ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ДЕСТРУКЦІЇ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК КИСНЕМ ПОВІТРЯ У ГІДРОДИНАМІЧНОМУ КАВЕТАТОРІ

Максим, ГОЙДА
Please use this identifier to cite or link to this item: https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6205
Title:	ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ДЕСТРУКЦІЇ ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК КИСНЕМ ПОВІТРЯ У ГІДРОДИНАМІЧНОМУ КАВЕТАТОРІ
Authors:	СТОЛЯРЕНКО, Геннадій Максим, ГОЙДА
Keywords:	КАВЕТАТОР
Issue Date:	Dec-2024
URI:	https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6205
Appears in Collections:	161 Хімічні технології та інженерія (Хімічні технології та інженерія)
Files in This Item:
File	Description	Size	Format
Гойда М. МГХТ-302.pdf Restricted Access		771.56 kB	Adobe PDF	View/Open Request a copy
Show full item record
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ 
ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
КАФЕДРА ХІМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ ТА ВОДООЧИЩЕННЯ 
 
Реєстраційний №________  
          «Допущено до захисту» 
     Завідувач кафедри  д.т.н., 
професор 
   _________Геннадій СТОЛЯРЕНКО 
                                                                       «____»  _________________2024р. 
 
 
 
КВАЛІФІКАЦІЙНА РОБОТА МАГІСТРА 
на тему 
ДОСЛІДЖЕННЯ ПРОЦЕСУ ДЕСТРУКЦІЇ ОРГАНІЧНИХ 
СПОЛУК КИСНЕМ ПОВІТРЯ У ГІДРОДИНАМІЧНОМУ 
КАВЕТАТОРІ 
за спеціальністю 161 «Хімічні технології та інженерія» 
 
 
Науковий керівник Виконавець роботи 
д.т.н., професор магістрант 
  
___________Геннадій СТОЛЯРЕНКО __________ Максим ГОЙДА 
  
  
  
  
  
  
      Нормоконтроль                         Наталія ФОМІНА 
  
 
 
Черкаси 2024 
ВСТУП 
 
 Стічні води і рідкофазні відходи, які  утворюються на підприємствах 
хімічної, нафто- і коксохімічної промисловості, як правило, забруднені 
компонентами реакційних середовищ. Склад таких вод і відходів 
визначається фізико-хімічною сутністю технологічних процесів, в яких вони 
утворюються. Наявність у стічних водах сполук ароматичного ряду, які 
зазвичай погано піддаються біодеградації, зумовлює низьку ефективність 
традиційного біологічного очищення стічних вод. Скидання у природні 
водойми недостатньо очищених стічних вод призводить до накопичення 
шкідливих органічних сполук, що негативно впливає на природні 
екосистеми, зумовлює необхідність здійснення складніших технологічних 
процесів очищення вод для їх використання як господарсько-побутових та у 
різноманітних виробництвах.    
Аналіз джерел інформації та пошукові дослідження, виконані мною, 
дають підстави вважати, що значний практичний інтерес для очищення 
стічних вод від ароматичних сполук становить застосування кавітаційних 
методів. Вони дають змогу вносити в середовище, яке очищують, енергію у 
так званому концентрованому вигляді, тобто передбачають внесення 
значних кількостей енергії у локальні області цього середовища. Внаслідок 
збудження кавітації та перебігу супутніх їй явищ цього відбуваються зміни 
фізико-хімічних властивостей компонентів рідиннофазного  середовища та, 
як наслідок, їхні хімічні перетворення.   
 Мета кваліфікаційної роботи магістра - полягає у розробленні  
технологічної схеми та апаратурного оформлення  і ефективного та 
енергоощадного методу очищення стічних вод від органічних сполук.  
Для досягнення зазначеної мети необхідно було вирішити такі 
завдання: – обґрунтувати вибір методу кавітаційного очищення стічних вод 
від органічних сполук;  
– вивчити закономірності розкладу бензену у кавітаційних полях при 
адіабатичних та ізотермічних умовах;  
– дослідити вплив тривалості оброблення стічних вод на ефективність їх 
очищення;  
– встановити принципову можливість ініціювання реакції розкладу 
ароматичних сполук після змішування кавітаційно оброблених і 
необроблених стічних вод;   
– дослідити закономірності розкладу толуену в кавітаційних полях;  
– дослідити принципову можливість ініціювання реакції розкладу бензену з 
використанням гіпохлоритних стічних вод;  
– здійснити апробацію визначених раціональних умов здійснення процесу 
кавітаційного очищення на органовмісних стічних водах;  
– розробити технологічну схему процесу кавітаційного очищення 
органовмісних стічних вод від ароматичних сполук;  
– виконати матеріальні, енергетичні та узагальнені техніко-економічні 
розрахунки розробленого технологічного процесу.  
Об’єкт дослідження – процес кавітаційного очищення стічних вод від 
органічних сполук  
Предмет дослідження – фізико-хімічні закономірності процесів, що 
відбуваються під час кавітаційного оброблення водного середовища, яке 
містить ароматичні сполуки, зокрема, бензен і толуен, їх вплив на 
ефективність очищення органовмісних стічних вод.  
 
