Анотація до роботи:

Істомін В.І. Удосконалення функціональних властивостей суднових систем очищення нафтовмісних вод.- Рукопис

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.08.05 - Суднові енергетичні установки. Одеська національна морська академія, Одеса, 2006

Дисертація присвячена питанням вдосконалення функціональних властивостей суднових систем очищення нафтовмісних вод і режимів роботи, що підвищують її економічність. Науково обґрунтована концепція створення високоефективних суднових систем очищення нафтовмісних вод з новими вдосконаленими характеристиками, сутністю її є те, що зниження шкідливих наслідків забруднення моря нафтою при експлуатації СЕУ, підвищення ефективності очищення при мінімальній вартості і енергоспоживанні має базуватися на системному підході й досягається підвищенням ефективності массопереносу, внаслідок зменшення внутрішньої енергії полідисперсного неоднорідного двокомпонентного середовища - нафтоводяної емульсії на всіх стадіях очищення (накопичення, перекачування, коалесценція, поділ) у багатокаскадних суднових системах, що мають мінімальну вартість, енергоспоживання і оптимальну пропускну здатність.

Розроблено новий метод моделювання процесів реології неоднорідної двокомпонентної полідисперсної рідини - нафтоводяної емульсії, сутність якого полягає в тім, що при дослідженні процесів коалесценції й очищення суднових нафтовмісних вод необхідно обов'язково враховувати сили взаємодії часток дисперсної фази й дисперсійного середовища між собою і матеріалом фільтроелемента. Використання результатів дисертаційної роботи дозволить отримати економічний ефект понад 30 млн. дол. США.

У дисертаційній роботі представлені теоретичне узагальнення й нове рішення науково-прикладної проблеми зниження шкідливих наслідків забруднення моря нафтою при експлуатації СЕУ на підставі подальшого розвитку теорії фільтрації і коалесценції двокомпонентної неоднорідної полідисперсної рідини й нового методу математичного моделювання реології неоднорідних середовищ, що враховує сили взаємодії часток дисперсної фази й дисперсійного середовища нафтоводяної емульсії з фільтроелементом, що дозволило розробити комплексну концепцію удосконалення суднових систем очищення нафтовмісних вод, засновану на системному підході та підвищенні ефективності массопереносу у процесі очищення, шляхом зменшення внутрішньої енергії полідисперсного неоднорідного двокомпонентного середовища - нафтоводяної емульсії на усіх стадіях очищення (накопичення, перекачування, коалесценція, поділ) у багатокаскадних суднових системах, які характеризуються мінімальмини вартістю і енергоспоживанням та оптимальною пропускною здатністю, що має важливе народно-господарське значення.

На противагу традиційній практиці роздільної методології проектування застосовані системний підхід і комплексні дослідження технічних засобів і технологічних процесів накопичення, перекачування, поділу води й нафти, що підвищують енергозбереження, працездатність і екологічну безпеку СЕУ.

Основні результати, що визначають наукову новизну й практичну значимість роботи полягають в наступному:

1. Підвищення ефективності очищення й массопереноса досягається шляхом керування силами взаємодії часток дисперсної фази й дисперсійного середовища нафтовмісних вод з матеріалом фільтроелемента, на основі врахування цих сил розроблений новий метод моделювання процесів реології неоднорідної двокомпонентної полідисперсної рідини - нафтоводяної емульсії;

2. _{Установлено, що ефективність суднових систем очищення НВВ істотно залежить від типу перекачувального насоса і режимів його роботи. При цьому перепад тиску є визначальним чинником і здійснює найбільш істотний вплив на емульгуючу здатність насосів, внаслідок значного збільшення дотичних напружень. Тому фільтруюче обладнання й система в цілому повинні мати стабільно мінімальний гідравлічний опір (не більше 0,1 МПа) при частоті обертання насоса 600 хв}^-1_{, раціональне значення критерію подібності режимів роботи насосів Зоммерфельда-Мишке в цьому випадку лежить у межах (6,7…10)10}⁶_;

3. Зниження вартості, енергоспоживання очищення НВВ досягається використанням розроблених тканинних і гранульованих коалесцуючих фільтроелементів, що мають нежорстку структуру для ефективної регенерації й оптимальну пропускну здатність, розраховану за розробленою методикою з урахуванням індивідуальних характеристик судна.

