CC BY
182
УДК 655.004.55
ИННОВАЦИИ В СИСТЕМЕ ОЧИСТКИ СТОЧНЫХ ВОД ОТ НЕФТЕПРОДУКТОВ
С. А. Галко, В.Е. Константинов, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников
Рассмотрены перспективные тенденции очистки сточных вод от нефтепродуктов с применением полимеров пространственно-глобулярной структуры и высокопористых ячеистых металлов. Приведены результаты исследований инновационных методов и средств очистки сточных вод от жидких нефтепродуктов.
Ключевые слова: очистка, модульная установка, загрязнения, пористые материалы, фильтрование, пространственно-глобулярная структура, нефтепродукты.
Возрастание объемов производства с увеличением сбросов и одновременным ужесточением требований и норм по охране окружающей среды остро ставит необходимость решения проблемы очистки, регенерации и утилизации рабочих сред. Причем это могут быть стоки как промышленных технических, так и бытовых вод с превышением норм содержания предельно допустимых концентраций загрязняющих веществ, сбрасывать которые без предварительной очистки запрещено [1].
Поскольку используемые рабочие среды, продукты жизнедеятельности (отходы) являются дисперсными многофазными системами (средами), то разработка технических средств для их разделения является актуальной задачей. Существующие в настоящее время многочисленные технологические схемы разделения и обработки дисперсных систем базируются на создании сложных, дорогостоящихх и энергоемких комплексов.
В рамках проведения работ по импортозамещению отечественными предприятиями осваивается производство принципиально нового класса высокопористых полимерных материалов, имеющих пространственно-глобулярную структуру (далее - ПГС-полимеры) [2]. Появление таких материалов с регулярной глобулярной структурой, а также высокопористых ячеистых металлов (далее - ВПЯМ) с открытой пористостью до 96 % позволяют при значительном сокращении материальных затрат на производство и при эксплуатации создавать малогабаритные модульные установки с широким спектром разделительных свойств, одним из которых является фильтрование.
Как правило, изготовители фильтрующих элементов формулируют требования к чистоте рабочей среды из условия реализации номинального ресурса при номинальных параметрах нагружения. Тем самым изготовители пытаются ограничить загрязненность среды так, чтобы фильтр в течение заданного времени не вышел из строя по фактору абразивного износа.
Одним из путей увеличения ресурса работы, а также уменьшения габаритных размеров фильтров является использование материалов с объемным (глубинным) механизмом фильтрации. Перспективными для решения этой задачи являются такие пористые материалы, как ВПЯМ, которые находят все более широкое применение в различных устройствах, предназначенных для очистки жидкостных и газовых потоков от загрязнений, в том числе нефтепродуктов, и могут быть применены при создании эффективных малогабаритных фильтров [3].
Развитая поверхность и сквозная пористость ВПЯМ при соответствующей обработке перегородок (например, при предварительном обезжиривании) позволяют наносить лиофильные и лиофобные покрытия, дополнительно активировать материал пористых перегородок, придавая им каталитические свойства, осаждая на их поверхности продукты жизнедеятельности микроорганизмов, а также нанося нанопокрытия. Так, осаждая железобактерии, можно окислять серу в меркаптанах до элементарной серы. Учитывая «объемный характер» перегородок из ВПЯМ, а также их физические свойства, можно в одной конструкции объединить несколько устройств с разнообразными свойствами. При этом поровое пространство в пакете из ВПЯМ можно загружать различными наполнителями. Нанося нанопокрытия на перегородки из ВПЯМ можно придавать им бактерицидные свойства и тем самым ингибировать жидкие среды, замедляя окислительные процессы после проведения очистки. Загружая поровое пространство сорбентами минерального происхождения (например, бескарбонатными цеолитами на основе трепела), можно очищать нефтепродукты, сточные и артезианские воды, а используя органические сорбенты, можно очищать (и даже регенерировать) отработанные нефтепродукты. Применение ПГС - полимеров, а также комплектующих из ВПЯМ в конструктивных элементах фильтрующих устройств позволяет существенно повысить эффективность их работы.
Наличие составляющих переменного магнитного поля как низкой, так и высокой частоты, обусловленных элементами конструкции, а также присутствие в жидкой среде частиц с ферромагнитными свойствами способствует повышению эффективности процесса разделения. Такими конструктивными элементами могут быть постоянные магниты и концентраторы магнитного поля, а наполнителями, вводимыми с реагентом, - нано-частицы гематита железа.
