ленин»). Для построения кривых кинетики отстаивания и получения искомых величин U₀, м/с и U_гр, м/с в лаборатории металлорежущего оборудования при ВГАВТ была изготовлена экспериментальная установка, представленная на рис 2.

а) б)

Рисунок 2 - Опытная установка для определения гидравлической крупности капель нефтепродуктов и твердых механических частиц а) - принципиальная схема установки, 1 - цилиндр-отстойник, 2 - кран, 3 - емкость для отбора проб, б) - внешний вид

По результатам эксперимента построены графики кинетики отстаивания судовых НВ, приведенные на рис 3.

Рисунок 3 - Кинетика отстаивания судовых НВ (исходная концентрация нефтепродуктов 78090 г/м³, твердых механических частиц 910 г/м³, высота слоя отстаивания 150 мм)

Полученные экспериментальным путем графические зависимости позволили определить неизвестные значения и , определение которых позволяет рассчитать величины граничных крупностей и :

, .(6)

Для исследования эффективности работы и определения оптимальной величины давления на входе в гидроциклонные аппараты при очистке судовых НВ был разработан и изготовлен отдельный экспериментальный стенд, принципиальная схема и общий вид которого представлены на рис. 4.

а) б)

Рисунок 4 -Экспериментальная установка для очистки судовых нефтесодержащих вод. а) - принципиальная схема: 1 - емкость исходных НВ, 2 - кран шаровый, 3 - вентиль регулировочный, 4 - манометр, 5 - расходомер, 6 - цилиндрический противоточный трехпродуктовый гидроциклон, 7 - емкость очищенной воды, 8 - вентиль проходной, 9 - насос винтовой, 10 - шламовая емкость, 11 - цилиндроконический двухпродуктовый гидроциклон, 12 - емкость нефтепродуктов; б) - общий вид

По результатам эксперимента с помощью программного продукта STATISTICA 6.0 были получены полиноминальные зависимости эффективности выделения твердых механических частиц в двухпродуктовом цилиндроконическом гидроциклоне от давления на входе в аппарат (рис. 5), а также зависимость между эффективностью очистки от нефтепродуктов и давлением на входе в трехпродуктовый гидроциклонный аппарат предложенной конструкции (рис. 6). Адекватность проверена с использованием критерия R².

Рисунок 5 - Влияние давления на входе в двухпродуктовый гидроциклон на эффективность процесса выделения твердых механических частиц.

Рисунок 6 - Влияние давления на входе в трехпродуктовый гидроциклон на эффективность процесса разделения

В ходе опыта по выделению твердых механических частиц в двухпродуктовом гидроциклоне установлено следующее.

1. С увеличением давления на входе в аппарат возрастало значение концентрации твердых механических частиц в нижнем сливе, т.е. увеличивалась эффективность очистки. Данный эффект наблюдался вплоть до достижения величины давления 170 кПа.

2. При дальнейшем увеличении давления наблюдалось резкое снижение эффективности очистки и унос твердой фазы в верхний слив.

Проведение экспериментального исследования с использованием трехпродуктового цилиндрического гидроциклона показало следующее.

1. Эффективное выделение нефтепродуктов из поступающих на обработку НВ происходит в интервале значений давления на входе в аппарат от 16 до 27 кПа.

2. Наивысшая степень очистки 99% достигнута при давлении 23 кПа. При превышении указанного значения наблюдалось снижение эффективной работы и перераспределение потоков в полости гидроциклона с последующим уносом нефтепродуктов в нижний тангенциальный слив вместе с очищенной водой. Концентрация нефтепродуктов при указанной величине давления составляла 370 г/м³.

Для экспериментального определения дозы и величины объемной скорости эжектируемой озоно-воздушной смеси для финишной обработки НВ был создан отдельный опытный стенд, представленный на рис. 7.

Рисунок 7 - Принципиальная схема и внешний вид опытной установки: 1 - озонатор; 2 - секундомер; 3 - мерная емкость; 4 - деструктор озона; 5 - ротаметр

По результатам проведенного эксперимента установлено, что уже при малых величинах дозы озона (? 8 г/м³) наблюдается достаточно высокий эффект очистки НВ от растворенных и тонкоэмульгированных нефтепродуктов. Оптимальной величиной дозы озона при финишной обработке судовых НВ целесообразно считать диапазон значений (15…16,5 г/м³).

После проведения экспериментальных исследований определились неизвестные величины математического описания, что позволило разработать математическую модель работы судовой СОНВ.

