Очистка нефтесодержащих вод морских судов методом гидродинамической суперкавитации потока

В настоящее время при эксплуатации всех типов судов возникает проблема возникновения, сбора, хранения и последующей переработки нефтесодержащих вод. Сепарация таких вод, в состав которых в основном входят неиспользованные в тепловых двигателях (дизелях, котлах и турбинах) тяжелые фракции топлива и масла, является сложной технологической задачей. Применительно к морским судам следует отметить, что нефтесодержащие воды в основном возникают при обеспечении процессов топливоподготовки, топливоподачи, а также смазывания и охлаждения тепловых двигателей, а для судов, транспортирующих нефть или продукты нефтехимии, еще и при мойке грузовых танков. В случае автономной работы судна количество таких вод напрямую определяется техническим состоянием используемого оборудования, соблюдением правил технической эксплуатации и самое главное – мощностью главного двигателя судовой энергетической установки [1, с. 34].

Типичными составляющими судовых нефтесодержащих вод являются нефть и ее тяжелые составляющие [4, с. 61]. В общем случае эти компоненты представляют собой раствор высокомолекулярных соединений в низкомолекулярных. В смеси с водой они представляют собой обычную дисперсную систему.

Степень дисперсности нефтепродуктов в нефтесодержащих водах варьируется в широком пределе. При этом, с точки зрения гидростатического поведения многофазной жидкости, можно констатировать, что хорошо подвергаются плотностной стратификации те нефтепродукты у которых диаметр капель превышает сотые доли миллиметра. При хранении и отстаивании такие грубодисперсные составляющие занимают верхние слои рассматриваемого объема. С точки зрения последующего отделения и переработки наибольший интерес представляют собой тонкодисперсные частицы с диаметром менее 1 мкм. За счет компенсации силы Архимеда силами поверхностного взаимодействия с водой они не всплывают и находятся во взвешенном состоянии, образуя фактически обычную эмульсию. Степень эмульгирования всегда повышается в случае транспортировки нефтесодержащих вод, что в основном определяется турбулентными пульсациями движущегося потока и механическим смешением при прохождении через рабочие органы нагнетательного оборудования. При своем движении такие эмульсии подчиняются закону трения жидкости Шведова-Бингама и в диапазоне температур от 50 до 80°С могут быть отнесены к классу вязкоупругих жидкостей. При дальнейшем повышении температуры в эмульсиях начинают проявляться свойства ньютоновских жидкостей. Концентрация тонкодисперсной нефтяной составляющей обычно лежит в пределах от 20 до 50 мл на 1 л водной фазы [3, с. 58].

На процесс разделения судовых нефтесодержащих вод в статическом режиме на составляющие оказывает влияние много факторов концентрация, размеры частиц, их механизм взаимодействия между собой, физико-химические свойства внешней и рассматриваемой сред и т.д. В такой дисперсной системе как судовые нефтесодержащие воды диссипация энергии, которая вызывается сопротивлением сил вязкостного происхождения, обычно расходуется по следующим трем направлениям:

• изменение вязкости, которая проявляется в дисперсной среде;
• компенсация взаимодействия движущейся дисперсионной среды с взвешенными частицами;
• компенсация структурных изменений, которые вызываются взаимодействием частиц дисперсной фазы [4, с. 62].

С точки зрения переработки составляющих судовых нефтесодержащих вод следует отметить важность температурного диапазона технологического процесса. Этот параметр существенно видоизменяется в зависимости от вида компонент, составляющих нефтесодержащие воды. Так, например, основные кинематические свойства (касательное напряжение и вязкость) тяжелых топлив в диапазоне температур от 0 до 25°С изменяются практически по линейному закону, а существенно нелинейный характер поведения начинается только с температуры равной 30°С [2, с. 81].

Все известные методы, которые для очистки нефтесодержащих вод используют в своей работе плотностную стратификацию и механическое разделение характеризуется невысоким качеством очистки судовых нефтесодержащих вод и могут применяться только на стадии предварительной сепарации. С другой стороны, методы, дающие значение концентрации нефтепродуктов на выходе менее 15 мг/л характеризуются одним общим недостатком - сложностью своей технической реализации и большими затратами (экономическими, трудовыми, материальными) на текущее обслуживание.

