Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Исследование процессов и технологических параметров хранения в резервуарах и транспортирования по трубам азотсодержащих лечебных вод

ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Джаппуев, Мустафа Ибрагимович

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. Физико-химическая характеристика азотных вод и свойства растворенного в них азота.

1.1. Свойства азота.

1.2. Влияние температуры и давления на растворимость азота в воде.

1.3. Влияние степени минерализации воды на растворимость азота в воде.

1.4. Физико-химические характеристики исследуемой азотной воды.

1.5. Влияние различных растворенных в воде газов на содержание азота.

1.6. Влияние солей на растворимость азота в слабоминерализованных водах.

1.7. Анализ полученных зависимостей.

Выводы. »■ **.■» •

ГЛАВА 2. Методика определения концентрации растворенного азота в минеральной воде.

2.1. Общие положения.

2.2. Описание схемы прибора для извлечения растворенного газа из 32 минеральной воды.

2.3.Подготовка прибора к извлечению растворенного газа из раство- 37 ра.

2.4. Отбор пробы воды для извлечения растворенного газа.

2.5. Извлечение газа из раствора.

2.6.Определение азота.

2.7.0бработка полученных данных.

Выводы.

ГЛАВА 3. Хранение азотной воды в резервуарах

3.1. Требования к устройству резервуаров.

3.2. Потери азота у поверхности воды в резервуаре.

3.3. Потери азота вследствие диффузии.

3.4. Влияние высоты столба воды в резервуарах на сохранение азота.

3.5. Конвекционные токи воды в резервуаре.

3.6. Потери азота при поступлении воды в резервуар.

3.7. Экспериментальные исследования.

3.7.1. Хранение воды в опытном резервуаре.

3.7.2. Визуальные наблюдения при хранении воды.

3.8. Методика расчета концентрации растворенного азота при хранении азотных вод в открытых резервуарах.

3.9. Сравнение теории с опытом.

Выводы.

ГЛАВА 4. Транспортирование азотсодержащих лечебных минеральных вод

4.1. Постановка задачи и основные теоретические предпосылки.

4.2. Теоретические исследования растворения газовых пузырьков азота в азотных водах в статических и динамических условиях.

4.3. Растворение газового пузырька в покоящейся жидкости.

4.4. Растворение пузырьков азота в турбулентном потоке воды.

4.5. Экспериментальная часть

4.5.1. Движение воды по трубам полным сечением под естественным напором.

4.5.2. Движение воды самотеком по трубам полным сечением в полупроизводственных условиях.

4.5.3.Движение воды самотеком по трубам неполным сечением

4.5.4. Потери азота при движении воды в местах возникновения в трубах воздушных мешков.

4.5.5. Визуальное наблюдение за движением воды самотеком по восходящим и нисходящим участкам трубопровода.

Выводы.

ГЛАВА 5. Перемещение азотной воды центробежным насосом, медико-социальная и экономическая оценка и обоснование транспортировки азотсодержащих лечебных вод.

5.1. Перемещение азотной воды центробежным насосом по длинному кольцу в полупроизводственных условиях.

5.2. Медико-социальная и экономическая оценка возможности транспортирования азотных лечебных вод на дальние расстояния. 126 Выводы.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Исследование процессов и технологических параметров хранения в резервуарах и транспортирования по трубам азотсодержащих лечебных вод"

Актуальность темы. Использование минеральных вод различного физико-химического и газового состава является одним из наиболее древних методов лечения, не утративших актуальности до настоящего времени. Многовековая эмпирика с несомненностью подтвердила высокую терапевтическую ценность бальнеологических факторов минеральных источников в комплексе лечения и профилактики многих заболеваний.

Лечебными минеральными водами называются природные воды, содержащие в повышенных концентрациях те или иные минеральные (реже органические) компоненты и газы, обладающие какими-либо физическими свойствами (радиоактивность, реакция среды и др.), благодаря чему эти воды оказывают на организм человека лечебное действие, в той или иной степени отличающееся от действия пресной воды (Невраев Г.А., Иванов В.В., 1961). Формирование подземных вод протекает в различной геологической обстановке, в условиях растворения и осаждения солей, обменно-адсорбционных явлений, процессов диффузии и др. Большое влияние на формирование и изменение состава воды оказывают температура и биохимические процессы, протекающие при длительном участии микроорганизмов.

