Разработка конструкции машины для осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы при низких температурах окружающей среды Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 62-9 Л. О. ШТРИПЛИНГ

Е. Г. ХОЛКИН К. С. ЛАРИОНОВ

Омский государственный технический университет, г. Омск

РАЗРАБОТКА

КОНСТРУКЦИИ МАШИНЫ

ДЛЯ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ПРОЦЕССА

ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ

НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ

ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ_

Рассматривается установка для обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования в условиях низких температур. Определены основные геометрические п араметры установки, влияющие на её производительность. Важной отличительной особенностью р ассматриваемой конструкции установки является возможность использования тепловой энергии экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненной почвы, выделяемой на каждом этапе процесса, для оттаивания последующей порции смерзшейся нефтезагрязненной почвы. Кроме того, кратковременная принудительная подача у г лекислого газа на заключительной стадии процесса обезвреживания до высокой концентрации непосредственно в установку позволяет значительно ускорить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе.

Ключевые слова: конструирование ма шин, установка для обезвреживания, нефте-загрязненная почва, реагентное капсулирование.

В современном мире загрязнение почвы нефте- ненная почва находится в смерзшемся состоянии.

продуктами в результате различных аварийных ситу- Эта проблема препятствует нормальному протека-

аций происходит достаточно часто. При этом потен- нию процесса обезвреживания и для подготовки циальными источниками возникновения аварийных почвы требуется дополнительная энергия. ситуаций являются эксплуатируемые машины, транс- Учитывая экстремальные природно-климатиче-

порт, перевозящий нефтепродукты, а также обору- ские условия Сибири и арктической зоны Россий-

дование по добыче, хранению и транспортировке ской Федерации, очень важной задачей является

углеводородов. В настоящее время разработаны и при- разработка и использование адаптированных к арк-

меняются различные виды оборудования и техноло- тическим условиям оборудования и технологий для

гии по снижению последствий загрязнения [1—3], обезвреживания нефтезагрязненной почвы. но практически все они эффективны только при по- Известно, что в регионах, в которых зимний

ложительных температурах окружающей среды. период времени составляет более шести месяцев, для

Принцип работы наиболее распространенного оперативного устранения последствий аварийных

оборудования для обезвреживания нефтезагрязнен- ситуаций, сопровождающихся разливами нефте-

ной почвы основан, как правило, на промывке почвы продуктов, наиболее перспективной является техно-

в водных растворах, содержащих поверхностно-ак- логия, основанная на инкапсуляции загрязняющего

тивные вещества [4 — 6], или экстракции нефтепро- вещества (технология реагентного капсулирования) |

дуктов с применением специальных дорогостоящих с применением щелочного реагента на основе каль-

растворителей [7]. При выборе способа и оборудо- ция [8]. В этом случае конечным продуктом обезвре-

вания для обезвреживания важно учитывать, что живания нефтезагрязненной почвы является капсу-Сибирь и арктическая зона Российской Федерации лированный материал, который по внешнему виду

занимают значительную территорию страны и отли- представляет мелкодисперсную смесь, похожую на

чаются от других регионов особыми природно-кли- обыкновенный песок (рис. 1). матическими условиями, в частности, длительным Технология реагентного капсулирования пред- о

периодом отрицательных температур. Основной ставляет сложный процесс, но в упрощенном виде > проблемой обезвреживания почвы, загрязненной она может быть описана при помощи двух химиче-

нефтепродуктами, в условиях отрицательной темпе- ских уравнений:

ратуры окружающей среды является то, что загряз- СаО + Н20 ® Са(ОН)2 + О, (1)

Таблица 1

Энтальпии образования веществ, участвующих в химической реакции

Рис. 1. Капеллированный материал, полученный в результате обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами

Са(ОН)2 + СО2 ® СаСО3 + Н2О + О.