Проведенный анализ главных компонент судовых нефтесодержащих вод, их основных реологических свойств, а также методов и устройств, применяемых для их хранения, транспортировки и переработки указал на необходимость разработки принципиально новой технологии по их отделению от основной водной компоненты. Одним из вариантов подобного подхода может являться использование и управление основными гидромеханическими характеристиками движущейся среды. В данном случае предусматривается использование эффекта холодного кипения жидкости за счет использования гидромеханического процесса суперкавитации внутри специально спрофилированной рабочей камеры, являющейся неотъемлемой частью судовой системы сепарации нефтесодержащих вод. При таком техническом решении характер поведения перерабатываемого потока судовых нефтесодержащих вод будет всегда напрямую определяться исключительно условиями его движения внутри кавитационной камеры. Достоинство предлагаемого гидродинамического подхода является перспективным и с экономической точки зрения. Энергетические затраты на гидромеханическое эмульгирование воды с нефтепродуктами в 10…15 раз меньше, чем при использовании технологии ультразвуковой кавитации [1, с. 36].

С целью решения указанных проблем была разработана установка, принципиальная схема которой показана на рис. 1. Приведенная схема может рассматриваться как принципиальная технологическая схема сепарационной установки, работающей на использовании явления суперкавитации. Принцип ее работы основан на автоматическом контроле и регулировании основных гидродинамических характеристик потока судовых нефтесодержащих вод, которые циркулируют по замкнутому контуру.

Установка работает следующим образом: в сервисный танк 1 судовые нефтесодержащие воды поступают из различных технологических участков судна. К основному перечню таких участков относятся: носовые, кормовые и центральные колодцы, различные танки для сбора остатков топлива и масла, а также танки сбора промывочной воды (в случае ее использования на судах, перевозящих нефтепродукты).

Рисунок 1. Принципиальная схема судовой установки по очистки нефтесодержащих вод: 1 – сервисный танк; 2 – змеевиковый подогреватель; 3 – воздушный трубопровод; 4, 9, 13, 18, 26, 27 – автоматический клапан; 5, 23 – компрессор; 6 – поплавковый уровнемер; 7 – термометр; 8, 17, 21, 24, 28, 31 – трубопровод; 10 – сборный танк; 11 – измеритель концентрации нефти; 12 – линия основного контура обработки судовых льяльных вод; 14 – центробежный насос; 15 – фильтрационная сетка; 16 – вакуумметр; 19 – манометр; 20 – кавитатор; 22, 25 – датчик концентрации; 29 – шестеренный насос; 30 – конденсационный танк

Сервисный танк 1 укомплектован змеевиковым подогревателем 2. Этот подогреватель служит для разогрева и/или поддержания на постоянном уровне температуры судовых нефтесодержащих вод. Обычно рабочий диапазон температуры составляет 30…80°С. Подогрев осуществляется с целью проведения предварительной флотации, в результате которой будет происходить плотностная стратификация льяльных вод. В этом случае будет иметь место разделение по высоте танка 1 исходной смеси на ее компоненты – осветленную воду и продукты нефтехимии. С целью интенсификации процесса предварительного разделения в танке 1 используется воздушная. Создание пузырьковой завесы осуществляется из проложенного по дну танка 1 воздушного трубопровода 3. Для автоматического поддержания расхода воздуха на постоянном уровне на трубопроводе 3 установлена серия автоматических клапанов 4.

При эксплуатации судна всегда имеет место выпадение твердого осадка из судовых нефтесодержащих вод. Обычно высота отложений в период между очистками танка (в среднем от 7 до 9 месяцев) может достигать до 10% от высоты жидкости, находящейся в нем. Поэтому, для обеспечения надежной воздушно-пузырьковой завесы магистраль подачи воздуха 3 должна прокладываться на уровне 0,14…0,17 максимальной высоты уровня нефтесодержащих вод, находящихся в танка. Сжатый воздух подается в воздушный трубопровод 3 при помощи компрессора 5. Для контроля за уровнем наполнения и температурой судовых нефтесодержащих вод в танке 1 используются поплавковый уровнемер 6 и термометр 7.

Для отбора светлой воды после предварительного процесса флотации на высоте от 5 до 7 % верхнего уровня танка 1 подсоединяется трубопровод 8. На нем устанавливается автоматически управляемый клапан 9. По линии 8 светлая вода с малой концентрацией нефтепродуктов поступает в сборный танк 10. Для управления клапаном 9 на отводном трубопроводе 8 установлен измеритель концентрации нефти 11. При превышении установленного предельного значения концентрации нефтепродуктов этот датчик подает сигнал на закрытие клапана 9 и на открытие установленного, на линии основного контура обработки судовых льяльных вод 12 автоматического клапана 13.

