Определение геометрических параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы в природно-климатических условиях Сибирского региона и Арктической зоны России методом реагентного капсулирования

VI. Выводы и заключение

В результате проведенных исследований выполнен тепловой расчет упругой звукоизолирующей муфты, изготовленной из резины. По результатам проведенных расчетов получены следующие основные результаты:

1. Поля распределения температуры по массиву муфты.

2. Время выхода на установившийся тепловой режим работы.

3. Зависимости максимальной температуры и времени выхода на режим от частоты вращения муфты и от температуры внешней среды.

Полученные результаты позволяют сделать вывод, что применение современных программных средств конечно-элементного анализа позволяет с достаточной степенью точности существенно ускорить решение поставленных задач.

Список литературы

1. Михайлов Ю. К., Иванов Б. С. Муфты с неметаллическими упругими элементами: теория и расчет. Л.: Машиностроение, 1987. 145 с.

2. Старастенко И. Н. Расчет теплообразования в предварительно деформированном резиновом цилиндре при гармоническом нагружении // Научный журнал КубГАУ. 2007. № 27. С. 3.

3. Гончаров П. С. [и др.]. NX Advanced Simulation. Инженерный анализ. М.: ДМК Пресс, 2012. 504 с.

4. Mancuso Jon R. Couplings and joints. Design, selection, and application. 7th ed.: revised and expanded. NewYork: Marcel Dekker, Inc, 1999. 581 p.

5. Francis A. B. Experimental, Numerical and Analytical Characterization of Torsional Disk Coupling Systems: theses and dissertations. 2014. 625 р.

6. Reddy J. N. An Introduction to Nonlinear Finite Element Analysis. USA: Oxford University Press, 2004.

7. Logan D. L. A First Course in the Finite Element Method, 5th ed. USA: Cengage Learning, 2012.

8. Tsyss V. G., Strokov I. M., Sergaeva M. Yu. The issues of life extension of seismic isolation system of circular tanks for storage of liquefied petroleum gasws // Procedia Engineering. 2015. Vol. 113. Р. 395-401.

9. Tsyss V. G., Strokov I. M., Sergaeva M. Yu. Dampener resource of seismic isolation absorber system of circular tanks for liquid hydrocarbons storage // Procedia Enginering. 2015. Vol. 113. Р. 402-407.

10. Byrtus М. Dynamic Analysis of Reduced Order Large Rotating Vibro-Impact Systems // Int. J. Mech., Ind. Sci. Eng. 2013. Vol., no. 11. Р. 1263-1270.

11. Burkardt J., Du Qlang, Gunzburger М., Lee H.-C. Reduced order modeling of complex systems // NA03 Dundee. 2003. Р. 29-38.

УДК 62-9

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ УСТАНОВКИ

ДЛЯ ОБЕЗВРЕЖИВАНИЯ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННОЙ ПОЧВЫ В ПРИРОДНО-КЛИМАТИЧЕСКИХ УСЛОВИЯХ СИБИРСКОГО РЕГИОНА И АРКТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ РОССИИ МЕТОДОМ РЕАГЕНТНОГО КАПСУЛИРОВАНИЯ

Л. О. Штриплинг, Е. Г. Холкин, К. С. Ларионов

Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия

DOI: 10.25206/2310-9793-2017-5-1-84-88

Аннотация — В статье представлен порядок определения основных геометрических параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы методом реагентного капсулирования. Рассматривается установка для оперативного устранения последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефтепродуктов, адаптированная к зимним условиям. В установке тепловая энергия экзотермического процесса химического обезвреживания нефтезагрязненной почвы, выделяемая в ходе обезвреживания, используется для оттаивания последующей порции смерзшейся нефтесодержащей почвы. Установка 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.

Ключевые слова: Оборудование для обезвреживания, аварийные разливы нефтепродуктов, нефтеза-грязненная почва, нефтешлам, обезвреживание, реагентное капсулирование.

I. Введение

Известно, что в регионах, в которых зимний период времени составляет более шести месяцев, для оперативного устранения последствий аварийных ситуаций, сопровождающихся разливами нефтепродуктов, наиболее перспективной является технология, основанная на инкапсуляции загрязняющего вещества (технология реа-гентного капсулирования) с применением щелочного реагента на основе кальция [1]. В этом случае конечным продуктом обезвреживания нефтезагрязненной почвы является капсулированный материал, который по внешнему виду представляет мелкодисперсную смесь, похожую на обыкновенный песок.