Таким образом, подземные минеральные воды представляют собой сложную динамическую систему, содержащую газы, минеральные и органические вещества, находящиеся в истинно растворенном, коллоидном или взвешенном состоянии. При выходе на земную поверхность минеральная вода вследствие изменения термодинамических условий (температура, давление) претерпевает глубокие изменения. Значительный объем газов, находящихся в минеральной воде в растворенном состоянии, начинает выделяться в атмосферу за счет разности парциального давления и диффузии; в результате нарушения сульфидно-карбонатного равновесия выпадают карбонаты, изменяется окислительно-восстановительный потенциал рН - в результате чего снижаются лечебные свойства. Следовательно, знание состава и динамики свойств минеральной во4 ды, установление закономерной связи между физико-химическими и лечебными свойствами для обоснования методов лечения минеральными водами, выявление возможности максимального сохранения их физико-химических и газовых свойств, а также установление степени влияния различных бальнеотехни-ческих, негативных факторов и процессов приобретают особое значение для дальнейшего развития курортного лечения. Россия и страны СНГ обладают мощной гидроминеральной базой, рассредоточенной по многим регионам обширной территории. Эти минеральные ресурсы с успехом используются для лечения различных заболеваний. Ведется освоение новых месторождений минеральных вод. При этом остается проблема удаленности лечебниц от месторождений минеральных вод.

В этой связи возникает необходимость транспортировать минеральную воду по трубам на большие расстояния. При этом основным требованием в области бальнеотехники является максимальное сохранение газового содержания и физико-химических свойств минеральной воды на всем ее пути от каптожа источника до места приёма лечебных процедур без ее травмирования и порчи. Изучением степени влияния различных бальнеотехнических факторов на изменяемость углекислых, сероводородных, радоновых вод занимались Г.В.Якимов, Э.Э.Карстенс, М.Я.Кречко, С.Н.Линевич, Б.Ф.Щербак, Н.А.Нездойминого, Е.С.Райхман и многие другие. Ими разработаны основные технические условия и мероприятия, обеспечивающие максимальное сохранение физико-химических и газовых свойств этих вод. Что касается широких исследований в области бальнеотехники азотсодержащих вод, которые в последние годы уже с успехом используются как в России и в странах СНГ, так и за рубежом, то они до настоящего времени не проводились. Это объясняется малой известностью до последних лет лечебных свойств азотных термальных вод по сравнению с другими газовыми водами.

В последние годы большой вклад в развитие знаний и практики использования этих вод для лечебной цели внесли бальнеологи В.А.Ангуладзе, М.И.Балкаров, И.А.Валаденский, А.Р.Киричинский, Н.Ф.Соколова, И.Н.Сергиенко, Г.А.Невраев, В.Т.Олифиренко, В.Я.Осипов и другие.

Вместе с тем большую актуальность сохраняет проблема определения оптимальных условий хранения и проведения азотных вод по трубам на большие расстояния без их травмирования. Актуальность, недостаточная разработанность, необходимость решения технических вопросов хранения, транспортирования специфических азотных вод, которые в последние годы нашли широкое применение в лечебных целях, предопределили выбор темы, цели и задачи данного исследования.

Цель и задачи исследования. Стимулом для широких исследований возможности хранения и транспортировки азотсодержащих вод послужило открытие крупного месторождения азотных вод, расположенного в горной местности, в радиусе 5-10 км от курорта «Долинск-Нальчик». При рассмотрении специализированными проектными организациями вопроса о месторасположении будущей водолечебницы на базе азотных вод предпочтение отдавалось варианту подачи азотной воды в благоустроенный центр курорта «Долинск» с учетом ряда преимуществ в отношении планировки курорта, сосредоточения лечебных факторов в одном центре, архитектурного облика курорта.