                                 
 
 
 
 
 
 
 1 АНАЛІЗ СУЧАСНОГО СТАНУ ОБ'ЄКТУ ДОСЛІДЖЕННЯ 
 
          1.1. Загальна характеристика органічних відходів  
 
З розвитком промисловості все частіше постає питання про очищення 
промислових стічних вод та утилізації відходів. Промислові стічні води, як 
правило, забруднені компонентами реакційних середовищ, а їх склад 
залежить від галузі промисловості, в якій вони утворюються. Забруднення 
природних вод відбувається внаслідок надходження у водойми зі стічними 
водами шкідливих домішок неорганічної (кислоти, мінеральні солі, луги 
тощо) й органічної (нафта й нафтопродукти, поверхнево-активні речовини, 
мийні засоби, пестициди тощо) природи [1-3]. Крім того, стічні води, що 
містять розчинні органічні речовини (зокрема, ароматичні) або суспензії 
органічного походження, сприяють зниженню вмісту кисню у природних 
водоймах, спричиняючи дефіцит кисню та евтрофікацію. Органічні суспензії 
замулюють водойми і затримують або повністю припиняють життєдіяльність 
мікроорганізмів, що беруть участь у самоочищенні [4].  
Кількість хімічних забруднювачів води постійно зростає і досягає зараз 
близько тисячі різновидів. Шкідлива дія багатьох з них має пролонгований 
вплив, тобто їхня дія виявляється в наступних поколіннях живих істот і 
полягає в появі шкідливих мутацій, генетичних розладах тощо. Крім 
хімічного відбувається ще і фізичне забруднення води, пов’язане із зміною її 
органолептичних властивостей [5].  
Промислові стічні води без попереднього очищення негативно 
впливають на очисні споруди, які втрачають свою ефективність щодо 
біологічного очищення вод. Тому виникає потреба попередньої обробки 
стічних вод. Проблема загострюється і через те, що в існуючих технологіях 
водопідготовки широко застосовують хлору, що призводить до утворення в 
воді значної кількості високо токсичних хлорорганічних сполук, які мають 
кумулятивну і канцерогенну дію. Зараз одним з найперспективніших є 
очищення стічних вод з допомогою натрію гіпохлориту [6-7].  
Однак застосування реаґентних методів не забезпечує, як правило, 
належного очищення стічних вод і супроводжується утворенням побічних 
продуктів. У зв'язку з цим виникає потреба в застосовуванні специфічних 
методів очищення стічних вод, які б дали змогу не тільки ефективно 
очищувати стічні води, але й відрізнялись високими технологічністю та 
низькими енерговитратами. Одним з основних напрямків науково-технічного 
прогресу, зокрема стосовно очищення стічних вод, є створення 
маловідходних і безвідходних технологічних процесів [8, 10].  
 
          1.2. Генезис стічних вод, що містять органічні ароматичні сполуки  
 
Стічні води, що містять сполуки ароматичного ряду, утворюються при 
виробництві  олефінів на нафтопереробних виробництвах. Як приклад 
візьмем Кременчугський нафтопереробний завод (КНЗ) Олефіни отримують  
піролізом вуглеводневої сировини. На КНЗ реалізована технологія, що 
базується на піролізі рідкофазних нафтопродуктів – бензинових фракцій або 
дизельного палива  Хімічні реакції, що відбуваються під час термічного 
розкладу вуглеводневої сировини, діляться на двi стадії. На першiй стадії 
відбуваються первиннi реакції розщеплення (крекінгу) молекул парафінових 
і нафтенових вуглеводнів з утворенням парафінів та олефінів з меншою 
молекулярною масою, ніж у вихідних вуглеводнів. До продуктів первинних 
реакцій належать метан, етилен, етан, пропілен, пропан, водень та інші 
вуглеводні.  
На другiй стадії відбуваються вториннi реакції (подальший розклад 
олефінів, гідрування олефінів з утворенням вторинних парафінів, 
дегідрування олефінів), зокрема, з утворенням ароматичних сполук. Вони 
утворюються на пізніх стадіях крекінгу вуглеводнів, коли в зоні реакції 
зростає концентрація нижчих олефінів. Бензен утворюється внаслідок 
взаємодії 1,3-бутадієну з етиленом, а толуен утворюється через приєднання 
до 1,3-бутадієну метального радикалу з подальшою взаємодією продукту з 
етиленом. Однак через нижчу термічну стійкість, ніж бензен, толуен 
частково деструктує з утворенням бензену.   
Газоподібні продукти піролізу після попереднього охолодження до 
температури 95…110  С надходять у колону водного промивання, де 
охолоджуються до температури 38…45  С. При цьому відбувається 
конденсація технологічної пари і важкої бензинової фракції. Головними 
компонентами рідких продуктів піролізу є ароматичні сполуки, передусім 
бензен, та алкени. Промивна вода збирається в кубі колони, де відбувається 
грубе відділення води від бензину. Надалі бензинова фракція з нерозділеною 
частиною промивної води надходить для повнішого розділення у 
гравітаційний сепаратор. Саме під час конденсації важчих вуглеводнів у 
промивній тарільчастій колоні й відбувається рівноважне насичення 
промивної води ароматичними та іншими органічними сполуками.  
Вміст ароматичних сполук у бензиновій фракції, що утворюється 
внаслідок конденсації у промивній колоні за масового співвідношення 
бензен:толуен дорівнює близько 6,5:1 [12].  
У разі використання для отримання олефінів газоподібної сировини 
загальний вихід рідкофазних продуктів є меншим, ніж у разі бензину чи 
дизпалива, але вони також містять бензен та толуен.  
Усереднений склад стічної води олефінового виробництва 
Кременчуського нафтопереробного заводу наведено у таблиці 1.1 [11].  
 