Авторами статьи проведены исследования по уточнению рецептуры обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, используя для обезвреживания технологию реагентного капсулирования, в том числе адаптированную к «зимним условиям» [2]. Также был получен патент на полезную модель установки для обезвреживания нефтезагрязненных почв, грунтов и нефтешламов [3], которая позволяет при необходимости (например, в зимних условиях) использовать тепловую энергию, выделяемую 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. Оценка энергетического потенциала химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, показывает, что 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 нефтезагрязненной почвы в зимних условиях [4].

II. Постановка задачи

Задача исследования заключается в определении основных геометрических параметров установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы методом реагентного капсулирования, при которых тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания, гарантированно хватит для оттаивания смерзшихся комков почвы, загрязненных нефтепродуктами.

III. Теория

Вся энергия, выделяющаяся на каждом этапе процесса обезвреживания нефтезагрязненной почвы, 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:

Sßx .Р. = ЯнАГРЕВ. + &ЕПЛ. + ЯПОТЕРИ ,

где Qx.p. - энергия, выделяющаяся в ходе химической реакции;

Qhatpeb. - энергия, необходимая для оттаивания кусков смерзшейся нефтезагрязненной почвы;

Qt-епл. - энергия, передаваемая теплоносителю, находящемуся во внутренней полости корпуса установки;

Япотери - энергия, которая рассеивается в окружающую среду (принимаем ЯПОТЕРИ = 0,5QxP).

Основные конструктивные элементы установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы показаны на расчетной схеме (рис. 1). Внутренняя полость, выполненная в стенке корпуса установки, заполнена теплоносителем Dixis-65, который имеет достаточно высокую удельную теплоемкость (с = 2,974 кДж/кт°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 D смесителя, высота стенок H бункера для оттаивания мерзлого нефтезагрязненного грунта, длина установки L и ширина полости t в стенке корпуса, которая заполнена теплоносителем Dixis-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 нефтесо-держащего 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; H = 0,6 • d; L = 2,5 • d.

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 [2] 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 [4] показали, что в результате химической реакции экзотермического процесса химического обезвреживания почвы, загрязненной нефтепродуктами, с использованием 1 кг реагента выделяется Qxp. = 2332,25 кДж, а для оттаивания 1 кг смерзшихся кусков нефтезагрязненной почвы необходимо Qhatpeb. = 424,4 кДж. Используя уравнение (1), находим количество энергии (ЯТЕПЛ), передаваемой теплоноси-

телю, находящемуся во внутренней полости корпуса установки. Массу теплоносителя найдем, воспользовавшись формулой для определения количества теплоты при нагревании тела:

Ятепл.= с •т •

где с - удельная теплоемкость теплоносителя (для теплоносителя 01x15-65 с = 2,974 кДж/кг°С); т - масса теплоносителя, кг;

4 и 4. - конечная и начальная температура тела соответственно, °С.

Рис. 1. Расчетная схема установки для обезвреживания нефтезагрязненной почвы

Затем, зная плотность теплоносителя (р = 1091 кг/м3), 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. 1.

ТАБЛИЦА 1

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

IV. Результаты экспериментов Определены основные геометрические параметры трех типов установок для обезвреживания нефтезагрязненной почвы методом реагентного капсулирования (табл. I), при которых тепловой энергии, выделяемой на каждом этапе процесса обезвреживания, гарантированно хватит для оттаивания смерзшихся комков почвы, загрязненных нефтепродуктами.

V. Обсуждение результатов Установка 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.

VI. Выводы и заключение

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 смерзшегося нефтезагрязненной почвы, помещенной в бункер, снега для получения воды, необходимой для осуществления реакции капсулирования.

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

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

Возможно проектирование рассматриваемой модели установки практически любой производительности.

Список литературы

1. Штриплинг Л. О., Токарев В. В., Гержберг Ю. М., Краус Ю. А., Логунова Ю. В. Переработка и утилизация нефтешламов и нефтезагрязненных материалов, образующихся в местах добычи, транспортировки и переработки углеводородного сырья: моногр. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2013. 174 с.

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

3. 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. 21.07.15; опубл. 20.12.15, Бюл. № 35.

4. Холкин Е. Г., Штриплинг Л. О. Создание технических средств для обезвреживания нефтезагрязненной почвы в условиях Омского региона // Ученые Омска - региону: материалы II Регион. науч.-техн. конф. / ОмГТУ. Омск, 2017. С. 240-256.