При этом, несомненно, будет играть значительную роль и социологический фактор, так как отпадает необходимость перевозки больных к месту приема процедур у источника. Все это выдвинуло на первый план реальную задачу возможности проведения азотных вод по трубам на большое расстояние.

Одновременно возникла вторая задача - накопление ночного дебита источников в резервуарах для увеличения пропускной способности водолечебницы.

Поэтому целью настоящей работы является определение оптимальных условий хранения и проведения азотной воды по трубам на большое расстояние без ее травмирования.

Ввиду того, что невозможно всесторонне теоретически оценить ряд факторов (скорость, давление, число Рейнольдса, обратимость процессов десорбции и абсорбции азота, рельефа местности и др.) на изменение концентрации растворенного азота в воде в бальнеотехнических условиях, автором были проведены широкие экспериментальные исследования на лабораторной базе, организованной у места выхода источника. Последнее позволяло экспериментировать с во6 дой в ее естественном природном состоянии. Для достижения поставленной цели были выполнены следующие основные этапы работы: а) эксперименты по хранению азотной воды в резервуаре при разной высоте столба жидкости в течение длительного времени (до 24 часов); б) эксперименты по проведению азотной воды по трубам с полным сечением в широком диапазоне чисел Рейнольдса; в) эксперименты по проведению азотной воды по трубам с неполным сечением; г) изучение вариантов подачи при нагнетании азотной воды центробежным насосом; д) исследования изменения концентрации растворенного азота в воде в крутовосходящем трубопроводе; е) проверка полученных данных на полупроизводственной установке в виде кольца из стальных труб диаметром 50 мм, длиной 220м, с вмонтированным в кольцо центробежным насосом.

Эта установка позволяла осуществлять многократную циркуляцию воды по кольцу, что в известной мере имитировало движение одной и той же массы воды на расстояние в несколько километров.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Теоретически обоснованные и экспериментально проверенные процессы и факторы, влияющие на сохранение и потери растворенного азота в азотных водах при их эксплуатации.

2. Разработанная автором новая методика извлечения и определения растворенного азота в воде, позволяющая по сравнению с другими методами сократить время одноразового определения растворенного азота в воде в 5 раз.

3. Доказана возможность хранения азотных лечебных вод в резервуарах до 24 часов, и на ее основе даются рекомендации по конструктивному решению устройства резервуаров для хранения азотных термальных лечебных вод.

4. Теоретические и экспериментальные исследования транспортировки азотных вод, при этом:

- оптимальной является скорость движения вод в трубах 0,8-1,3 м/сек при избыточном давлении 0,9 атм, при которых потери азота в воде незначительны;

- теоретически выведенная и экспериментально проверенная автором формула позволяет определить необходимую длину концевого участка минера-лопровода, на которой наступает полное растворение азота в воде до ее использования;

- доказана обратимость процессов десорбции и адсорбции азота в воде и время полного наступления равновесия в жидкой и газовой фазах в местах возникновения воздушных мешков в трубопроводах и при движении воды по трубам неполным сечением.

5. Медико-социальная и экономическая оценка и обоснование возможности транспортирования азотсодержащих вод на дальнее расстояние на примере строительства водолечебниц на 100 ванн курорта «Нальчик».

Объектом исследования явились азотные термальные источники курорта «Нальчик» с содержанием растворенного по объему азота 98% и 2% С02,02. Исследования проводились непосредственно у места выхода азотного источника, что позволило использовать для экспериментирования азотную минеральную воду в ее естественном природном состоянии.

Научная новизна диссертационной работы:

1. Впервые в России и странах СНГ и, судя по доступной литературе, за рубежом проведено широкое теоретическое и экспериментальное исследование изменяемости концетрации азота, растворенного в воде специфического азотного минерального источника, в целях подачи воды без ее травмирования на дальнее расстояние в условиях сложного рельефа местности, а также при хранении в резервуарах.