(2)

Вещество Энтальпии образования АН0 , кДж/моль

СаО -635,1

Н2О -285,8

Са(ОН)2 -985,0

СО2 -393,5

СаСО3 - 1206,1

Окончательное формирование оболочки у микрокапсул из карбоната кальция на поверхности загрязняющего вещества происходит в результате химической реакции гидроксида кальция и углекислого газа, находящегося в окружающем воздухе. Однако стоит заметить, что процесс формирования оболочки у микрокапсул — это достаточно длительный процесс, так как при нормальных условиях концентрация углекислого газа в атмосферном воздухе не превышает 0,05 %. При последующем нахождении кап-сулированного материала на воздухе происходит дальнейшее упрочнение оболочки.

Процесс обезвреживания с использованием технологии реагентного капсулирования следует осуществлять на оборудовании, которое сочетает в себе свойства смесителя и реактора (реактор-смеситель).

Задачами исследования являются:

— разработка конструкции установки для осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязнен-ной почвы с использованием технологии реагентного капсулирования в условиях низких температур;

— оценка энергетического потенциала химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами;

— определение основных параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы с использованием технологии реагентного капсулирова-ния, при которых тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания, гарантированно хватит для оттаивания смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы.

Разработка адаптированного к арктическим условиям оборудования для обезвреживания нефтеза-грязненной почвы может идти по пути использования тепловой энергии, которая выделяется на каждом этапе процесса обезвреживания и в обычных условиях рассеивается в окружающей среде. Кроме того, кратковременная принудительная подача углекислого газа на заключительной стадии процесса обезвреживания до высокой концентрации непосредственно в установку позволяет значительно

ускорить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе.

Для оценки энергетического потенциала химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, используем закон Гесса. Согласно этому закону, энтальпия реакции (АН) равна сумме энтальпий образования продуктов реакции за вычетом суммы энтальпий образования исходных веществ с учетом стехиометрических коэффициентов:

АН = АН_, - АН,,

(3)

где АНкон и АНисх — соответственно конечное и исходное энергетическое состояние системы.

Для определения количества энергии, выделяемой в результате химической реакции (1, 2) экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, потребуются стандартные теплоты (энтальпии) образования (АН0) веществ, участвующих в химической реакции [9], которые представлены в табл. 1.

Энтальпия химической реакции (1) определяется суммой энтальпий образования оксида кальция и воды за вычетом энтальпии образования гидроксида кальция:

АН0 = АН°(Со(ОН)2) - [АН0(СаО) + АН0(Н2О) ] =

= -985 - (-635,1 - 285,8) = -64,1 кДж/моль.

Полученная теплота образования химической реакции рассчитана для 1 моля оксида кальция (СаО), который равен М(СаО) = 56 граммов.

Так как строительная известь третьего сорта, используемая в качестве реагента, содержит 70 % активного оксида кальция, то количество молей СаО в 1 кг, участвующих в химической реакции, равно:

т(СаО) 1000

п(СаО) = у—1-- = 0,7-= 12,5 моль.

М(СаО) 56

Тогда, при взаимодействии 1 кг строительной извести третьего сорта, используемой в качестве реагента, с водой выделяется энергия, равная:

0(СаО) = п(СаО) • АН0 = 12,5 • 64,1 = 801,25 кДж.

Аналогично определяется энтальпия химической реакции (2). При взаимодействии 1 кг гидроксида кальция (Са(ОН)2) выделяется 1531 кДж.

Таким образом, в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами,

Рис. 2. Схема установки для обезвреживания при отрицательной температуре окружающей среды почвы,

загрязненной нефтепродуктами

выделяется: 20хр = 0(СаО) + 0(Са(ОН)2) = 801,25 + 1531 =

= 2332,25 кДж.

Учитывая, что в природно-климатических условиях Арктики почва, загрязненная нефтепродуктами, содержит влагу и находится в смерзшемся состоянии, то для осуществления обезвреживания необходимо все смерзшиеся куски нефтезагрязненной почвы предварительно нагреть, чтобы они растаяли.

Чтобы нагреть лёд до температуры плавления, необходимо следующее количество энергии:

отп = с • m ■ (ti - у.