Она состоит из системы 10 уравнений:

1. Уравнение материального баланса СОНВ:

(7)

где - объемная скорость рабочей среды в отстойнике, м³/с; - объемная скорость рабочей среды в двухпродуктовом гидроциклоне, м³/с;

- объемная скорость рабочей среды в трехпродуктовом гидроциклоне, м³/с; - объемная скорость рабочей среды в водо-воздушном эжекторе, м³/с.

2. Уравнение энергетического баланса системы для двух сечений:

(8)

где Н₁,Н₂ - геометрические высоты в 1-м и 2-м сечениях, м; р₁, р₂ - давление в 1-м и 2-м сечениях, кПа; с - плотность жидкости, кг/м³; , - средние скорости движения потоков в 1-м и 2-м сечениях, м/с; - потеря напора на участке 1-2, м.

3. Уравнения, описывающие работу аппарата отстойного типа и определяющие количество задерживаемых твердых механических частиц и нефтепродуктов:

; ; ,(9)

где Q₁ - количество осадка, задерживаемого в отстойнике, м³/с; Q₂ - количество нефтепродуктов, выделяемых при статическом отстаивании, м³/с; j_вв - степень выделения взвешенных веществ, принимаемая равной (50 - 60)%; с_ос - плотность осадка, (1,1 - 1,5) кг/м³ в зависимости от влажности; z - влажность осадка, %; С_нп - концентрация нефтепродуктов в исходной НВ, кг/м³; - степень выделения нефтепродуктов, значение которой для вертикальных отстойников находится в диапазоне (65 - 75)%.

4. Выражения, отражающие общую производительность двухпродуктового гидроциклона и ее зависимость от давления на входе в аппарат: судовой сточный очистка

; ,

,(10)

где Q₅ - объемная скорость сгущенного продукта, м³/с; - диаметр гидроциклона, мм - диаметр входного отверстия, мм - диаметр верхнего слива, мм; - диаметр нижнего слива, мм; - высота цилиндрической части, мм; - угол конусности, град.

5. Уравнение, описывающее взаимосвязь эффективности очистки от твердых механических частиц и давления на входе в двухпродуктовый гидроциклон:

(11)

6. Выражения, характеризующие производительность трехпродуктового гидроциклона, а также взаимосвязь его геометрических и режимных параметров:

; , ;

(12)

где - объемные расходы через нижний, верхний и центральный сливы соответственно; F₁, F₂, F₃ - площади поперечных сечений верхнего, нижнего и центрального сливных отверстий; - диаметр гидроциклона, мм; - диаметр входного отверстия, мм

- диаметр верхнего слива, мм ; - диаметр нижнего слива, мм; - диаметр центрального слива, мм; - высота, мм.

7. Полученная экспериментальным путем зависимость эффективности выделения нефтепродуктов от давления на входе в трехпродуктовый гидроциклон:

(13)

8. Уравнения, характеризующие работу в СОНВ озонатора:

; ,(14)

где - концентрация озона в озоно-воздушной смеси, г/м³; - производительность озонатора г/с.

9. Выражения, описывающие работу водо-воздушного эжектора:

;,(15)

где Q_г - объемная скорость эжектируемого газа, определяемая экспериментальным путем исходя из необходимой дозы озона, м³/с; Q_ж - объемная скорость рабочей среды (НВ), равная , м³/с; р_р - давление рабочей среды перед эжектором, кПа; р_сж - давление рабочей среды после эжектора, кПа, - площадь камеры смешения, м²; - площадь выходного отверстия сопла, м².

10. Выражения, позволяющие рассчитать геометрические параметры контактного фильтра в зависимости от расхода жидкости:

; ,(16)

где - высота контактного фильтра, м; - диаметр корпуса фильтра, м; - диаметр контактной колонны, м; - скорость фильтрования, м/с.

Адекватность математической модели проверялась с использованием метода наименьших квадратов (R²). Полученные значения (R² = 0,8567 и R² = 0,9462) соответствуют критериям адекватности, следовательно, разработанная математическая модель отражает ход реальных процессов в системе.

В пятой главе представлены принципиальная схема, методика ее проектирования и блок-схема расчета. Кроме того, разработана принципиальная схема объединенной судовой системы очистки СВ и НВ и оценены социально-экологический и экономический эффекты от ее внедрения.

После проведения теоретических и экспериментальных исследований окончательно сформулировались технологические процессы обработки НВ, на основании которых была разработана принципиальная схема СОНВ, представленная на рис. 8.

Разработанная математическая модель работы СОНВ служит основой методики ее проектирования. В зависимости от исходных данных принимаются соответствующие проектные решения, последовательность которых определяется блок-схемой, приведенной на рис. 9.