 
 
 
 
 
 
 
       Таблиця 1.1 – Склад стічної води технологічного походження 
олефінового  виробництва на КНЗ  
 
Найменування показника  Регламентовані значення показників з допустимими 
відхиленнями  
Об’ємна витрата, м3/добу рН  5896 від 6,5 до 8,5 не 
БСК 3
20, мг/дм  більше 1776 не 
3 більше 1600 не 
БСК5, мг/дм  
більше 3500  
ХСК, мг/дм3  
Масова концентрація, мг/дм3:  не більше 197 не 
- завислих речовин  більше 770 не більше 
350 не більше 60 не 
- сухого залишку  
більше 21 не більше 
- в т. ч. хлорид-іонів  25 не більше 5  
- формальдегіду  
- нафтопродуктів  
- амінів  
- фенолів  
 
Відповідно до чинних нормативних документів [12] щодо вимог до 
складу та властивостей стічних вод, які скидаються до систем 
централізованого водовідведення, не повинні: містити речовин, що 
перешкоджають біологічному очищенню стічних вод, токсичних забруднень; 
мати температуру вище 40 С; мати хімічне споживання кисню (далі – ХСК) 
вище біохімічного споживання кисню за 5 діб (далі – БСК5) більше, ніж у 2,5 
раз. Температура стічної води після часткової десорбції з неї органічних 
сполук не перевищує 50 0С. Разом з іншими стічними водами її подають у 
типові біологічні очисні споруди.  
Стічні води нафтохімічних виробництв містять значну кількість 
органічних домішок (нафта і нафтопродукти, ароматичні вуглеводні, феноли 
тощо). Вони характеризуються підвищеним хімічним споживанням кисню 
(ХСК), токсичністю внаслідок наявності ПАР і органічних сполук [13]. 
Зокрема це стосується бензену і толуену як представників гомологічного 
ряду ароматичних вуглеводнів, що містяться у стічних водах нафтохімічних 
та хімічних виробництв. Бензен використовують для одержання барвників та 
лікарських засобів, синтетичного волокна, фенолу, нітробензену тощо. 
Найпростішим гомологом бензену є толуен, який використовують для 
виробництва барвників, вибухових речовин, сахарину тощо. Його 
розчинність у воді 1,79 г/дм3 (за 25 °C) [13]. Бензен дуже погано піддається 
анаеробній біодеградації [14]. 
Тому перед скиданням таких вод на загальні очисні споруди потрібно 
їх попереднє очищення на локальних установках [15]. Скидання цих вод у 
природні водойми без попереднього очищення є основною причиною 
забруднення водойм, що призводить до різкого погіршення їх гідрохімічного 
режиму, а отже, і умов життєдіяльності водних організмів (гідробіонтів). 
Останнє спричиняє погіршення процесу самоочищення водойм. Погіршення 
якості води ускладнює її використання і різко підвищує вартість її підготовки 
для побутових і виробничих потреб. Крім того, зі стічними водами 
втрачаються цінні речовини, утилізація яких дала б значну економічну 
вигоду [16].  
У зв’язку з тим, що воду все більше залучають у сферу виробництва, 
необхідне розроблення комплексу організаційних та інженерно-технічних 
заходів із захисту природних водойм від забруднення і виснаження, 
використання нових методів очищення стічних вод і застосування 
заощадливих маловідходних виробництв товарів і продукції [17]. Відповідно 
до вимог нормативних документів стічні води, які скидають до систем 
централізованого водовідведення не повинні містити: горючі домішки, здатні 
утворювати вибухонебезпечні суміші; речовини, які не піддаються 
біологічній деструкції; мають температуру вище 40 0С; мають ХСК вище 
БСК5 більше ніж у 2,5 раза; мають БСК, яке перевищує вказане в проекті 
КОС м. Калуш тощо. Для досягнення вказаних вимог необхідне спорудження 
локальних очисних споруд (ЛОС) на підприємстві. Окрім того, на 
зазначеному підприємстві здійснюють технологічні процеси, які входять до 
«Переліку виробничих процесів, під час здійснення яких споживач повинен 
мати локальні очисні споруди для попереднього очищення стічних вод перед 
їх скиданням до системи централізованого водовідведення та очищення 
стічних вод» ; зокрема: п. 1. «Нафтопереробка, хімічний та органічний 
синтез, фармацевтичне виробництво»; п.11. «Виробничі процеси, під час 
яких використовуються або утворюються такі речовини: нафтопродукти, 
ароматичні вуглеводні, летючі органічні сполуки (толуен, бензен тощо)».   
Через це виникає потреба очищення промислових стоків у ЛОС 
ефективними методами, що будуть задовольняти екологічним, економічним 
вимогам та буде відповідати вимогам до якості технічної води.  
 
          1.3. Вимоги до якості води  
 
Необхідний ступінь очищення стічних вод перед їх скиданням  у 
водойми визначають за загальносанітарними, органолептичними і 
санітарнотоксикологічними показниками шкідливості. До цих показників 
належать допустима максимальна величина БСК, кількість розчинного 
кисню, активна реакція середовища рН, температура стічних вод, колір і 
запах, завислі домішки і допустимий вміст шкідливих речовин у воді 
водойоми.  
До загальносанітарних показників шкідливості належать БСК20, 
розчинний кисень, активна реакція середовища рН. До органолептичних 
показників належать температура водойоми, колір, запах тощо. До санітарно-
токсикологічних показників належать показники забруднення стічних вод, 
які можуть бути небезпечними для здоров’я населення. Під час використання 
в ролі нормативів, встановлених для забруднюючих речовин, гранично 
допустимих концентрацій тощо враховують «Правила про порядок 
застосування гранично допустимих концентрацій при сумісному 
надходженні в водойму кількох шкідливих речовин, що характеризуються 
однаковими показниками шкідливості» [12].  
 
      1.4. Критичний аналіз існуючих методів очищення стічних вод   
від органічних сполук   
  
1.4.1. Методи очищення органовмісних стічних вод  
Для очищення стічних вод промислових підприємств застосовують такі 
методи:  
• механічні (проціджування, відстоювання, центрифугування, фільтрування);   
• хімічні методи (нейтралізація, коагуляція, флокуляція);   
• фізико–хімічні методи (флотація, сорбція, екстракція, евапорація) ;   
• електрохімічні методи (електрокоагуляція, електрофлотація);   
• комбіновані методи.   
Технологія очищення у значній мірі залежить від складу промислових 
стічних вод. Очищення від органічних домішок здійснюють регенеративними 
(екстракція, ректифікація, адсорбція, іонна флотація, іонний обмін) та 
деструктивними методами (біологічне очищення, адсорбція, рідкофазне та 
паро-фазне окиснення, озонування, хлорування тощо) [12-17]. Основним  
фактором під час вибору методу оброблення води  є фазовий  стан речовини 
[17].   
Вибір методу очищення води, типи і розміри очисних споруд залежать 
від складу, властивостей і витрати промислових стічних вод, площі території  
підприємства та інших факторів, а також вимог до якості очищеної води [18].  
 