(4)

где с — удельная теплоемкость (для льда с = 2110 Дж/ (кг°С));

т — масса материала (кг);

t1 — температура плавления (для льда t1 = 0 °С); t2 — температура окружающей среды (принимаем ^=-40 °С). Тогда

ОТП = с ■ т ■ (t1 - t2) = 2110 • 1 • (0 - (-40)) = = 84400 Дж = 84,4 кДж.

Чтобы лёд расплавить, необходимо следующее количество энергии:

Опл = 1 • m .

(5)

где 1 — удельная теплота плавления (для льда 1 = = 340000 Дж/кг).

Тогда Опл = 1 ■ т = 340000 ■ 1 = 340000 Дж= 340 кДж-

Суммарное количество теплоты, необходимое для того, чтобы смерзшиеся куски нефтезагрязненной почвы растаяли, определяется следующим образом:

2ОН = ОТП + ОПЛ = 84,4 + 340 = 424,4 кДж.

Проведенные расчеты показали, что в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания 1 кг почвы, загрязненной нефтепродуктами, выделяется 2332,25 кДж, а для оттаивания смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы необходимо 424,4 кДж.

Таким образом, тепловой энергии, выделяющейся в результате химической реакции экзотермического

процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, гарантированно хватит для успешного осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы, что позволит осуществлять процесс обезвреживания в зимних условиях.

На основе проведенных расчетов авторами разработана конструкция установки (рис. 2) [10], позволяющая при помощи технологии реагентного капсулирования осуществлять обезвреживание почвы, содержащей нефтепродукты, в условиях отрицательной температуры непосредственно вблизи источника загрязнения.

В установке тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтесодер-жащего материала аккумулируется теплоносителем, который находится во внутренней полости стенки корпуса смесителя, а затем используется для оттаивания последующей порции смерзшегося нефте-содержащего материала, находящегося в бункере для оттаивания. Установка позволяет обезвреживать нефтезагрязненную почву, а также лед и снег, насыщенный нефтепродуктами.

Вся энергия, выделяющаяся на каждом этапе процесса обезвреживания (1, 2), используется для оттаивания кусков смерзшейся нефтезагрязненной почвы, нагрева теплоносителя, который находится во внутренней полости корпуса установки, а часть энергии рассеивается в окружающую среду и составляет потери. Тогда в первом приближении уравнение теплового баланса выглядит следующим образом:

s0x .р . 0 нагрев.

+ 0тепл + 0п

(6)

где ОХЕ — энергия, выделяющаяся в ходе химической реакции;

Онагрев — энергия, необходимая для оттаивания кусков смерзшейся нефтезагрязненной почвы; Отепл — энергия, передаваемая теплоносителю, находящемуся во внутренней полости корпуса установки;

Опотери — энергия, которая рассеивается в окружающую среду (принимаем Опотери = 0,5. Охр).

Основные конструктивные элементы установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы показаны на расчетной схеме (рис. 3). Внутренняя

о

os

нижний шнек j

Рис. 3. Расчетная схема установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы

полость, выполненная в стенке корпуса установки, заполнена теплоносителем э1х1б-65, который имеет достаточно высокую удельную теплоемкость (с = 2,974 кДж/кг-°С) и температуру замерзания 65 °С ниже нуля. Основными геометрическими параметрами установки, которые влияют на её работоспособность и производительность, являются внутренний d и внешний диаметр Б смесителя, высота стенок Н бункера для оттаивания мерзлого нефте-загрязненного грунта, длина установки Ь и ширина полости t в стенке корпуса, которая заполнена теплоносителем э1х1б-65.

Ширину полости t в стенке корпуса определим исходя из необходимого количества теплоносителя, который требуется для аккумулирования и передачи тепла для оттаивания последующей порции смерзшегося нефтесодержащего материала, находящегося в бункере. Толщину стенок корпуса установки принимаем равной 5 мм. Для определения остальных геометрических параметров установки введем следующие соотношения: D = d + 2•t+10 мм; Н= = 0,6^; Ь = 2,5^.