Сотрудниками ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России» разработана установка для очистки сточных вод от нефтепродуктов, принципиальная схема которой представлена на рисунке.
Установка содержит накопитель 1 с исходной жидкой средой, связанный трубопроводом с насосом 2, эжектор 3 со штуцером для ввода реагента и штуцером для подсоса атмосферного воздуха с обратным клапаном, камеру флотации 4 (выполненная в виде цилиндрического стакана).
Внутри камеры флотации 4 коаксиально закреплена на перфорированных перегородках обечайка 5, под нижним торцом которой жестко установлена наклонная перегородка из ВПЯМ с лиофобным покрытием (с размером пор 30 мкм) с образованием полости для сбора осадка и полости частично очищенной воды, сливаемой через выходной патрубок 6. Камера смешения эжектора 3 соединена с источником подачи атмосферного воздуха, а также с трубопроводом для подсоса реагента из емкости 7. Выход эжектора 3 трубопроводом соединен с патрубком подачи смеси в обечайку 5 над жестко закрепленной внутри нее горизонтальной перегородкой, выполненной из ВПЯМ, идентичного материалу наклонной перегородки с лиофобным покрытием, над которой размещен поплавок 8 из ферромагнитного ВПЯМ. С наружной стороны обечайки 5 выше патрубка подачи смеси установлены кольцевые магниты 9, охваченные концентратором магнитного поля 10 на высоту не менее диаметра обечайки 5, обеспечивающие взаимодействие вихревого слоя жидкой смеси с магнитными полями. К выходному патрубку 6 камеры флотации 4 подключен дополнительный центробежный насос 11, напорная линия которого подсоединена к системе фильтрации, состоящей из фильтра 12 с коалесцирующими свойствами и сорбционного фильтра 13. Один выход фильтра 12 с коалесцирующими свойствами связан с сорбционным фильтром 13, выполненным из ПГС-полимера, а другой выход подсоединен к дополнительному эжектору 14, с выхода которого водовоздушная смесь поступает в камеру флотации 4 в полость сбора осадка. На корпусе фильтра 12 с коалесцирующими свойствами также установлены кольцевые магниты 9.
Принципиальная схема установки для очистки сточных вод
от нефтепродуктов
Фильтрующие элементы с коалесцирующими свойствами выполнены из ПГС-полимера и армированы ВПЯМ с ферромагнитными свойствами. В зазоре между внутренней поверхностью корпуса фильтра 12 и пенометаллом установлены спиральные направляющие для закрутки потока с целью увеличения времени экспозиции в магнитном поле при фильтрации среды с микрозагрязнениями. Так, если время экспозиции небольшого объема среды при скорости потока и и шаге винтовой линии I будет I/и, то при закрутке потока путь, проходимый выделенным объемом, будет существенно больше, а именно I / ЗтЪ, а время соответственно I / 8т(Ъь), где Ъ - угол подъема винтовой линии [4].
Для удаления из очищаемой жидкой среды нефтепродуктов используются пористые перегородки с лиофобными свойствами, а также металлические сетки из цветного металла с фторопластовым покрытием, выпускаемые для разделительных перегородок фильтров [5]. При этом создание особого рельефа, как например, при использовании ВПЯМ из медно-никелевого сплава с покрытием из фтор-полимера, обеспечивает появление повышенных лиофобных свойств у разделительных поверхностей. Это достигается за счет того, что под каплями жидкости на поверхности сохраняются крошечные воздушные карманы, препятствующие растеканию. Повышенная лиофобность характерна для материалов с резким изменением кривизны поверхности. Для таких структур получены значения контактных углов смачивания более 150° [6]. Наклонная пористая перегородка не пропускает частички нефтепродуктов больше характерных размеров пор ячейки.
Присутствие концентратора магнитного поля 10 позволяет преобразовать фоновые магнитные поля вихревой природы в направленный энергетический поток напряженностью 0,06 А/м и частотой 0,8 МГц (указанные значения напряженности магнитного поля и частоты обусловлены его конструкцией и не варьируются) [7].