       1.4.2. Регенеративні методи очищення стічних вод від органічних 
речовин.  
Перспективним методом очищення стоків від органічних домішок є 
адсорбція активованим вугіллям з попереднім хлоруванням.Сорбційна 
установка складається, як правило, з декількох паралельно з’єднаних секцій, 
у кожну з яких входить кілька послідовно з'єднаних фільтрів. Конструкція 
вугільних апаратів зазвичай така ж, як і освітлювальних фільтрах з водяною 
промивкою [19].  
На практиці застосовують одно- і багатоступінчасті установки сорбційного 
очищення. Останні використовують для видалення з води розчинних 
органічних речовин, зокрема, хлорпохідних, наприклад, хлораміни. Тому 
амонійний Нітроген попередньо перед сорбцією окиснюють гіпохлоритом 
натрію або хлором [20].  
Сорбційні методи очищення з використанням мікропористих сорбентів 
забезпечують кінцевий вміст шкідливих речовин в стоках на рівні ГДК. 
Ефективність адсорбційного очищення досягає 90-99%. 
Активовані вугілля, які використовують для очищення природних і 
стічних вод, повинні бути великопористими, щоб їх поверхня була доступна 
для складних молекул;мати невелику утримуючу здатність для регенерації 
адсорбованих компонентів; добре змочуватися і погано стиратися; мати 
певний гранулометричний склад, а також мати мінімальну каталітичну 
активність щодо різних реакцій; витримувати відносно велику кількість 
регенерацій [21].  
Використання іонітів для очищення стічних вод від органічних 
домішокможливе лише у разі відсутності в стічній воді катіонів жорсткості і 
Феруму. Тому перша стадія процесу – іоннообмінне зм’якшення води на Na- 
або Н-катіонітовому фільтрі. Іоннообмінне вилучення аніонів органічних 
кислот зістічних вод ефективне за низького вмісту в воді сульфатів і 
багатовалентних аніонів [22]. Для поглинання органічних сполук 
застосовують сильно кислотні катіоніти, наприклад катіоніт КУ-2 в Н-формі. 
Регенерацію катіоніту здійснюють 5% розчином аміаку в суміші води (20 %) 
і метилового або етилового спирту (80 %). Після аміачної регенерації 
катіоніту 10 % хлоридною кислотою переводять в робочу Н-форму. Підігрів 
розчину до 35–40 °Сзначно прискорює процес регенерації [23].  
Стічні води багатьох виробництв містять у невеликих концентраціях 
леткі органічні сполуки, часто – високотоксичні. Під час продування газів 
через такі стічні води, пари летких компонентів розчину переходять у газову 
фазу і видаляються з розчину. Відхідні гази, що містять токсичні пари, 
нейтралізують хімічними, каталітичними або адсорбційними методами. 
Віддувають леткі сполуки з стічних вод повітрям або інертними газами[23]. 
Видалення летких речовин зі стічних вод без аерації відбувається повільно, 
ступінь очищення не перевищує 50…60 %. Одним з основних недоліків 
цього методу є неминуче забруднення атмосфери [23].  
Метод екстракції використовують для очищення стічних вод від 
шкідливих органічних забруднювачів (наприклад, ароматичних, фенолів, 
органічних кислот). Екстракція ґрунтується на розподіленні суміші речовин 
на складові частини за допомогою розчинника, в якому вони мають різну 
розчинність [24]. Цей метод доцільно застосовувати, коли вартість 
вилученого компонента є вищою за витрати на очищення, або якщо інші 
методи є непридатними [24].   
До переваг процесів екстракції належать дуже висока швидкість 
процесу, можливість застосування за великих вихідних концентрацій 
компонента, який вилучають. Обмежує використання цього методу висока 
вартість екстрагентів[24].  
Очищення промислових стічних вод методом флотаціїє одним з 
найбільш перспективних методів видалення нерозчинних і разом з ними 
летких домішок. Внаслідок утворення агломератів домішок з бульбашками 
тонкодиспергованого у воді повітря вони виносяться до поверхні розчину. 
Для підвищення ефективності флотаційного очищення передбачають 
використання біофлокулянтів, коагулянтів або флотореагентів-збирачів [25].   
Під час флотаційного виділення сланцевих смол вміст ароматики і 
фенолів у стічній воді знижується у середньому на 40 %. Продуктивність 
напірних флотаційних установок сягає 1000-2000 м3/год. Незначний час 
перебування стічних вод в апаратах зумовлює незначні експлуатаційні 
витрати [25].  
Поряд з певними перевагами регенеративним методам очищення стічних 
вод від органічних сполук, зокрема ароматичних, притаманна низка 
недоліків. Це зумовлено тим, що, по-перше, органічні домішки складаються 
зі сполук різних класів. Регенеративні методи здебільшого характеризуються 
низькою селективністю, тому після регенерації утворюється суміш 
органічних сполук, перероблення яких потребує організації додаткових 
технологічних операцій.  Подруге, під час здійснення регенеративних 
методів частина малорозчинних у воді чи летких органічних сполук 
десорбує, що зумовлює необхідність організації очищення газових викидів. 
Тому регенеративні методи потребують додаткових витрат на спорудження 
та експлуатацію дільниць розділення органічних сполук або очищення 
газових викидів.  
 