При определении геометрических параметров условно выделим три типа установок: малые, средние и большие. Малые установки позволяют загружать в смеситель до 100 кг нефтезагрязненной почвы, средние — 1000 кг, большие — 20000 кг. Проведенные экспериментальные исследования [11] показывают, что для гарантированного осуществления процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы в среднем необходимо использовать известь в качестве реагента в количестве, не превышающем 80 % от массы нефтезагрязненной почвы. Проведенные расчеты показали, что в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, с использованием 1 кг реагента выделяется Охр = = 2332,25 кДж, а для оттаивания 1 кг смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы необходимо затра-

Qt

= c • m

•(tk - tн )

(7)

тить

: 424,4 кДж. Используя уравнение (6),

находим количество энергии (0ТЕПЛ ), передаваемой теплоносителю, находящемуся во внутренней полости корпуса установки. Массу теплоносителя найдем, воспользовавшись формулой для определения количества теплоты при нагревании тела:

где с — удельная теплоемкость теплоносителя (для теплоносителя Dixis-65 c = 2,974 кДж/кг°С); m — масса теплоносителя, кг;

tk и tH — конечная и начальная температура тела соответственно, °С.

Затем, зная плотность теплоносителя ( р = 1091 кгм3), находим объем теплоносителя и ширину внутренней полости t в стенке корпуса. Расчеты параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы проведены c использованием программы для работы с электронными таблицами Microsoft Excel, а результаты расчетов представлены в табл. 2.

Определены основные геометрические параметры трех типов установок для обезвреживания нефтезагрязненной почвы методом реагентного капсули-рования (табл. 2), при которых тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания, гарантированно хватит для оттаивания смерзшихся комков почвы, загрязненных нефтепродуктами.

Рассматриваемая конструкция установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы по сравнению с другими установками имеет важное преимущество, которое заключается в использовании при необходимости (например, в зимних условиях) тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы, которая в обычных условиях рассеивается в окружающей среде. Кроме того, кратковременная принудительная подача углекислого газа на заключительной стадии процесса обезвреживания до высокой концентрации непосредственно в установку позволяет заменить длительный процесс образования и упрочнения оболочек микрокапсул, происходящий в естественных условиях на открытом воздухе.

Выводы. В рассматриваемой модели установки тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненной почвы аккумулируется теплоносителем, который находится во внутренней полости стенки корпуса установки, а затем при необходимости (например, в зимних условиях) используется для оттаивания последующей порции смерзшейся нефтезагрязненной

Таблица 2

Результаты расчетов геометрических параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы

Масса загружаемой нефтезагрязненной почвы, кг d D H L t

мм

100 450 640 270 1125 90

1000 1000 1350 600 2500 170

20000 2500 3700 1500 6250 580

почвы, помещенной в бункер, и снега для получения воды, необходимой для осуществления реакции капсулир ования.

Установка позволяет обезвреживать не только нефтезагрязненную почву, но и насыщенные нефтепродуктами лед или снег.

Установка может применяться как в стационарных, так и в полевых условиях при низких (отрицательных) температурах окружающей среды.

Библиографический список

1. Manzetti S. Remediation Technologies for Oil-Drilling Activities in the Arctic: Oil-Spill Containment and Remediation in Open Water // Environmental Technology Reviews. 2014. Vol. 3, Issue 1. P. 49-60. DOI: 10.1080/21622515.2014.966156.

2. Гержберг Ю. М., Цхадая H. Д., Токарев В. В. [и др.]. Оценка и совершенствование технологий обезвреживания регулярных загрязненных отходов производства и аварийных разливов нефтепродуктов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2014. № 5. С. 5-10.

3. Штриплинг Л. О., Токарев В. В., Гержберг Ю. M. [и др.]. Переработка и утилизация нефтешламов и нефтезагрязненных материалов, образующихся в местах добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья: моногр. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 176 с. ISBN 978-5-7692-1301-4.