Использование в качестве реагента магнитных наночастиц гематита железа в жидкой среде для очистки загрязненных нефтепродуктами сточных вод объясняется тем, что эмульсионные оболочки капель отличаются повышенной адсорбирующей способностью при наличии ферромагнитных частиц. При этом эмульсионные капли нефтепродуктов приобретают магнитный момент во внешнем магнитном поле и могут быть отделены от воды [8]. Поэтому оксиды железа, применяемые в качестве реагента и носителя наночастиц, подаваемые из емкости при эжектировании потоком жидкой среды в камеру смешения эжектора 3, при одновременной подаче воздуха обеспечивают образование эмульсионной среды с указанными свойствами.
Переменное магнитное поле, создаваемое с помощью сборки постоянных кольцевых магнитов 9, при наложении высокочастотного магнитного поля от концентратора 10 интенсифицирует процессы разделения. Воз-
67
можность использования магнитной обработки для разрушения водонеф-тяных эмульсий определяется тем, что под действием магнитного поля изменяется форма коллоидных частиц из-за наличия двойного электрического слоя, а также возникает анизотропия диффузии и вязкости самой воды. При этом интенсифицируются процессы коагуляции частиц воды и нефтепродуктов. Так, при магнитной обработке нефтесодержащей воды в магнитном поле с величиной магнитной индукции до 200 мТл и времени обработки до 10 секунд происходит интенсивная коагуляция частиц металла и нефтепродуктов, последние собираются в виде крупных глобул (средний размер до 150 мкм) [9].
Закрученный вихрь с разряжением в его центре и давлением по периферии, возникающий из-за присутствия закрепленной пористой перегородки, инициирует эффективное пенообразование и отделение с пузырьками воздуха «захваченных» капель нефтепродукта и частиц загрязнений [10]. При этом в нижней части вихря происходит интенсивное торможение насыщенной воздухом жидкой среды, приводящее к кавитации растворенного воздуха с образованием большого объема мелкодисперсных пузырьков, что и обуславливает удаление большей части микрофракций нефтепродуктов и их окисление.
Кольцевые магниты 9, установленные на корпусе фильтра 12 с коа-лесцирующими свойствами, способствуют увеличению коагуляции капель нефтепродуктов, а размещение поплавка 8 из ферромагнитного ВПЯМ над перегородкой позволяет значительно увеличить магнитное поле на величину его магнитной проницаемости [11].
Технологический процесс очистки можно представить в виде следующих стадий.
I. Очистка жидкой среды при функционировании установки (продолжительность стадии определяется по уменьшению производительности, при ее снижении на 15 % проводятся стадии регенерации).
II. Регенерация полости сбора осадка (продолжительность стадии 10 мин.).
III. Регенерация сорбционного фильтра (продолжительность стадии 15 мин.).
На стадии I жидкая среда из накопителя 1 насосом 2 через эжектор 3 тангенциально подается в обечайку 5 камеры флотации 4 с подсосом реагента из емкости 7. Вихревой водовоздушный слой подвергается интенсивной магнитной обработке, обеспечивающейся воздействием наложенных переменных полей от кольцевых магнитов 9 с низкочастотной составляющей и высокочастотной составляющей от концентратора магнитного поля 10, а также наведенных полей, возникающих при вращении поплавка 8 из ферромагнитных ВПЯМ и закрученных наночастиц реагента. Среда эффективно диспергируется при кавитации и через пористую перегородку
из пенометалла и поступает в нижнюю часть объема камеры флотации 4, а флотошлам с нефтепродуктами всплывает и накапливается в лотке. Водная дисперсная среда с мелкими коллоидными частицами собирается в полости для сбора осадка, проходит через лиофобную наклонную пористую перегородку, заполняет полость для частично очищенной воды, откуда через выходной патрубок 6 подается на вход дополнительного центробежного насоса 11 и далее в систему фильтрации - фильтры 12 и 13. Тангенциальная фильтрация [12] на фильтре 12 с коалесцирующими свойствами обеспечивает постоянный вынос скоагулированных частиц в полость сбора осадка камеры флотации 4. Усиление коагуляции обеспечивается воздействием сборок кольцевых магнитов 9. В камере смешения эжектора 3 жидкая среда дополнительно эффективно диспергируется, и поступает обратно в камеру флотации 4 над наклонной перегородкой. Жидкая среда с фильтра 12 с коалесцирующими свойствами подвергается очистке от растворенных нефтепродуктов на сорбционном фильтре 13. В случае снижения производительности установки при очистке среды на 15.. .18 % производится регенерация полости сбора осадка, и регенерация сорбционного фильтра 13, то есть стадии II и III соответственно.