4. Вперше, виходячи з концепції руху взаємопроникних континуумів, отримані диференціальні рівняння процесу фільтрації нафтовмісних вод у тканинних фільтрах, за допомогою яких визначені гідродинамічні критерії й комплекси подоби процесу коалесценції; для реалізації плану експериментів розроблена математична модель процесу коалесценції часток дисперсної фази НВВ у тканинних фільтрах.

5. Вперше в даній роботі отримані нові гідродинамічні комплекси Vi і Se, які характеризують ефективність процесу коалесценції часток дисперсної фази нафтовмісних вод у тканинних фільтрах, дозволяють моделювати досліджуваний процес. Гідродинамічний комплекс Vi являє собою відношення адгезійної сили до сил інерції і тертя й характеризує змушений рух нафтоводяної емульсії в обсязі тканинного коалесцуючого фільтроелемента. Гідродинамічний комплекс Se є відношенням адгезійної сили до піднімальної сили, що діють на частки дисперсної фази нафтоводяної емульсії в обсязі чарунки тканинного коалесцуючого фільтроелемента і характеризує вільний рух крапель нафти внаслідок різниці густин.

6. У процесі теоретичного дослідження уточнена фізична модель процесу очищення нафтовмісних вод в обсязі гранульованого коалесцуючого завантаження й отримали подальший розвиток закономірності досліджуваного процесу, виходячи з яких установлені фактори, що визначають ефективність очищення. Для реалізації плану експериментів уперше отримана математична модель процесу очищення нафтовмісних вод СЕУ в обсязі гранульованого завантаження на основі рівняння регресії, що дозволяє розрахувати раціональні конструктивні та експлуатаційні параметри установок з гранульованими фільтроелементами.

7. Вперше проведені за спеціальною програмою масштабні експлуатаційні дослідження з метою визначення реального добового обсягу накопичення нафтовмісних вод (V_доб) на суднах різних типів, внаслідок яких установлено, що існуючі норми для визначення V_доб значно завищені, тому що не враховують прогресивних змін конструкцій дейдвудних ущільнень і сальників насосів та інших механізмів, що відбулися за останні десятиліття.

Отримані статистичні дані дозволили вперше обґрунтувати норми добового накопичення нафтовмісних вод суден з урахуванням їх індивідуальних особливостей. Регістр Судноплавства України і Російський Морський Регістр Судноплавства схвалили запропоновану методику розрахунку нових норм V_доб, впровадження яких збільшує автономність плавання суден, істотно знижує енергоспоживання й вартість СЕУ, внаслідок значного зменшення пропускної здатності систем.

8. Вперше розроблена концепція комплексного проектування і оптимізації систем очищення НВВ, сутністю якої є те, що підвищення ефективності очищення й ресурсу роботи систем при мінімальній вартості і енергоспоживанні досягається активним впливом на характеристики полідисперсного неоднорідного середовища - нафтоводяної емульсії на всіх стадіях очищення, що дозволяє: на основі аналізу фізико-хімічних властивостей нафтовмісних вод, визначити раціональну (ресурсо- і енергозберігаючу) технологічну схему очищення; науково обґрунтувати перспективність і доцільність застосування для підвищення ефективності очищення нафтовмісних вод коалесцуючих фільтроелементів, що мають нежорстку структуру і можливість регенерації функціональних властивостей; оцінити, використовуючи узагальнений критерій, ефективність системи в цілому за основними експлуатаційними показниками: ступінь очищення, вартість, пропускна здатність; розробити й науково обґрунтувати норми добового накопичення нафтовмісних вод, що враховують тип, водотоннажність і вік судна.

9. На основі отриманих математичних моделей і уточнених закономірностей процесів коалесценції й очищення нафтовмісних вод, запропоновані методики проектування й визначення раціональних конструктивних і експлуатаційних параметрів тканинних, гранульованих і комбінованих коалесцуючих фільтроелементів і установок.

Розроблений типорозмірний ряд нового фільтраційного обладнання, що має високу очисну здатність і збільшений ресурс роботи в широкому діапазоні концентрацій нафтопродуктів.

10. Використовуючи комплексний підхід для підвищення ефективності очищення НВВ і екологічної безпеки СЕУ, розроблені основні принципи й представлені схеми раціонального компонування вдосконалених спеціальних суднових систем нового покоління, що мають підвищену надійність, мінімальні енергоспоживання й вартість.

Вперше застосована цільова функція системи у вигляді узагальненого критерію ефективності, що дозволяє всебічно оцінити оптимальність і досконалість системи очищення нафтовмісних вод для різних суден за такими основними експлуатаційними показниками: ступінь очищення; вартість; пропускна здатність.

