CC BY
43
УДК 66.02
В. А. Лашков, Р. Ш. Суфиянов
ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРНО-МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ
Ключевые слова: функция истечения Дженике, сдвиговые испытания нефтезагрязненных грунтов.
На основе функции истечения Дженике экспериментально определены технологические характеристики нефтесодержащего песка, как объекта транспортирования и дозирования.
Keywords: function of the expiration of Jenice, shear tests of oily soils.
On the basis of the Jenike’s flow function technological characteristics of oily sand, as the object of conveying and dosing, were determined experimentally.
Процессы, связанные с образованием и обезвреживанием нефтесодержащих отходов, с позиций системного анализа можно рассматривать как взаимосвязанную систему, для описания количественных закономерностей которой на различных иерархических уровнях, применимы методы математического моделирования [1].
Важнейший принцип системного анализа это процесс принятия решений, который должен начинаться с выявления и четкого формулирования конечных целей, при этом проблема должна рассматриваться как единое целое с необходимым анализом альтернативных путей достижения этих целей. Независимо от рассматриваемой сферы деятельности или производства, на основе блочномодульного подхода необходимо производить анализ приоритетных факторов, определяющих экологическую безопасность процессов. Данный системный принцип широко применяется для решения ряда природоохранных задач [2] и создания экологически чистых технологий [3].
Проектирование техники в целом и технологического оборудования для обезвреживания нефтесодержащих грунтов в частности, вызывает необходимость формулирования целого ряда задач с вовлечением большего числа параметров и подчинением процесса поиска эффективных решений единой цели. По мере расширения круга задач исследуемые объекты усложняются и одноуровневый подход к оптимизации становится недостаточным.
В основе оптимизации сложных систем лежит метод их структурной декомпозиции, заключающейся в разделении сложной системы на ряд подсистем и элементов, что способствует существенному снижению размерности проблемы и упрощению ее решения.
Сам по себе данный метод не дает новых знаний по исследуемой проблеме, но позволяет локализовать «сложные узлы», структурирует их в новой комбинации, что часто приводит к получению новой информации и к появлению новых качеств в исследуемой системе с проявлением так называемой эмерджентности [4].
Система обращения с отходами нефтяной
отрасли взаимодействует с внешней средой и состоит из взаимосвязанных и взаимодействующих между собой подсистем различного уровня и элементов, образующих структуру системы, созданной по иерархическому принципу.
Образование нефтесодержащих отходов происходит при осуществлении многочисленных процессов, связанных с добычей, подготовкой, транспортированием и переработкой нефти. Наиболее проблематичным является обезвреживание неф-тешламов, содержащих значительное количество механических примесей, т. е. обезвреживание нефтесодержащих грунтов (НСГ). Основной целью анализа всех входящих в систему элементов является повышение эффективности обезвреживания НСГ, которую необходимо оценивать, как на каждом иерархическом уровне, так и на стадии агрегирования или синтеза. Сложность и многогранность проблемы ставит во главу угла её разностороннее исследование с различных точек зрения, и при этом важно установить отношения на рассматриваемом множестве элементов системы, несмотря на различие аспектов их описания.
Сравнение различных известных методов обезвреживания НСГ с учетом конструктивных и технологических особенностей используемых технологий, показывает, что наиболее универсальным является метод реагентного капсулирования, называемый также химическим методом.
К основным направлениям повышения эффективности обезвреживания нефтесодержащих грунтов химическим методом можно отнести:
- повышение эффективности протекания технологических процессов транспортирования и истечения из бункерных устройств;
- сбережение и возврата в производственный цикл вторичных сырьевых ресурсов в виде извлеченной нефти (нефтепродуктов).
Рассмотрим подробнее первое направление, касающееся технологического аспекта повышения эффективности процесса химического обезвреживания НСГ. На рис. 1 представлена принципиальная схема технологической установки, состоящей из ряда сборочных узлов.
Рис. 1 - Принципиальная схема технологической установки химического обезвреживания:
1 - роторный смеситель; 2 - ленточный транспортер; 3 - скиповый подъемник; 4 - бункер для НСГ; 5 - бункер для негашеной извести;
6 - бункер для модификатора; 7 - бункер-накопитель конечного продукта обезвреживания (КПО)
Одной из целей, стоящих перед разработчиком оборудования, является создание бункерных устройств с устойчивым гравитационным истечением всех сыпучих компонентов, участвующих в процессе, включая НСГ.
