авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 |

Тепломассообменные свойства и фазовый состав воды загрязненных нефтепродуктами грунтов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

МАЛЫШЕВ АЛЕКСЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

ТЕПЛОМАССООБМЕННЫЕ СВОЙСТВА И ФАЗОВЫЙ СОСТАВ ВОДЫ ЗАГРЯЗНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТАМИ ГРУНТОВ

Специальность 01.04.14 – Теплофизика и теоретическая теплотехника

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Якутск 2010

Работа выполнена в учреждении Российской Академии наук Институт
физико-технических проблем Севера им. В.П. Ларионова СО РАН

Научный руководитель: доктор технических наук

Тимофеев Анатолий Михайлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Местников Алексей Егорович,

Якутский государственный университет

им. М.К. Аммосова (г. Якутск)

доктор технических наук

Гаврильев Рев Иванович,

Институт мерзлотоведения им. П.И. Мельникова

СО РАН (г. Якутск)

Ведущая организация: Учреждение Российской Академии наук Институт

проблем нефти и газа СО РАН (г. Якутск)

Защита диссертации состоится 25 февраля 2010 г. в 16:00 часов на заседании диссертационного совета К 212.306.07 при ГОУ ВПО Якутский
государственный университет им. М.К. Аммосова по адресу: 677000
г. Якутск, ул. Кулаковского, 48, КФЕН ЯГУ.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Якутского
государственного университета им. М.К. Аммосова.

Автореферат разослан 22 января 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

д. ф.-м. н. Н.А. Саввинова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Объекты, связанные с добычей, переработкой, транспортировкой, хранением нефтепродуктов, являются источниками, загрязняющими широкой гаммой углеводородных соединений геологическую среду, т.е. территории, относящиеся к этим объектам, подвергаются потенциально высокой техногенной нагрузке. Потери нефти и нефтепродуктов на территории России, по данным геоэкологов, достигают 8–9 млн. т. в год. Ежегодно происходит более 60 крупных и 20 тыс. значительных разливов нефти (Абросимов А.А.).

На Севере России построено большое количество нефтебаз, которые являются основными точками обеспечения жидким топливом многих населенных пунктов, промышленных центров горно-добывающей и газовой промышленности, водного, наземного и воздушного транспорта. Эти нефтебазы часто территориально, по транспортной схеме и организационно связаны между собой и являются жизнеобеспечивающими топливно-энергетическими узлами всего Северного региона России. Многие из них расположены в зонах распространения вечной мерзлоты на берегах таких рек, как Обь, Енисей, Лена, Оленек, Индигирка, Колыма.

Поэтому загрязнение окружающей среды при авариях и утечках нефтепродуктов при их добыче, транспортировке и хранении в условиях вечной мерзлоты является злободневной экологической проблемой. Загрязнение нефтепродуктами отличается не только пагубным воздействием на всю живую природу, но и характеризуется очень большими затратами на его устранение.

Исследование процессов, происходящих в дисперсных средах, коими являются и грунты, при наличии нефтепродуктов – актуальная задача в плане совершенствования и разработки мероприятий по профилактике, ликвидации, оценке негативных последствий загрязнения нефтепродуктами. Экспериментальное исследование тепло- и массообменных свойств грунтов, загрязненных нефтепродуктами, позволит создать базу данных для математического моделирования процессов тепло- и массопереноса в них. В настоящее время из-за отсутствия данных по тепло- и массообменным свойствам указанных грунтов в расчетах часто используются данные, полученные для незагрязненных дисперсных пород. Теплопроводность, коэффициент фильтрации, фазовый состав воды являются определяющими параметрами при моделировании процессов тепломассопереноса в дисперсных средах, их экспериментальное исследование, является актуальной задачей теплофизики.



Цель работы – экспериментальное исследование теплофизических и массопереносных свойств загрязненных нефтепродуктами грунтов и фазового состава воды в них в зависимости от температуры, влажности и степени загрязнения.

Задачи исследований:

- провести экспериментальные исследования зависимости теплофизических свойств грунтов и фазового состава воды в них от температуры, влажности и степени загрязнения дизельным топливом;

- используя теорию обобщенной проводимости, разработать методику расчета теплопроводности загрязненного нефтепродуктом зернистого грунта, провести численные расчеты и сравнить их результаты с полученными экспериментальными данными;

- исследовать влияние загрязнения дизельным топливом на коэффициент фильтрации воды в грунтах;

- разработать методику определения коэффициента диффузии нефтепродуктов в грунтах в талом и мерзлом состоянии и получить экспериментальные данные.