        1.4.3. Електрохімічні методи очищення промислових стічних вод  
Електрохімічні методи дають змогу вилучати зі стічних вод цінні 
компоненти за відносно простої технологічної схеми очищення без 
використання хімічних реагентів у періодичному або безперервному 
режимах [26]. Електрохімічне очищення полягає в частковому або повному 
розкладанні забруднюючих речовин, зокрема, їх окисненні до СО2. Органічні 
забруднювачі під час електрохімічного окиснення або безпосередньо 
окиснюються на аноді або побічно окиснюється анодно утвореними 
окисниками, такими як Cl2 або NaClO, О3, гідроксил-радикали і Н2О2. Для 
прямого анодного окиснення високого значення окисного потенціалу не 
потрібно. Забрудники спочатку сорбуються на поверхні аноду і потім 
руйнуються за механізмом електронотранспортних реакцій [27].  
Встановлено позитивнийвплив ультразвуку на електрохімічне 
оброблення промислових стічних вод [28]. Створення умов для перебігу 
звукохімічної реакції під час процесу оброблення стоків забезпечує 
анігіляцію забруднень напряму внаслідок їх термічного розпаду або збільшує 
вихід гідроксильних радикалів у процесах окислення [28].   
Для очищення промислових стічних вод від нафтопродуктів, масел, 
жирів, полімерів, емульгованих домішок ззастосовують 
електрокоагуляційним методом [29]. Його доцільно використовувати в 
автономних умовах та на виробництвах невеликої потужності, де 
утворюються невеликі об’єми стічних вод .  
Основний недолік цих методів – велика витрата електроенергії.  
 
        1.4.4. Методи очищення, що ґрунтуються на фазовому розподілі 
компонентів.  
Багато органічних речовин з водою утворюють сумісно киплячі або 
азеотропні суміші, температура кипіння яких нижче температури кипіння 
води, що робить можливим використання методу відгонки азеотропних 
сумішейдля очищення стічних вод за відносно невеликих витрат енергії . 
Умови застосування азеотропної відгонки: значна різниця температур 
кипіння азеотропної суміші і води, високий вміст органічного компоненту в 
суміші, що значно перевищує розчинність цього органічного компоненту у 
воді. Як правило, азеотропну відгонку використовують для локального 
очищення промислових стічних вод, якщо вартість продукту, який відігнали, 
не є меншою вартості відгонки. Описаний метод випробувано для відгонки зі 
стічних вод дихлоретану, складних ефірів, фенолів, акрилонітрилу, 
бутилацетату, диізопропілового ефіру, хлорбензену, аліфатичних і 
ароматичних амінів .  
Пароциркуляційний метод отримав розповсюдження для очищення 
стічних вод коксохімічних заводів, заводів термічного перероблення твердих 
палив, виробництв синтетичних фенолів .  
 
        1.4.5. Мембранні методи  
Мембранний метод очищення стічних вод ґрунтується на властивостях 
пористих тіл пропускати переважно лише одні речовини. Способи 
мембранного поділу, які використовують у технології очищення води, 
умовно діляться на діаліз, електродіаліз, мікрофільтрацію, ультрафільтрацію, 
зворотний осмос.   
У технології очищення стічних вод від розчинених і тонкодиспергованних 
домішок найчастіше використовують зворотний осмос, ультрафільтрації та 
електродіалізу. Зворотний осмос застосовують для знесолення води у 
системах водопідготовлення, системах локального оброблення стічних вод за 
невеликих їх витрат для концентрування і виділення щодо цінних 
компонентів, а також для очищення природних і стічних вод. В основі цих 
способів лежить явище осмосу – переходу розчинника у розчин через 
мембрану під дією прикладеного тиску .  
 