11. Отримані авторські свідоцтва на фільтраційне обладнання, систему очищення нафтовмісних вод, розроблені норми V_доб і методика їх розрахунку, включені в спеціальний галузевий стандарт України СОУ МПП 47.020-65:2005, знайдуть застосування при модернізації існуючих і проектуванні спеціальних суднових систем нового покоління, що підвищує екологічну безпеку і конкурентну здатність таких суден при експлуатації, забезпечує впровадження результатів дисертаційної роботи на всіх суднах України (3000 суден) і дозволить отримати економічний ефект понад 30 млн. дол. США.

Опубліковані наукові праці, які відбивають основні результати дисертації

1. Истомин В. И. Комплексная очистка судовых нефтесодержащих вод /В.И. Истомин.- Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2004.- 202с.

2. Истомин В. И. Предотвращение загрязнения моря нефтью при эксплуатации судов: Учеб. пособие / В. И. Истомин.-Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2003.-100 с.

3. Галузевий стандарт України СОУ МПП 47.020-65:2005 “Норми добового обсягу накопичення суднових нафтовмісних вод машинних приміщень суден і методика розрахунку пропускної здатності систем очищення” / В.І. Істомін.-Севастополь: Вид-во СевНТУ, 2006.- 15 с.

4. Истомин В. И. Сепаратор для тонкой очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин// ИЛ, КрымЦНТИ.-Симферополь.-1991.-№0040-91.- С. 1-3.

   Истомин В. И. Регенерируемый фильтр. Сепаратор для очистки нефтесодержащих вод. Система для очистки нефтесодержащих вод / В.И. Истомин// ИЛ, Крым ЦНТИ.- Симферополь.- 1998.- № 19-98.- С. 1-3.

   Истомин В. И. Модернизированная система для очистки нефтесодержащих вод / В.И. Истомин// Судовые энергетические установки: Научно-техн. сб. ОГМА.- Одесса, 2000.- Вып. 5.- С. 31-34.

   Истомин В. И. Модернизация сепаратора нефтесодержащих вод “Турбуло” / В.И. Истомин// Механика, энергетика, экология: Сб. науч. тр. СевНТУ-Севастополь, 2001.- Вып. 30.- С. 199-201.

   Истомин В. И. Проблема глубокой очистки нефтесодержащих вод на судах/ В.И. Истомин // Судовые энергетические установки: Научно-техн. Сб. ОНМА.- Одесса.- 2002.- Вып. 7.- С. 37-38.

   Истомин В. И. Выбор оптимальной производительности нефтеводяных сепараторов / В.И. Истомин // Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. тр. СевНТУ- Севастополь, 2003.- Вып. 6.- С. 100-103.

   Истомин В. И. Повышение эффективности очистки нефтесодержащих вод энергетических установок/ В. И. Истомин// Труды национального аэрокосмического университета им. Н. Е. Жуковского “ХАИ”.- 2003.-Вып. 5.(40).- С. 35-37.

   Истомин В. И. Требования, предъявляемые к насосам систем для очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин// Сб. науч. работ Военно-морского института им. П. С. Нахимова.- Севастополь.-2003.-Вып.2.-С.101 – 103.

   Истомин В. И. Эксплуатационные исследования суточного объема накопления судовых нефтесодержащих вод/ В. И. Истомин// Механика, энергетика, экология: Сб. науч. тр. СевНТУ-Севастополь.-2003.-Вып.48.- С.172-175.

   Истомин В. И. Влияние направления движения нефтесодержащих вод через слой гранул на их очистную способность / В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Севастопольского института ядерной энергии и промышленности.-Севастополь.-2003.-Вып.8.-С.23-25.

   Истомин В. И. Исследование влияния материала и формы гранул на их очистную способность / В. И. Истомин // Судовые энергетические установки: Научно-техн. Сб. ОНМА.-Одесса.-2003.-Вып.8.-С. 116-119.

   Истомин В. И. Рекомендации для определения оптимальных параметров гранулированных фильтроэлементов / В. И. Истомин// Сб. науч. работ Военно-морского института им. П. С. Нахимова.- Севастополь.-2003.-Вып.3.- С.127 – 131.

   Истомин В.И. Математическая модель процесса коалесценции нефтесодержащих вод в тканевых фильтрах / В. И. Истомин // Судовые энергетические установки: Научно-техн. Сб. ОНМА.-Одесса.-2003.-Вып.9.-С.155-160.