Научная новизна работы:

- усовершенствованы существующие методики определения теплофизических и массопереносных свойств грунтов и обоснована возможность их применения для исследования грунтов, загрязненных нефтепродуктами;

- получены новые экспериментальные данные по зависимости теплопроводности и теплоемкости мерзлых и талых загрязненных грунтов от влажности и степени загрязнения дизельным топливом;

- установлено влияние сценария загрязнения и увлажнения на количество незамерзшей воды в мерзлых грунтах;

- разработана методика расчета теплопроводности загрязненного нефтепродуктами песчаного грунта;

- установлено влияние загрязнения на фильтрацию воды через насыщенный дизельным топливом сухой суглинок, увлажненные песок и суглинок;

- разработана методика определения коэффициента диффузии нефтепродуктов в талом и мерзлом песке и получены новые его значения.

На защиту выносятся следующие основные научные результаты:

- экспериментальные данные по теплофизическим свойствам загрязненных дизельным топливом грунтов и фазовому составу воды в них;

- методика расчета теплопроводности влажного зернистого загрязненного нефтепродуктом грунта;

- экспериментальные данные по зависимости коэффициента фильтрации воды в сухих и влажных загрязненных грунтах от концентрации дизельного топлива;

- методика определения коэффициента диффузии дизельного топлива в мерзлых грунтах и экспериментальные данные.

Достоверность результатов подтверждается хорошим согласованием экспериментальных и расчетных результатов, полученных с применением апробированных методов определения тепло- и массообменных свойств дисперсных материалов, современного автоматизированного измерительного оборудования, теории обобщенной проводимости, теории теплопроводности и фундаментальных законов Дарси и Фика.

Практическая ценность работы. Результаты исследования применены при проведении комплексных проектных и профилактических работ по улучшению экологического состояния грунтов под площадками нефтебаз (г. Среднеколымск, г. Ленск). Полученные результаты также могут быть применены при оконтуривании сформировавшихся под воздействием техногенного разлива нефтепродуктов загрязненных участков грунта с целью изоляции их от подземных вод и предотвращения выноса загрязнений в природные водоемы.

Апробация работы. Основные положения и результаты докладывались и обсуждались на Минском международном форуме по тепломассообмену (Минск, 2000); научной конференции студентов и молодых ученых «VII Лаврентьевские чтения» (секция технические науки и науки о Земле) (Якутск, 2003); VI, VII и VIII научно-технической конференции «Современные проблемы теплофизики в условиях Крайнего Севера» (Якутск, 2003, 2005, 2007); I, II, III и IV Евразийских симпозиумах по проблемам прочности материалов и машин для регионов холодного климата (секция «Теплофизика и тепломассоперенос в материалах и конструкциях на Севере») (Якутск, 2002, 2004, 2006, 2008).

Публикации по теме диссертации. По результатам выполненных исследований опубликовано 12 работ, в том числе 1 работа в ведущем рецензируемом научном журнале из перечня ВАКа.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и содержит 137 стр. машинописного текста, 17 таблиц, 39 рисунка, список литературы из 114 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследования, формируются цель и задачи исследования, раскрывается научная новизна, практическая значимость исследования.

В первой главе изложен обзор существующих экспериментальных работ, посвященных нефтяному загрязнению грунтов в талом и мерзлом состояниях.

Проблемам нефтяного загрязнения талых грунтов и почв посвящены работы Ф.М. Бочевера, С. Газды, В.М. Гольдберга, М.А Глазовской, С.М. Казеннова, В.А. Королева, М.А. Некрасовой, Ю.И. Пиковского, K.Lippok, D.Waisflog и др.

Воздействие нефтяного загрязнения на различные физические свойства и строение грунтов и почв в талом состоянии рассмотрено в этих работах достаточно широко. Однако, несмотря на это, в них почти отсутствуют экспериментальные данные о теплофизических и массопереносных свойствах загрязненных нефтепродуктами грунтов.