Рис. 2 - Общий вид прибора для сдвиговых испытаний: 1 - кювета; 2 - пуансон;
3 - основание; 4 - индикатор; 5 - регулировочный винт; 6 - грузоподъемное
кольцо; 7 - маховик; 8 - набор грузов; 9 -сыпучий материал
Понятие «нефтесодержащие грунты» является относительно широкой категорией, куда могут входить как грунты с незначительным содержанием нефти (нефтепродуктов), так и грунты, содержащие в своем составе большое количество нефти (нефтепродуктов) и поэтому не подпадающие под понятие
«сыпучие материалы». С целью определения границ предельного содержания нефти (нефтепродуктов) в НСГ, в рамках которых к ним могут быть применены известные модели, в частности, модели для расчета напряжений [5], были проведены соответствующие эксперименты.
Для оценки текучести нефтесодержащих
грунтов был выбран критерий РРС, называемый
функцией истечения, разработанный Э. Дженике [6], и были проведены соответствующие исследования образцов НСГ на сдвиговом приборе, общий вид которого представлен на рис. 2.
В качестве основы нефтесодержащих грунтов был использован промытый от глинистых примесей, просушенный речной песок, из которого были получены модельные образцы НСГ, с содержанием нефти 2, 5, 10%. На рис.3 представлены результаты построения линий предела текучести указанных образцов НСГ.
Полученные результаты определения РРС
и насыпной плотности (р0) образцов НСГ представлены в таблице.
Шкала текучести сыпучих материалов по Дженике выглядит следующим образом:
РРс < 2 — весьма вязкие, но способные к
Ф Сухой песок с 2% нефти ■ Сухой песок с 5% нефти
—а— Сухой песок с 10% нефти
1,5 2,75 4 5,25
Напряжение нормальное, кПа
Рис. 3 - Линии предела текучести образцов НСГ
истечению под действием собственного веса;
2 < РРС < 4 — вязкие, истекающие под действием собственного веса;
10 < РРС — свободно истекающие.
Таблица 1 - Результаты определения структурно-механических характеристик НСГ
Сыпучий материал ррс р0, кг м 3
Речной песок 12 1440,0
Речной песок + 2% нефти 10 1430,0
Речной песок + 5% нефти 2,8 1408,0
Речной песок + 10% нефти 0,15 1388,0
Таким образом, при исследовании технологичности НСГ, на примере сухого речного нефтесо-
держащего песка как объекта для загрузки в бункер (выгрузки из бункера) было установлено, что при содержании в нем нефти около 5%, нефтесодержащий грунт по классификации Дженике может быть отнесен к вязким сыпучим материалам, но способным к гравитационному истечению.
Литература
1. Кафаров, В.В. Системный анализ процессов химической технологии. Основы стратегии / В.В. Кафаров, И.Н. Дорохов. - М.: Наука, 1976. - 394 с.
2. Калыгин, В.Г. Промышленная экология / В.Г. Калыгин.
- М.: Академия, 2006. - 432 с.
3. Лашков, В.А. Исследование процессов, протекающих
при понижении давления среды, с позиций системного анализа / В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2011. - №20. - С.122-129.
4. Перегудов, Ф.И. Введение в системный анализ / Ф.И. Перегудов, Ф.П. Тарасенко. - М.: Высш. шк., 1989. - 320 с.
5. Суфиянов, Р.Ш. Математическое моделирование процесса выгрузки компонентов из бункерных устройств при химическом обезвреживании нефтяных шламов / Р.Ш. Суфиянов // Математические методы в технике и технологиях (ММТТ-23): сб.науч.тр. / XXIII Междунар. науч. конф. 22-24 июня. - Саратов, 2010. - С. 130-131.
6. Дженике, Э.В. Складирование и выпуск сыпучих материалов. - М.: Мир, 1968. - 789 с.
© В. А. Лашков - д-р техн. наук., проф., зав. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru, Р. Ш. Суфиянов - канд. техн. наук, доц. кафедры переработки природных материалов МГУИЭ.