1.4.6. Деструктивні методи очищення промислових стічних вод від  
органічних домішок   
Метод очищення стічних вод активним мулом –поширений метод очищення 
стічних вод від шкідливих речовин, який реалізують в аеротенках, де очищення 
стічних вод відбувається за допомогою вільно плаваючого активного мулу – 
біоценозу мікроорганізмів, головну роль в якому відіграють бактерії. Здатність 
мулу до пластівцеутворення залежить від виду бактерій, їх віку, складу 
середовища, температури, рН та інших чинників [29].  
У процесі біологічного очищення стічних вод бактерії активного мулу 
використовують органічні речовини для отримання енергії і синтезу 
бактеріальної маси власних клітин. Прийнято вважати, що біологічне очищення 
стічних вод активним мулом відбувається у дві фази. У першій фазі (біосорбції) 
забруднювачі стічних вод агломеруються та сорбуються активним мулом із 
більшою швидкістю, ніж їх окиснення. З часом швидкості сорбції і окиснення 
вирівнюються, вміст сорбованих активним мулом забруднювачів досягає 
максимальних величин; стічна вода очищується від більшості забруднень. На 
другій фазі (регенерації) швидкість окиснення перевищує швидкість сорбції, 
закінчується внутрішньоклітинне ферментативне окиснення органічних 
забруднень і відновлення здатності мулу до вилучення й окиснення органічних 
забруднень стічних вод.   
Основним способом збільшення окиснювальної потужності аеротенків є 
збільшення концентрації мулу в аеротенку, що потребує забезпечення 
процесу киснем, та розділення мулової суміші у вторинних відстійниках [30].  
У разі очищення стічних вод озоном, який є алотропною модифікацією 
кисню, і яки належить до сильних окисників. Його застосовують у 
газоподібному вигляді. За температури 0 °С і тиску 0,1 МПа розчинність 
озону у волі складає 0,68 г/дм3. Молекула озону О3 дуже нестійка й легко 
дисоціює на атом Оксигену та молекулу кисню. Швидкість дисоціації озону 
зростає зі збільшенням значення рН, температури й ступеня мінералізації 
води.   
Основними причинами, що стримують і ускладнюють широке 
застосування озону для очищення стічних вод, є відносно висока його 
собівартість, яка визначається невисокою якістю озонаторних установок і 
малим ступенем використання озону (50-70 %) в існуючих конструкціях 
змішувачів. Вдосконалення процесів очищення стічних вод із застосуванням 
озону досягається створенням високопродуктивних і економічних 
генераторів озону, що працюють на підвищених частотах, та інтенсифікація 
масообміну контактуючих фаз, застосуванням каталізаторів, фотохімічного 
чи радіохімічного впливу, поєднання озонування з ультрафіолетовим 
опроміненням тощо [30]. Застосування озону для знезаражування води також 
пов’язано зі значними витратами електроенергії, необхідної для його 
одержання [31].  
Серед хімічних методів знезараження стічних вод найпоширенішою 
зараз є технологія хлорування. Широке впровадження цієї технології 
обумовлено, насамперед, її відносною простотою і невеликими 
експлуатаційними витратами . Для знезараження стічних вод 
використовують як газоподібний хлор Сl2, так і натрію гіпохлорит NaCIO або 
хлору(IV) оксид ClО2. Широке використання газоподібного хлору та натрію 
гіпохлориту обумовлено їх доступністю і невеликою ціною. Оброблення 
стічних вод хлором або натрію гіпохлоритом забезпечує високу економічну 
ефективність процесу. Однак збільшення забрудненості води органічними 
сполуками і завислими речовинами істотно послаблює дію хлору та його 
похідних, що призводить до необхідності значного (у декілька разів) 
підвищення доз реагенту. Крім того, цей метод вимагає впровадження 
додаткових заходів безпеки, що призводить до зростання собівартості 
процесу [31].   
Поширеним методом хлорування є очищення стічних вод хлорним 
вапном за вмісту активного хлору 32-35 % [31].  
У наш час очищення стічних вод електролітичним гіпохлоритом натрію 
застосовують для оброблення невеликих об’ємів стічних вод (до 1000 
м3/добу) на станціях, віддалених від місць виробництва хлору. 
Електрохімічний спосіб отримання NaClO ґрунтується на взаємодії хлору з 
NaОН, які утворюються у бездіафрагмовому електролізері під час 
електролізу розчину натрію хлориду. Поряд із бактерицидною активністю 
розчини електролітичного натрію гіпохлориту стійкіші від розчинів інших 
гіпохлоритів, у тому числі й хлорного вапна. Водні розчини NaClO не містять 
зависів і не потребують освітлення.  
Оброблення біологічно очищених стічних вод можна здійснювати також 
і методом їх прямого електролізу.Під дією постійного електричного струму із 
хлоридів, які знаходяться у стічних водах, утворюється активний Хлор [31].  
Автори роботи [32] вивчали знешкодження стічних вод за розчинами 
NaClO із застосуванням ультразвукового випромінювання. Наявність 
розчинених органічних речовин, а також їх високі концентрації у стічних 
водах знижують ефективність очистки методом хлорування. Ультразвук 
покращує диспергування у водних стоках хлорвмісних препаратів, зокрема 
натрію гіпохлориту, що сприяє пришвидшенню хімічних та біологічних 
процесів очищення.  
Кожен з вище перечислених методів має ряд певних недоліків: потреба у 
використанні дорогих або дефіцитних хімічних реактивів, висока тривалість 
процесу, недостатня ефективність, висока енергоємність, низька 
продуктивність процесів, вони екогологічно небезпечні. Тому існує 
необхідність інтенсифікації очищення стоків промислових підприємств.   
Відомо, що швидкість реакції між гіпохлоритом і органовмісними 
стоками займає багато часу. Збільшення швидкості реакції між натрію 
гіпохлоритом з органічними компонентами можна досягнути традиційним 
способом – збільшенням температури процесу. Однак з урахуванням значних 
обсягів стічних вод, як органовмісних, так і гіпохлоритів, й відповідно 
великих енерговитрат, необхідних для інтенсифікації процесу, цей спосіб на 
теперішній час є неприйнятним. Тому одним із способів інтенсифікації, 
передусім, розкладу гіпохлорит-іонів з виділенням атомарного Оксигену, а 
відтак і взаємодії натрію гіпохлориту з органічними компонентами, як було 
показано раніше виконаними дослідженнями, є кавітаційне оброблення 
реакційного середовища [32].  
Великий інтерес викликає яким буде вплив ультразвуку на реакцію між 
NaClO і стічними водами, що містять органічні речовини аренового ряду. У 
роботі [32] відмічено, що ультразвук покращує диспергування у водних 
стоках хлорвмісних препаратів, зокрема NaClO, що сприяє пришвидшенню 
хімічних та біологічних процесів очистки.  
Кавітаційний метод очищення з застосуванням гідродинамічнох 
кавітації досліджено авторами [33]. Як окисники використовують хлорне 
вапно, газоподібний хлор і його сполуки, озон та молекулярний кисень, 
пероксид гідрогену тощо. Поєднання кавітаційного оброблення та 
реагентного оброблення сприяє суттєвому прискоренню окисно-відновних 
реакції та поліпшенню якості очищеної води. Проведені дослідження 
використання гідродинамічного кавітаційного оброблення при реагентному 
очищенні стічних вод від токсичних забруднювачів дають змогу одержати 
зменшити витрати реагентів, спростити типові технологічні схеми 
водоочищення [34].  
 