На стадии II поток жидкой среды поступает от центробежного насоса 11 на дополнительный эжектор 14. При этом водовоздушная среда хорошо удаляет загрязнения с поверхности наклонной перегородки, которые с потоком жидкой среды могут смываться и в дальнейшем утилизироваться в специальных емкостях или сливаться в отстойники для промышленных вод.
На стадии III производятся обратная и прямая промывки известным способом: при подключении насоса с резервуаром для промывочной жидкости (на рисунке не показаны).
Очистке разработанной установкой подвергалась загрязненная вода в объеме 50 дм после зачистки резервуаров для нефтепродуктов. Оценка качества функционирования камеры флотации 4, а также фильтра с коа-лесцирующими свойствами 12 и сорбционного фильтра 13 проводилась при отборе проб после перечисленных элементов с измерением содержания нефтепродуктов и механических примесей, при этом оценивалось воздействие магнитных составляющих (сборок магнитов с концентратором магнитного поля, а также ферро-магнитного поплавка и магнитных нано-частиц гематита железа при подаче из резервуара) на эффективность разделения. Исходная концентрация нефтепродуктов на входе в установку составляла 37,4 мг/л, содержание механических примесей - 215 мг/л. Для анализа использовался анализатор жидкости «Флюорат-02». Содержание механических примесей определялось с помощью «Автоматического туо-бидиметра для воды ТВ-346». Результаты измерений представлены в таблице.
Результаты измерения содержания нефтепродуктов и механических примесей в сточных водах
Содержание нефтепродуктов Содержание механических примесей
№ На выходе камеры флотации На выходе системы фильтрации На выходе камеры флотации На выходе системы фильтрации
Фильт- Концен- Фильт- Концен- Фильт- Концен- Фильт- Концен-
рат, мг/л трат, мг/л рат, мг/л трат, мг/л рат, мг/л трат, мг/л рат, мг/л трат, мг/л
1 4,53 6,04 0,032 5,60 80,42 120,57 0,28 80,35
2 8,27 20,61 0,054 8,47 105,63 98,25 0,42 104,32
Анализ результатов (№ 1 - с учетом действия магнитных составляющих и № 2 - без учета их действия) показывает, что наличие магнитных составляющих существенно влияет на эффективность очистки воды не только от нефтепродуктов, но и от механических примесей. После последующего разведения стоков до концентрации 0,030 мг/л они могут быть «сброшены» в открытые водоемы.
Таким образом, использование многоступенчатой очистки сточных вод от нефтепродуктов при отделении основной части эмульгированных загрязнителей в камере флотации и последующем разделении на фильтрующие элементы из ПГС-полимера, обладающие коалесцирующими и сорбирующими свойствами, а также использование перегородок из ВПЯМ с лиофобными покрытиями при магнитной обработке водо-воздушной дисперсной среды позволяет производить очистку сточных вод до уровня нормативных требований.
Список литературы
1. ГОСТ 17.1.1.01. Охрана природы, гидросфера. Использование и охрана вод. Основные термины и определения.
2. Перспективное направление развития средств фильтрации жидкостей / Н.Е. Сыроедов, С.А. Галко, Ф.Е. Шарыкин, Г.Е. Шарыкин // Наука и технологии: материалы XXXV Всероссийской конференции, посвященной 70-летию Победы 16-18 июня 2015 г.; под ред. Н.П. Ершова. М.: РАН, 2015. Т. 1. С. 117 - 121.
3. Перспективное оборудование очистки жидких нефтепродуктов / Н.Е. Сыроедов, В.Е. Константинов, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников // Нефтепереработка и нефтехимия. 2014. № 10. С. 44 - 46.
4. Советский энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1989. С. 224.
5. Каталог продукции [Электронный ресурс] // Общество с ограниченной ответственностью «Элион-2». Фильтры и фильтроэлементы для очистки авиационного топлива. [сайт]. [2009]. URL: http://niation.ru/ work-space/img/content/sertifikati/f2.pdf.