2. В лабораторных и производственных условиях исследованы и доказаны воможности хранения и транспортировки азотсодержащих минеральных вод на дальнее расстояние с максимальным сохранением их лечебных свойств. Полученные результаты использованы и внедрены при проектировании и строительстве водолечебницы на 100 ванн курорта "Нальчик".

3. Сформированы основные требования к бальнеотехническим сооружениям с учетом процессов и факторов, происходящих при эксплуатации азотсодержащих вод. Установлены оптимальные параметры процессов хранения и транспортировки воды, при которых потери растворенного азота незначительны.

4. Подтверждено, что физиологическую активность и бальнеологическое действие азотных минеральных ванн следует связывать с физическим свойством растворенного азота в воде - фактором парциального давления газа -азота.

5. Выявлены основные факторы и процессы, снижающие лечебное свойство азотных минеральных вод при их использовании в курортной практике.

6. Дана медико-социальная и экономическая оценка транспортировки азотсодержащих минеральных вод на дальнее расстояние, проведено обоснование ее экономической эффективности.

7. Разработана методика определения извлечения и концентрации растворенного азота в воде для экспериментальных исследований, позволяющих сократить время извлечения и определения его концентрации в воде с 2,5 часов до 30 минут.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводы и рекомендации. Обоснованность щадящих методов транспортировки и хранения азотсодержащих минеральных вод подтверждается теоретическими исследованиями, экспериментальной проверкой, проведенной на полупроизводственных установках, смонтированных у места выхода азотного источника курорта "Нальчик".

Практическая ценность работы и внедрение результатов исследования. Проведенные нами теоретические и экспериментальные исследования показали возможность хранения и транспортировки азотсодержащих минеральных вод на дальнее расстояние без ее травмирования и легли в основу технических условий для проектирования указанных трубопроводов и резервирования ночного дебита источников.

Полученные результаты использованы и внедрены проектным институтом Кавказкурортпроект при проектировании строительства водолечебницы на 100 ванн в центре курорта «Нальчик». По подсчетам экономистов Научно-исследовательского института истории, филологии и экономики Кабардино-Балкарской Республики и специалистов проектного института «Кавказкурортпроект», годовой экономический эффект исследования (в ценах 1994г.) составил 350 млн.руб. Решение технических вопросов хранения и транспортировки азотных термальных вод с максимальным сохранением их лечебных свойств практически обеспечило подачу азотных терм в центр курорта без их травмирования. Одновременно учтен медико-социальный фактор, так как отпадает необходимость доставки больных к месту приема лечебных процедур, организованных у места выхода источника.

Это, в свою очередь, повышает эффективность и комфортность курортного лечения и дает возможность обеспечить прием всех лечебных процедур в одном бальнеологическом центре и обеспечить на должном уровне архитектурно- планировочное и ландшафтное решение курортных зон; создать оптимальную и комфортную среду для организации курортного лечения.

Результаты исследований докладывались на научно-технических конференциях (Каунас 1972г., Новочеркасск 1970г., Пятигорск 1970г., Нальчик 1970г., Казань, 1972г., Приэльбрусье 1998г. и других регионах).

Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в 14 печатных работах автора, в том числе в 4 монографиях, общим объемом 32,1 печатного листа.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из Введения, пяти глав, выводов и рекомендаций, списка использованной литературы. Общий объем диссертации 139 страниц основного текста, который включает 20 рисунков, фотоснимков и 15 таблиц. Список использованной литературы содержит 140 наименований отечественных и зарубежных изданий. Работа выполнена на кафедре экологического мониторинга и прогнозирования Экологического факультета Российского университета дружбы народов и на базе азотных минеральных источников курорта «Нальчик».

Заключение Диссертация по теме "Геоэкология", Джаппуев, Мустафа Ибрагимович

Общие выводы

1.Впервые в России, странах СНГ и, судя по доступной литературе, за рубежом проведено широкое теоретическое и экспериментальное исследование процессов и технологических параметров хранения и транспортирования азотсодержащих минеральных лечебных вод, в целях подачи вод на большие расстояния без их травмирования в условиях сложного рельефа местности.