 
        1.5. Акустична кавітація як метод очищення стічних вод 
   
Кавітація – явище утворення в рідині порожнин (кавітаційних 
бульбашок, каверн), заповнених пароповітряною сумішшю, їх пульсацій, 
росту та сплескування (колапсу) з дуже великими густинами енергії – від 103 
до 1021 Вт/м3 [35-39]. За способом збудження кавітації ці процеси можна 
умовно розділити на періодичного впливу (акустична кавітація), 
одноразового впливу (гідродинамічна кавітація, труби Вентурі, лазерна 
кавітація, механічний (гідравлічний) удар тощо) і змішаний вплив 
(гідродинамічні сирени і свистки, роторні апарати) [40-42].  
Акустична кавітація – процес, який відбувається під впливом 
періодичного змінного тиску. Частота пульсацій тиску в рідині – від десятків 
Гц до десятків МГц [42]. У кожному частотному діапазоні використовують 
специфічний перетворювач електричних коливань в акустичні. На низьких 
частотах (10-5000 Гц) використовують електромагнітні чи механічні 
перетворювачі. ускладнюється використання резонансних явищ системи 
випромінювач-рідина, що зумовлює низьку ефективність внесення енергії у 
рідкофазне середовище .  
На більш високих ультразвукових частотах використовують 
п'єзоелектричні випромінювачі. Завдяки малій довжині хвилі в цьому 
частотному діапазоні можливе фокусування ультразвуку й отримання 
потужних УЗ-полів .  
Гідродинамічна і акустична кавітація є важливими методами 
інтенсифікації гідромеханічних, теплових та масообмінних процесів: 
очищення і знезараження стічних вод [43]; дезінфекції [44]; оброблення 
поверхонь деталей [45]; очищення дифузійних соків та підвищення 
реакційної здатності суспензій вапняного молока [46]; зниження в’язкості 
нафти [47] та епоксидних смол [48]; розрихлення пластів вугілля [49]; 
отримання наноматеріалів – кластерів наноалмазів з розмірами кристалів 
(1…3)·10-8 м , наночастинок кальциту , нових матеріалів графенового і 
фулеренового типів із водної суспензії карбоновмісних матеріалів  тощо.  
Загальним для акустичних способів утворення кавітації є її збудження і 
розвиток в одній, так званій, кавітаційній, області. Отже, вплив на об’єм 
газорідинного середовища здійснюється багаторазово, що приводить до 
поступових змін його властивостей, які, своєю чергою, призводить до зміни 
характеру кавітаційного впливу .  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2 ОПИС УСТАНОВОК, МЕТОДИК ВИКОНАННЯ 
ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНИХ ДОСЛІДЖЕНЬ ТА АНАЛІЗІВ  
 
     2.1  Характеристика вихідних реаґентів та матеріалів  
 
У дослідженнях використовували імітати стічних вод та реальні 
усереднені за складом стічні води, що утворюються під час технологічного 
процесу піролізу нафтопродуктів у виробництві олефінів на 
Кременчугському нафтопереробному заводі. Стічні виробничі води містять 
сполуки ароматичного ряду – головно бензен та толуен, а також лінійні 
насичені (алкани) та ненасичені (алкени) сполуки. Оскільки вимагається 
очищення таких стічних вод на локальних очисних спорудах, головною 
метою досліджень, як зазначено у розділі 1, було їх знешкодження 
кавітаційним методом.   
Імітати стічних вод готували шляхом інтенсивного перемішування на 
магнітній мішалці дистильованої води з 5-ти разовим надлишком (щодо їх 
розчинності) ароматичної сполуки (бензену або толуену) у воді за заданої 
температури. Експериментально встановлено, що рівновага у системі «вода– 
ароматична сполука» досягалась до 20 хв. Так, максимальна розчинність у 
воді (моль/м3) дорівнює: – бензену: 303 К – 8,37; 313 К – 7,26; 323 К – 6,63; 
толуену: 283 К – 4,02; 293 К – 5,32; 303 К – 6,3. Отриману водно-органічну 
фазу відділяли від органічної (надлишку ароматичної сполуки) у ділильній 
лійці. Концентрацію бензену чи толуену у водному середовищі визначали 
спектрофотометрично.   
Стічні води дільниці піролізу нафтопродуктів Кременчугського 
нафтопереробного заводу відбирали з лінії їх відведення на очисні споруди.   
Загальний вміст органічних сполук у водно-органічних середовищах 
(імітатах та реальних стічних водах) виражали величиною ХСК.   
Дослідження кавітаційного знешкодження стічних вод проводили також 
із застосуванням розчину NaClO, який є відходом виробництва каустичної 
соди і хлору. Концентрація NaClO дорівнювала 36…38 г/дм3; рН 11,2…11,5.   
Для визначення корозійної агресивності стічних вод олефінового 
виробництва та виробництва хлору й каустичної соди використовували 
низьковуглецеву сталь 3 «ДСТУ 2651:2005 Сталь вуглецева звичайної 
якості».   
 
2.2   Опис лабораторних установок та методик дослідження кавітаційного 
знешкодження ароматичних сполук  
 
Дослідження кавітаційного знешкодження (розкладу) ароматичних 
сполук проводили на установках, які відрізняються принципом збудження 
кавітації та потужністю, а саме, за допомогою ультразвукового 
випромінювача та гідродинамічного струменевого кавітатора.   
 
2.2.1 Опис лабораторної установки та методики досліджень 
кавітаційного розкладу ароматичних сполук під впливом акустичних  
випромінювань ультразвукового діапазону  
 
Дослідження розкладу бензену або толуену під дією акустичних 
випромінювань ультразвукового (УЗ) діапазону, які породжують кавітаційні 
явища, здійснювали на установці, наведеній на рисунку 2.1.  
Установка складалась з таких елементів: реакційної ємності 1 (кювета 
або колба із штуцерами для електродів 2 для потенціометричних 
вимірювань); рНметра-потенціометра рН-643М (3); магнітострикційного УЗ-
випромінювача “Ultrasonic Dеsintegrator UD-20” (4) з блоком живлення 5; 
ультратермостата UTU-4 6 з виносною ванною для термостатування 
реакційного середовища 7 (у ній розміщували кювету або колбу 1); магнітної 
мішалки, на яку встановлювали термостатну ванну 7 з реакційною ємністю 1; 
системи сонохімічного аналізу, до складу якої входили гідрофон 9, АЦП 10 
та портативний комп’ютер 11. Для потенціометричних вимірювань 
використовували електродні системи: – електроди для pH-метрії: – 
вимірювальний (ЭСЛ-43-07) і порівняння (хлоридсрібний ЭВЛ-1); електроди 
для редокс-потенціометрії – вимірювальний (платиновий ЭВП-1) і 
порівняння – хлоридсрібний ЭВЛ-1М). Температуру в реакційній ємності 1  
визначали ртутним термометром з ціною поділки 0,2 0С  
 