Из танка 1 судовые льяльные воды отбираются при помощи центробежного насоса 14. На входе в насос установлена фильтрационная сетка 15 и вакуумметр 16. Фильтрационная сетка 15 предназначена для отделения крупных твердых остатков и посторонних предметов (ветошь, бумага, металлическая стружка и т.д.), которые могли случайным образом оказаться в сервисном танке 1 или сборном танке 10. Кроме того, сетка 15 обеспечивает бесперебойную и продолжительную эксплуатацию насоса 14. При помощи показаний вакуумметра 16 возможно судить о степени загрязнения фильтрационной сетки 15 и контролировать вакуум, создаваемый насосом 14 на линии всасывания.

На трубопроводе 17, т.е. на линии нагнетания за насосом 14, для управления расходными характеристиками обрабатываемого потока судовых льяльных вод установлен автоматически управляемый вентиль 18. Также, за насосом установлен манометр 19, который в автоматическом режиме предоставляет данные о величине давления в рабочем контуре сепарационной установки.

На основном рабочем трубопроводе 12 при помощи фланцевого соединения установлен основной технологический элемент судовой сепарационной установки – кавитатор 20. Он представляет собой специально спрофилированную камеру, внутри рабочего канала которой, за счет локального падения давления (локального роста скорости) генерируется и в последующем стационарно поддерживается гидродинамический процесс суперкавитации. Технологически кавитатор 20 выполнен в виде плоского канала состоящего из плавно сужающегося сопла, прямолинейного узкого участка и плавно расширяющегося диффузора. Конструкция кавитатора обеспечивает получение высоких скоростей потока и уменьшения давления, что является неотъемлемой составляющей процесса кавитации.

На выходе из кавитатора 20 отделенные нефтесодержащие продукты, попадают в трубопровод 21. На нем установлен блок измерения концентрации водной компоненты в нефтесодержащих продуктах 22. По трубопроводу 21 смесь поступает обратно в сервисный танк 1.

При работе установки датчик концентрации 22 показывает степень очистки судовых нефтесодержащих вод и контролирует процесс их отделения. Если концентрация водной компоненты не снизилась до заданного уровня, то процесс отделения будет продолжаться по описанному замкнутому контуру обработки. Циркуляция судовых нефтесодержащих вод должна поддерживаться до тех пор, пока датчик 22 не покажет заданную степень очистки воды.

В результате процесса холодного кипения, вызываемого кавитацией внутри кавитатора, получается холодный водяной пар. Из кавитатора 20 он отбирается при помощи компрессора 23 по трубопроводу 24. На линии всасывания 24 перед компрессором 23 установлен датчик измерения концентрации нефтепродуктов в водяном паре 25. Также, на линии всасывания, установлен автоматически регулируемый клапан 26. Управление этого клапана осуществляется от датчика концентрации 25. Если концентрация нефтепродуктов в водяных парах превышает заданное значение, то датчик 25 подает сигнал на закрытие автоматического клапана 26. В этом случае происходит перепускание пара с нефтесодержащими примесями через автоматический невозвратный клапан 27 в трубопровод 28.

На линии 28 установлен шестеренный насос 29, который присоединен к нагнетательному трубопроводу 17. Если датчик концентрации 25 показывает нормальную концентрацию паров, т.е. отсутствие примесей нефтепродуктов, то пары отбираются компрессором 23 и попадают по трубопроводу 31 в сборный танк воды 30. В танке 30 пар конденсируется и переходит из газообразного в жидкое состояние. В последующем полученная вода из танка 30 может подаваться на хозяйственные нужды судна. В этом случае ее необходимо подвергать дополнительной санитарно-гигиенической обработке. Полученные продукты нефтехимии из сборного танка 1, можно также использовать в энергетических нуждах судна в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Для управления всей защитно-регулировочной автоматикой сепарационной установки предусматривается установка электронного щита управления.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

1) разработанный новый метод сепарации позволяет очищать судовые нефтесодержащие воды с выходной концентрацией воды менее 5 млн^–1, что обеспечивает международные требования по предотвращению загрязнения морской среды с судов;

2) нефтепродукты (топливо и моторное масло), отделяемые из судовых нефтесодержащих вод разработанным способом суперкавитации, могут использоваться как вторичное топливо, направляемое на энергетические нужды судна (как правило, для работы судовой котельной установки);

3) разработанная установка для сепарирования судовых нефтесодержащих вод характеризуется малыми энергетическими затратами и обеспечивается стандартными трудозатратами на техническую эксплуатацию, техническое обслуживание и ремонт.