   17. Истомин В. И. Комбинированная сепарационная установка для глубокой очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин// Сб. науч. работ Военно-морского института им. П. С. Нахимова.- Севастополь.-2004.-Вып.4.- С.215–218.

   18. Истомин В. И. Математическая модель эмульгирующей способности насосов винтового типа систем для очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Севастопольского института ядерной энергии и промышленности.-Севастополь.-2004.-Вып.9.-С.77-83.

   19. Истомин В. И. Уравнение подобия коалесценции нефтесодержащих вод в тканевых фильтрах / В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Николаевского государственного гуманитарного университета им. Петра Могилы.-Сер. Техногенная безопасность.-Николаев.-2004.- Вып.18.-С.22-26.

   20. Истомин В. И. Регенерируемый тканевый фильтр / В. И. Истомин // Двигатели внутреннего сгорания: Научно-техн. журнал.- Харьков: НТУ “ХПИ”.- 2004, №2(5).- С.36-38.

   21. Истомин В. И. Теоретическое исследование процесса коалесценции частиц дисперсной фазы нефтесодержащих вод в тканевых фильтрах / В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Николаевского университета кораблестроения.-Николаев.-2004.- Вып.18.-С.22-26.

   22. Истомин В. И. Исследование влияния конструкции насосов на дисперсный состав нефтеводяной эмульсии/ В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Севастопольского института ядерной энергии и промышленности.-Севастополь.-2004.-Вып.10.-С.17-19.

   23. Истомин В. И. Автоматизированная сепарационная установка для очистки судовых и промышленных нефтесодержащих вод / В. И. Истомин // Автоматизация процессов и управление: Сб. науч. тр. СевНТУ- Севастополь.- 2004.- С. 138-143.

   24. Истомин В. И. Методика расчета рациональной пропускной способности судовых систем очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин// Сб. науч. работ Военно-морского института им. П. С. Нахимова.- Севастополь.-2004.-Вып.3(6).- С.53 – 56.

   25. Истомин В. И. Оптимизация процесса очистки нефтесодержащих вод путем совершенствования судовых систем / В. И.Истомин, С. Е. Тверская // Оптимизация производственных процессов: Сб. науч. тр. СевНТУ- Севастополь, 2004.- Вып.7.- С.96-102.

   26. Истомин В. И. Методические рекомендации для определения рациональных параметров тканевых фильтроэлементов / В. И. Истомин // Судовые энергетические установки: Научно-техн. Сб. ОНМА.-Одесса.-2004.-Вып.10.- С.40-44.

   27. Истомин В. И. Исследование зависимости качества очистки нефтесодержащих вод от эмульгирующей способности насоса ЭВН – 3/5 / В. И. Истомин // Сб. науч. трудов Николаевского университета кораблестроения.- Николаев.-2005.- Вып.1(400).-С.61-69.

   28. А.с. 1546105 СССР МКИ³ В 01 Д 35/10, 17/022. Фильтр для очистки жидкости / В.И. Истомин (СССР). -№ 4425722/31-26; Заяв. 13.05.88; – Опубл. 28.02.90; Бюл.№8 // Открытия, Изобретения. – 1990. - №8.

   29. А.с. № 1667890 СССР МКИ В 01 Д 17/022, G 05 Д 27/00 .Система для очистки нефтесодержащих сточных вод / В.И. Истомин (СССР).-№4495921/26; заявл. 29.07.88; опубл. 07.08.91; Бюл.№29 // Открытия, изобретения – 1991. - №29.

   Публікації, у яких додатково викладений зміст дисертації

   1. Истомин В. И. Фильтр для очистки жидкости /В. И. Истомин // Изобретатель и рационализатор, 1987, №7, МИ0703.-С.2.

   2. Истомин В. И. Моделирование процесса коалесценции нефтеводяной эмульсии/ В. И. Истомин// Моделирование и исследование сложных систем: Тр. междунар. научн.-техн. конф..-М.: МГАПИ.-Т.1.-2001.-С. 92-96.

   3. Истомин В. И. Комплексная технология глубокой очистки нефтесодержащих вод СЭУ / В. И. Истомин// Молодые ученые Крыма в решении актуальных вопросов современности: Материалы I Межвуз. науч.-практ. конф.- Севастополь.- сент.2002.-С. 20-21.

   4. Истомин В. И. Совершенствование функциональных свойств судовых систем очистки нефтесодержащих вод / В. И. Истомин// Современное судоходства и морское образование: Материалы междунар. научн.-техн. конф.- Одесса.- 2004.- С. 61-64.