Изучение свойств и структуры грунтов, загрязненных нефтью и нефтепродуктами, является новым направлением в геокриологии. Исследованию взаимодействия мерзлых пород с углеводородными загрязнителями посвящены работы С.Е. Гречищева, О.А. Гусевой, Э.Д. Ершова, И.И. Журавлева, Ю.Д. Зыкова, Р.Г. Мотенко, Е.С. Микляевой, Арк.В. Павлова, Н.П. Солнцевой, Е.М. Чувилина, K.W. Biggar, I.P. Coutard, A. Instanes, T.L. White, P.J. Williams и др. Однако экспериментальных работ, посвященных исследованию теплофизических свойств загрязненных нефтепродуктами грунтов и фазового состава воды в них, в литературных источниках имеется очень мало.

Во второй главе приведены методы исследования теплофизических свойств, фазового состава воды и массопереносных характеристик загрязненных грунтов. Исследование влияния загрязнения нефтепродуктами на теплофизические свойства грунтов проводилось комплексным методом, разработанным в лаборатории теплофизики ИФТПС. Метод основывается на решении нелинейной задачи теплопроводности с источником тепла, учитывающим теплоту фазового перехода. Решение задачи находится методом последовательных приближений (Е.С. Платунов, А.М. Тимофеев).

Установка, реализующая метод, автоматизирована на основе компьютерно-измерительной системы АК-6.25, разработанной ВНИИФТРИ для обеспечения теплофизического эксперимента.

Комплексным методом одновременно определяется фазовый состав воды при отрицательных температурах в дисперсных средах (грунтах), в том числе и загрязненных нефтепродуктами.

Основная трудность при определении фазового состава воды в данном случае заключается в раздельном определении массы воды и нефтепродуктов, содержащихся в образце грунта. Для определения содержания массы нефтепродукта в образцах грунта применялся метод экстракции.

Исследование фильтрации воды в загрязненных нефтепродуктами грунтах проводили на компрессионно-фильтрационном приборе Ф-1М. Коэффициент фильтрации в исследуемых грунтах определяется по формуле:

,

где – коэффициент фильтрации жидкости в дисперсном материале, м/с; h – наблюдаемое падение уровня жидкости в пьезометре, м; h0 – первоначальная высота уровня, м; – продолжительность падения уровня жидкости, с; S – площадь сечения пьезометра, м2; F – площадь обоймы, м2; l – высота слоя дисперсного материала, равная высоте обоймы, м.

Для определения коэффициента диффузии нефтепродукта в грунтах за основу был взят метод изотермического нестационарного потока вещества, разработанный А.В. Лыковым. В первоисточнике метод применяется для исследования коэффициента диффузии влаги в дисперсных материалах. Нами данный метод применяется для измерения коэффициента диффузии нефтепродукта. При этом за потенциал переноса принимается нефтесодержание.





Расчетная формула метода при этом имеет вид:

,

где – коэффициент диффузии нефтепродукта м2/с; – масса нефтепродукта, перешедшего из одного дисперсного материала в другой, кг; – начальное содержание нефтепродукта в дисперсной среде, кг/кг; – содержание нефтепродукта в дисперсном материале на границе, кг/кг; – продолжительность эксперимента, с; – площадь контакта, м2; – плотность грунта кг/м3.

В третьей главе приводятся результаты проведенных экспериментальных исследований теплофизических свойств (теплопроводность, объемная теплоемкость), фазового состава воды загрязненных нефтепродуктами грунтов. Степень загрязнения нефтепродуктами задавали равной 5, 10, 15% относительно массы сухого грунта. Исследуемыми грунтами были выбраны речной песок, супесь и суглинок. В качестве нефтепродукта было выбрано дизельное топливо марки Л-40-0,2.

Характер изменения теплопроводности загрязненного песка с ростом влажности такой же, как и в отсутствии загрязнения (рис. 1). Загрязнение песка в талом состоянии способствует переносу тепла. При степени загрязнения, равной 15%, в талом песке теплопроводность увеличивается на 9%, а в мерзлом на 12%.

Увеличение теплопроводности происходит также в супеси и суглинке. В талом состоянии теплопроводность супеси и суглинка при загрязнении увеличивается на 21 и 12% соответственно, а в мерзлом на 18 и 10%. Повышение теплопроводности в не насыщенных водой грунтах объясняется замещением доли объема воздуха дизельным топливом.

При влагосодержаниях, близких к полному влагонасыщению, в исследуемых образцах грунта в мерзлом состоянии наблюдается уменьшение теплопроводности. В супеси снижение теплопроводности проявляется сильнее, чем в загрязненном песке, и составляет 12% при степени загрязнения в 10% (рис. 2). Снижение теплопроводности в песке и суглинке составляет 3 и 6% соответственно.