6. Сверхкритический диоксид углерода как активная среда для химических процессов с участием фторполимеров / Л.Н. Никитин, М.О. Гал-лямов, Э.Е. Саид-Галиев, А.Р. Хохлов, В.М. Бузник // Журнал Российского химического общества им. Д.И. Менделеева, 2008. Т. LII, № 3. С. 56 - 65.
7. Патент 2547750 РФ. Способ очистки технических масел / В.Е. Константинов, С. А. Галко, Ф.Е. Шарыкин, В.Г. Калашников. Опубл. 10.04.2015. Бюл. № 10.
8. Баткин И.С., Смирнов Ю.Г. Моделирование воздействия супермагнитных частиц на промысловые эмульсии // Физико-математическое моделирование систем: материалы VII Международного семинара. 26-27 ноября 2010 г. Воронеж: ВГТУ, 2011. Ч. 2. С. 155 - 162.
9. Лесин В.И. Физико-химический механизм разрушения водонеф-тяных эмульсий под действием магнитного поля // Материалы VII Всероссийского симпозиума «Актуальные проблемы теории адсорбции, модификации поверхности и разделения веществ». Отделение общей и технической химии РАН. 22 - 26 апреля 2002 г.; М.: Клязьма, 2002. С. 102.
10. Меркулов А.П. Вихревой эффект и его применение в технике. М.: Машиностроение, 1969. 70 с.
11. Кошкин Н.И., Ширкевич М.Г. Справочник по элементарной физике. М.: Наука, 1975. 210 с.
12. Рябчиков Б.Е. Современные методы подготовки воды для промышленного и бытового использования. М.: ДеЛи принт, 2004. 57 с.
Галко Сергей Анатольевич, канд. техн. наук, доц., начальник отдела, 22otdel@mail.ru, Россия, Москва, ФА У «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,
Константинов Виталий Евгеньевич, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, 22otdel@mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,
Шарыкин Федор Евгеньевич, ст. науч. сотрудник, fedor rf@mail.ru, Россия, Москва, ФА У «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»,
Калашников Валерий Георгиевич, инженер, 22otdel@mail.ru, Россия, Москва, ФАУ «25 ГосНИИ химмотологии Минобороны России»
INNOVATIONS IN WASTEWATER PURIFICATION FROM PETROLEUM PRODUCTS S.A. Galko, V.E. Konstantinov, F.E. Sharykin, V.G. Kalashnikov
The advanced trends for wastewater purification from petroleum products using space-globular structure polymers and high-porous cellular metals are observed in this article. The research results of innovative methods and means for wastewater purification from liquid petroleum products are presented.
Key words: purification, modular unit, impurities, porous materials, filtration, space-globular structure, petroleum products.
Galko Sergey Anatolevich, candidate of technical sciences, docent, the chief of department, 22otdel@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»,
Konstantinov Vitaly Evgenevich, candidate of technical sciences, the senior scientific employee, 22otdel@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»,
Sharykin Fedor Evgenevich, the senior scientific employee, fedor_rf@,mail.ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»,
Kalashnikov Valery Georgievich, the engineer, 22otdel@ mail. ru, Russia, Moscow, FAE «The 25-th State Research Institute of Himmotology, Ministry of Defence of Russian Federation»
УДК 658.511
СТРУКТУРНО-ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ
И РЕМОНТА ГРУЗОПОДЪЕМНОГО ОБОРУДОВАНИЯ
В.Ю. Анцев, А.Е. Ковалева
Представлены результаты структурно-функционального моделирования процесса технического обслуживания и ремонта грузоподъемного оборудования, на основе которых создается и оптимизируется модель процессного управления обслуживанием и ремонтом грузоподъемного оборудования.
Ключевые слова: процессный подход, техническое обслуживание и ремонт, грузоподъемное оборудование, структурно-функциональная модель, качество процесса.
Постоянное усложнение производственно-технических и организационно-экономических систем (фирм, предприятий, производств и других субъектов производственно-хозяйственной деятельности) и необходимость их анализа с целью совершенствования функционирования и повышения эффективности обусловливают необходимость применения специальных средств описания и анализа таких систем [1, 7, 8, 10]. Эта проблема приобретает особую актуальность в связи с появлением интегрированных компьютеризированных производств и автоматизированных предприятий.
Методология SADT (Structured Analysisand Design Technique) - одна из самых известных методологий анализа и проектирования систем. В основе пакета лежит доведенное до уровня стандарта подмножество SADT