4. Пат. 2330734 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/00, C 02 F 11/00. Установка для переработки нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов / Амирова Л. М., Култашев А. Б., Новширванов Л. Г. [и др.]. № 2007102110/15; заявл. 19.01.2007; опубл. 10.08.2008, Бюл. № 22.

5. Пат. 2414312 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/00. Устройство для очистки нефтезагрязненного грунта от нефти и нефтепродуктов / Протопопов И. М. № 2008123060/07; заявл. 09.06.2008; опубл. 20.03.2011, Бюл. № 8.

6. Пат. 2381995 Российская Федерация, МПК C 02 F 1/40, B 09 C 1/02. Способ очистки грунтов и почв от нефти и нефтепродуктов и установка для его осуществления / Ефимчен-

коС. И., Агеев А. В., Пыльнов А. С. № 2008133690/15; заявл. 18.08.2008; опубл. 20.02.2010, Бюл. № 5.

7. Пат. 2440200 Российская Федерация, МПК B 09 C 1/02. Способ очистки загрязненного нефтью и нефтепродуктами грунта / Кузнецов О. Ю., Кручинина H. Е., Тихонова И. О. [и др.]. № 2010123685/13; заявл. 10.06.2010; опубл. 20.01.2012, Бюл. № 2.

8. Ларионов К. С., Холкин Е. Г., Штриплинг Л. О. Ликвидация последствий аварийных разливов нефтепродуктов в Арктической зоне России с использованием технологии реагент-ного капсулирования // Арктика: экология и экономика. 2017. № 1 (25). С. 120-129.

9. Волков А. И., Жарский И. М. Большой химический справочник. Мн.: Современная школа, 2005. 608 с. ISBN 9856751-04-7.

10. Пат. 157884 Российская Федерация, МПК В 09 С 1/08. Установка для обезвреживания нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов / Ларионов К. С., Холкин Е. Г., Штриплинг Л. О. № 2015130193/13; заявл. 21.07.2015; опубл. 20.12.2015, Бюл. № 35.

11. Shtripling L. O., Kholkin E. G. Development of Provisions for Oil Contaminated Soil Neutralizing in the Conditions of Siberia and the Arctic // AIP Conference Proceedings. 2017. Vol. 1876, Issue 1. DOI: 10.1063/1.4998848.

ШТРИПЛИНГ Лев Оттович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Промышленная экология и безопасность». Адрес для переписки: [email protected] ХОЛКИН Евгений Геннадьевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленная экология и безопасность».

Адрес для переписки: [email protected] ЛАРИОНОВ Кирилл Сергеевич, аспирант кафедры «Промышленная экология и безопасность».

Статья поступила в редакцию 02.10.2017 г. © Л. О. Штриплинг, Е. Г. Холкин, К. С. Ларионов

Книжная полка

Чумаков, Ю. Теория и расчет транспортных газотурбинных двигателей : учеб. / Ю. Чумаков. -М. : Форум, Инфра-М, 2017. - 448 с. - ISBN 978-5-91134-673-7, 978-5-16-006055-2.

Учебник посвящен теории и расчету транспортных газотурбинных двигателей наземного применения, в частности автотракторных ГТД. Первая часть содержит общую теорию и расчет лопаточных машин, являющихся основными элементами любой газотурбинной установки. Рассмотрены основы проектирования и характеристики ступеней турбомашин и вопросы их согласования в транспортных ГТД. Приводится методика и примеры расчета компрессора и турбины. Материалы этого раздела могут быть использованы при изучении ГТУ широкого применения. Во второй части учебника рассматривается теория и расчет термодинамических циклов, схемы и характеристики ГТД автотракторного назначения, которые применяются в настоящее время или являются перспективными. Рассматриваются некоторые случаи применения одновальных ГТД в комбинированных установках, использующих электрические генераторы и двигатели. Учебник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 13.03.03 «Энергетическое машиностроение».

о

OS