Рисунок 8 - Принципиальная схема предлагаемой СОНВ: 1 - Цистерна - отстойник; 2 - винтовой насос; 3 - двухпродуктовый цилиндроконический гидроциклон; 4 - трехпродуктовый цилиндрический гидроциклон; 5 - емкость накопительная; 6 - озонатор; 7 - деструктор озона; 8 - контактный фильтр; 9 - камера шламоприемная; 10 - цистерна накопления нефтепродуктов; 11 - эжектор водовоздушный; 12 - прибор контроля концентрации нефтепродуктов; 13 - клапан элактромагнитный.

Рисунок 9 - Блок-схема расчета судовой СОНВ

Анализ принципиальных схем СОСВ, предложенный проф. Курниковым А.С. и Распоповым А.В, а также СОНВ, выполненный автором, позволили рассмотреть возможность объединения этих систем в единую.

Действительно, идентичная технология очистки СВ и НВ, использование единого окислителя озона и УФ-излучения на финишном этапе обработки доказывает возможность такого объединения.

Кроме этого, создание единой системы позволяет уменьшить массо-габаритные характеристики, сократить количество узлов, повысить надежность работы системы, упростить обслуживание и повысить эксплуатационные характеристики.

Принципиальная схема разработанной объединенной судовой системы очистки СВ и НВ представлена на рис. 10, а блок-схема ее расчета приведена на рис. 11 (расчет СОСВ был заимствован у Распопова А.В.).

Методика проектирования внедрена при создании объединенной судовой системы очистки СВ и НВ для пассажирского колесного судна проекта ПКС-40 «СУРА» ООО «Судоходная компания «ОКА». Общий вид теплохода представлен на рис. 12.

Социально-экологический эффект от внедрения результатов представленной работы выражается в следующем:

- предотвращение эмиссий, загрязняющих окружающую среду;

- возможность практически полной переработки указанных видов эксплуатационных судовых отходов непосредственно на борту судна;

- улучшение экологического состояния водоемов на судоходных участках;

- улучшение эстетического восприятия природы.

Ожидаемый экономический эффект от оснащения теплохода проекта ПКС-40 «СУРА» объединенной системой очистки СВ и НВ составит 303568 рублей ежегодно.

Рисунок 10 - Принципиальная схема объединенной судовой системы очистки СВ и НВ 1 - фильтр грубой очистки самоочищающийся; 2 - цистерна-отстойник с 2_мя датчиками уровня воды; 3 - камера хлопьеобразования; 4 - флотатор; 5 - транспортер; 6 - шламовая емкость; 7 - насосы; 8 - клапан электромагнитный; 9 - клапан поплавковый; 10 - насос-дозатор; 11 - емкость для коагулянта; 12 - дренаж; 13 - эжектор; 14 - редуктор; 15 - реле давления; 16 - фильтр воздушный; 17 - манометр; 18 - адсорбер; 19 - шайба дроссельная; 20 - блок подготовки воздуха; 21 - труба вихревая; 22 - кран пробоотборный; 23 - блоки озонирующих элементов; 24 - расходомер; 25 - озонатор; 26 - фильтр контактный; 27 - влагоотделитель; 28 - деструктор; 29 - лампа УФЛ; 30 - клапан предохранительный; 31 - труба переливная; 32 - двухпродуктовый цилиндроконический гидроциклон; 33 - трехпродуктовый цилиндический гидроциклон

Общие выводы

Итогом проведенных исследований является разработка объединенной судовой системы очистки СВ и НВ.

Основные результаты исследований сводятся к следующему:

1. Показано, что существующие на сегодняшний день судовые СОНВ не всегда обеспечивают требуемые показатели качества очистки исходных НВ, обладают высоким энергопотреблением и малой степенью автоматизации, чутко реагируют на состав и начальную концентрацию нефтепродуктов в обрабатываемых стоках.

2. Установлено, что с учетом судовой специфики для эффективной механической очистки исходных НВ от взвешенных веществ и нефтепродуктов целесообразно применять гидроциклонные аппараты.

3. Составлено математическое описание работы СОНВ, включающее в себя уравнения материального и энергетического балансов. Представлены зависимости для определения основных режимных и геометрических параметров элементов предлагаемой СОНВ.

Рисунок 11 - Блок-схема расчета объединенной системы очистки СВ и НВ

Рисунок 12 - Общий вид судна проекта ПКС-40 «СУРА»

4. Определены экспериментальным путем значения неизвестных величин, входящих в математическое описание работы СОНВ.

5. Разработана математическая модель, адекватно описывающая процесс очистки НВ.