2.Учитывая длительность одноразового определения концентрации растворенного в минеральной воде азота (150 мин.), мы сконструировали специальный прибор, позволяющий увеличить в 5 раз скорость анализа (при точности±2%). Рекомендуемая методика определения концентрации азота в воде может быть применена при экспериментальных исследованиях в области бальнеотехники азотных вод.

3. Установлена величина изменяемости концентрации азота в минеральной воде при длительном хранении ее в резервуаре (до 24час.) под действием различных факторов и процессов. Получена зависимость для определения концентрации азота, растворенного в воде резервуара. Предложенная зависимость показала хорошее совпадение с результатами экспериментов. Это позволяет рекомендовать ее для расчета концентрации растворенного в воде азота при хранении.

4. Экспериментальными исследованиями и визуальными наблюдениями установлено: а) при наполнении резервуара азотной водой в результате нарушения парциального давления из жидкой фазы выделяется некоторое количество азота, образуя на границе водной и воздушной фаз газопузырьковую пленку, которая оказывает тормозящее действие на потери азота от диффузии; б) в связи с тем, что увеличение свободного пространства в резервуаре выше 25% его объема может привести к потере азота, резервуар, из которого начато расходование воды, следует опорожнять до конца, не оставляя воду на длительное хранение.

5. Проведены теоретические исследования растворения газового пузырька азота при различных режимах движения азотной воды в трубопроводе, выведены и экспериментально проверены формулы, которые могут быть использованы при проектировании минералопроводов. В частности, полученная автором формула (15) позволяет определить необходимую длину концевого участка минералопровода, на которой наступает полное растворение азота в воде.

6. Изучена возможность транспортировки азотной воды по трубам на большое расстояние без её травмирования. Установлено, что оптимальными условиями для сохранения концентрации растворённого азота в воде является избыточное давление в трубах 0,9 атм, при диапазоне чисел Яе=40000-67000, при которых потери азота находятся в пределах 5%. С дальнейшим увеличением числа 11е концентрация растворенного азота падает, и при числе Яе=82000 потери азота достигают 15-20%.

7. Принимая во внимание, что минералопровод должен проходить в условиях сложного горного рельефа, мы изучали движение азотной воды в различных условиях, а именно: на восходящем и нисходящем участках, и при полном и неполном заполнении труб. При этом экспериментально была установлена быстрая обратимость процессов десорбции и абсорбции азота, а также время (5-10мин.) наступления равновесия между жидкой и газовой фазами.

8. Доказана возможность нагнетания перенасыщенных природных азотных вод центробежным насосом (п=2900 об/мин). Установлено, что некоторое увеличение концентрации растворенного азота непосредственно за насосом происходит за счет растворения свободных пузырьков азота под повышенным давлением.

9. Даны медико-социальная и экономическая оценка и обоснование транспортировки азотсодержащих лечебных вода на дальнее расстояние в различных условиях рельефа местности.

10. Решение технических вопросов возможности хранения, транспортировки азотных термальных вод внедрены проектным институтом "Кавказкурортпроект" при проектировании строительства водолечебницы на 100 ванн курорта «Нальчик». По подсчетам экономистов Кабардино-Балкарского научно-исследовательского института истории, филологии и экономики и специалистов проектного института «Кавказкурортпроект», годовой экономический эффект от транспортирования азотных лечебных вод в центр курорта «Нальчик» только по транспортным расходам, связанным с доставкой больных к месту приема процедур непосредственно у выхода источника, и по затратам на техническое обслуживание составил (в ценах 1994г.) 350 млн руб. При этом стоимость строительства минералопровода протяженностью 6 км к новой водолечебнице окупается в первые же годы его эксплуатации.

11. Результаты исследований могут быть использованы в других регионах страны в качестве технических условий при проектировании, строительстве и реконструкции бальнеологических водолечебниц, функционирующих на базе азотных вод, и одновременно дают возможность проектным организациям при проектировании курортных зон разработать и реализовать оригинальную модель застройки с учетом медико-социально-эколого-экономических и природных факторов, благоприятно влияющих на архитектурно-ландшафтный облик курортных зон.