Для обобщения полученных экспериментальных данных по теплопроводности загрязненного песка на основе теории обобщенной проводимости модели зернистой системы и метода приведения многокомпонентной системы к двухкомпонентной разработана методика расчета теплопроводности загрязненного нефтепродуктами песка. Расчет проводился в два этапа.

На первом этапе многокомпонентную систему, содержащую воду, лед, воздух, нефтепродукт и минеральные частицы, приводят к двухкомпонентной с иным значением объемной концентрации. Нефтепродукт рассматривается как включения в воздух. Объемная концентрация нефтепродукта в воздухе рассчитывается по формуле , где – степень загрязнения, %; – плотность грунта, воды и нефтепродукта, кг/м3; – пористость грунта. Расчет теплопроводности такой системы основывается на формуле Оделевского где в нашем случае – коэффициент теплопроводности системы воздух–нефтепродукт; и – соответственно значения теплопроводности воздуха и дизельного топлива, равные 0,027 и 0,12 Вт/(мК).

На втором этапе по известной модели зернистой системы рассчитывается теплопроводность системы твердая частица – водная манжета – лед – примыкающая бинарная смесь (воздух – нефтепродукт).

Расчет проводился с помощью программного пакета MathCad 13. Расхождение между экспериментальными и расчетными данными не превышало 20% (рис. 3).

Исследование объемной теплоемкости загрязненных влажных грунтов показывает увеличение ее с ростом степени загрязнения дизельным топливом (рис. 4), что объясняется заменой воздуха дизельным топливом.

Значение объемной теплоемкости талого и мерзлого грунта при степени загрязнения нефтепродуктом, равной z= 15%, увеличивается на 40% по сравнению с таковой незагрязненного грунта.

Экспериментально получены зависимости количества незамерзшей воды от температуры в загрязненных супеси и суглинке (рис. 5). При загрязнении влажных грунтов количество незамерзшей воды в них почти не зависит от степени загрязнения. Количество незамерзшей воды в загрязненных дизельным топливом грунтах при температуре ниже -10°С для образца супеси около 1,8%, для суглинка 5,9%, что приблизительно соответствует количеству незамерзшей воды для незагрязненных грунтов аналогичного гранулометрического состава.

Это объясняется тем, что нефтепродукты находятся в свободном межзерновом пространстве в виде эмульсии или отдельных включений, окруженных водой, воздухом и льдом. В этом случае, они почти не контактируют с частицей и поэтому не могут находиться в энергетически связанном состоянии с минеральными частицами грунта.

Проведены также исследования количества незамерзшей воды в зависимости от температуры в грунте в случае, когда образец его загрязнялся нефтепродуктом в сухом состоянии, а затем увлажнялся. На рис. 6 приведены кривые температурной зависимости количества незамерзшей воды для супеси при степенях загрязнения, равных 5 и 10%. Как видно, количество незамерзшей воды уменьшается при увеличении содержания нефтепродуктов в исследуемом образце грунта.

Такое понижение количества незамерзшей воды можно объяснить тем, что активные центры на поверхности частиц сухого грунта занимаются нефтепродуктами за счет процессов адсорбции и смачивания. Вода при поступлении в такой грунт почти не взаимодействует с минеральными частицами из-за гидрофобности поверхности частиц загрязненного грунта.

В четвертой главе приводятся результаты экспериментальных исследований коэффициентов фильтрации воды в загрязненных грунтах, фильтрации дизельного топлива в грунтах с различными значениями влагосодержания, диффузии дизельного топлива в талом и мерзлом песке.

Исследования фильтрации воды и дизельного топлива проводились на образцах песка, супеси и суглинка. Фильтрацию проводили при полном насыщении грунта водой или дизельным топливом. Результаты экспериментальных исследований представлены в таблице.

Экспериментальные значения коэффициентов фильтрации воды и

дизельного топлива в исследуемых грунтах

Грунт Плотность, кг/м3 Коэффициент фильтрации воды, м/с Коэффициент фильтрации дизельного топлива, м/с
Песок Суглинок Супесь 1570 1520 1600 6,210-6 710-9 910-9 3,610-5 2,610-6 610-6


Pages:   || 2 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.