6. Предложена принципиальная схема СОНВ, имеющая в своем составе цистерну-отстойник, двух- и трехпродуктовые гидроциклоны для эффективной предварительной очистки, а также контактный фильтр и озонатор для финишной очистки исходных НВ.

7. Разработана методика проектирования судовой СОНВ.

8. На основе теоретических и экспериментальных исследований разработана принципиальная схема объединенной судовой системы очистки СВ и НВ, которая позволит производить комплексную обработку данных видов отходов непосредственно на борту судна.

9. Новизна технических решений при создании объединенной системы очистки СВ и НВ доказана получением патента РФ № 89484.

10. Методика проектирования внедрена при создании объединенной судовой системы очистки СВ и НВ для пассажирского теплохода проекта ПКС-40 «СУРА».

Публикации по теме диссертации

Статьи, опубликованные в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Писарев А.О. Некоторые особенности судовых нефтесодержащих вод и способы повышения эффективности их очистки /Писарев А.О.// Судостроение/.- СПб: ГНЦ РФ ФГУП ЦНИИТС. -2010. - №2. - С. 41 - 43.

Статьи, опубликованные в прочих научных изданиях:

2. Писарев А.О. Очистка судовых нефтесодержащих вод для их рекуперации / Писарев А.О., Курников А.С. // VII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2008. Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи. Лучшие проекты/ Сб. мат. - М: изд-во ОАО “ГАО ВВЦ”, 2007. - С. 186 - 189.

3. Писарев А.О. Разработка многоступенчатой системы очистки судовых нефтесодержащих вод / Писарев А.О., Курников А.С. // VIII Всероссийская выставка научно-технического творчества молодежи НТТМ-2008. Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи. Лучшие проекты/ Сб. мат. - М: изд-во ОАО “ГАО ВВЦ”, 2008. - С. 207 - 209.

4. Писарев А.О. Влияние судовых стоков на окружающую среду / Писарев А.О., Курников А.С. // IX Международный научно-практический форум “Великие реки - 2008” / Тез. докл. - Н. Новгород: изд-во НГАСУ, 2008. - С. 225 - 228.

5. Писарев А.О. К вопросу использования трехпродуктовых гидроциклонов в судовых системах очистки нефтесодержащих вод / Писарев А.О., Курников А.С. // Молодежь и научно-технический прогресс (ISSN 2072-9057), Владивосток, апрель - май 2009, издательство ДВГТУ, 2009. С 64-67.

6. Писарев А.О. Актуальные проблемы очистки судовых нефтесодержащих вод / Писарев А.О., Курников А.С. // «Вестник» Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 27. - Н.Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2008, С 97-107.

7. Писарев А.О. Особенности гидроциклонных аппаратов для разделения двух несмешивающихся жидкостей /ПисаревА.О., Курников А.С., Соболев И.И.// X Международный научно-практический форум “Великие реки - 2009” / Тез. докл. - Н. Новгород: изд-во НГАСУ, 2009. - С. 225 - 228.

8. Писарев А.О. Особенности судовых нефтесодержащих вод. Способы повышения эффективности их очистки. / Писарев А.О., Курников А.С. // «Вестник» Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 28. - Н.Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009, С 123-133.

9. Писарев А.О. Озонирование - как эффективный метод очистки судовых нефтесодержащих вод. / Писарев А.О., Ляпина Н.Ш.// «Вестник» Волжской государственной академии водного транспорта. Выпуск 28. - Н.Новгород: Издательство ФГОУ ВПО «ВГАВТ», 2009, С 94-98.

10. Писарев А.О. Опыт использования гидроциклонов в судовых системах очистки нефтесодержащих вод. / Писарев А.О., Курников А.С. // XI Международный научно-практический форум “Великие реки - 2010” / Тез. докл. - Н. Новгород: изд-во НГАСУ, 2010. - С. 215 - 217.

11. Писарев А.О. Многоступенчатая система очистки судовых нефтесодержащих вод. /Писарев А.О., Курников А.С.// VIII Всероссийская выставка НТТМ 2008., Материалы научно практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» М: изд-во ОАО “ГАО ВВЦ”, 2008. - С. 147 - 149.

12. Писарев А.О. Патент на полезную модель №89484 Судовая система очистки нефтесодержащих вод / Курников А.С., Писарев А.О.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО “ВГАВТ”. - № 2009107556 заявл. 02.03.2009.- 5 С.: ил.



Формат 6084 1/16. Гарнитура «Таймс».

Ризография. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,3.

Тираж 150 экз. Заказ

Издательско-полиграфический комплекс ФГОУ ВПО «ВГАВТ»

603950, Нижний Новгород, ул. Нестерова, 5а

Размещено на Allbest.ru