 
 
        1 – реакційна колба; 2 – електроди; 3 – рН-метр;  4 – магнітострикційний 
випромінювач UD-20; 5 – блок живлення;   6 – ультратермостат; 7 – 
термостатна ванна; 8 – магнітна мішалка; 9 – гідрофон; 10 – аналогово-
цифровий перетворювач (АЦП); 11 – портативний комп’ютер  
 
Рисунок 2.1 - Схема установки для дослідження кавітаційного 
знешкодження ароматичних сполук:  
 
Потужність генератора УЗ-коливань змінювали дискретно у діапазоні 
8,0…12,5 Вт (відповідна питома потужність кавітаційного оброблення 
дорівнювала (кВт/м3) 53,3; 61,3; 68; 73,3; 83,3. Частота випромінювання 
магнітострикційного УЗ-випромінювача була фіксованою – 22 кГц.   
Дослідження процесу кавітаційного або кавітаційно-реаґентного розкладу 
бензену або толуену здійснювали впродовж часу, необхідного для 
досягнення гранично допустимої концентрації (ГДК) бензену або толуену, у 
таких режимах:   
– стаціонарному (збудження кавітації протягом не менше 30 хв. за сталих 
частоти УЗ-коливань і питомої потужності УЗ-випромінювача);   
– ініціювання процесу (збудження кавітаційного поля впродовж 5…15 
хв. з подальшою експозицією реакційного середовища ще не менше 30 хв.);  
– періодичному – процес здійснювали у циклічному режимі «збудження 
кавітації – експозиція – збудження кавітації – експозиція… – ».  
Дослідження проводили також за різних гідродинамічних умов: у режимі 
турбулентного перемішування і без перемішування (ламінарний режим).  
Впродовж досліду з реакційної ємності 1 періодично відібрали проби 
водного середовища для спектрофотометричного визначення концентрації 
ароматичних сполук, а також величини ХСК. На початкових стадіях процесу 
(впродовж 30 хв.) проби відбирали кожних 5 хв. Значення ОВП системи 
фіксували через 1…5 хв.  
У разі проведення досліджень з використанням розчину натрію 
гіпохлориту як окисника певний його об’єм вносили за постійного 
перемішування до досліджуваного середовища.   
 
       2.2.2 Опис лабораторної установки та методики досліджень 
кавітаційного розкладу ароматичних сполук у гідродинамічному 
струменевому кавітаторі   
 
Ефективність кавітаційного знешкодження ароматичних сполук, яке 
було встановлено під дією УЗ-випромінювання, перевіряли на установці з 
кавітатором гідродинамічного типу (рисунок 2.2), потужність якої була 
значно більшою ніж УЗвипромінювача – 1,1 кВт. Головним елементом цієї 
установки був гідродинамічний струменевий кавітатор оригінальної 
конструкції .   
 
 
    1 – циркуляційна ємність; 2 – мішалка; 3 – контур охолодження; 4 – насос;   
5 – байпас; 6 – манометр; 7 – робочий орган (кавітувальний елемент);  8 – 
корпус кавітатора; 9 – манометр; 10 – компресор; 11 – контрольний  
термометр; 12 – гідрофон; 13 – ПК  
 
Рисунок 2.2 - Схема установки зі струменевим кавітатором 
гідродинамічного типу:  
 
Він складався з циліндричного вертикального корпуса 8 діаметром 120 
мм і об’ємом 8 дм3, виконаного з прозорого поліметилметакрилату, що 
необхідно для візуальних спостережень та фотофіксації явища кавітації. У 
нижню частину кавітатора вмонтовано кавітувальний елемент 7, виконаний 
як система сопел, розташованих під кутом близько 1100. Імітат стічної води, 
що містив бензен, відцентровим насосом 4 із циркуляційної ємності 1 
подавали у гідродинамічний кавітатор. Тиск на вході у кавітатор, а 
відповідно і кількість енергії, яка вносилась у зону кавітації, регулювали 
байпасом 5 із системою кранів, встановлених на головній та байпасній 5 
лініях. Для усереднення складу водної фази циркуляційна ємність 1 оснащена 
лопатевою мішалкою 2. Ізотермічність процесу забезпечували контуром 
охолодження 3, розміщеним у ємності 1.  
Для інтенсифікації збудження кавітації у водне середовище перед 
відцентровим насосом 4 компресором 10 через реометр 9 із заданою 
витратою (1…3 % об.) вводили повітря. За такого введення повітря 
інтенсивність розчинення компонентів повітря, передусім кисню, є 
найвищою.   
Для оцінювання кавітаційних процесів, які відбуваються у кавітаторі 8, 
використовували систему сонохімічного аналізу, до складу якої входили 
гідрофон 12. комутований через АЦП з портативним комп’ютером 13.  
Імітат стічної води, що містив бензен і який піддавали кавітаційному 
обробленню, готували у ємності 1. Для цього у неї заливали відміряний об’єм 
води і вмикали насос 4; системою кранів витрату рідини регулювали так, щоб 
тиск на вході у кавітатор не перевищував 0,2 МПа, за якого кавітація не 
збуджується. Після цього у нижню частину циркуляційної ємності 1 вводили 
об’єм бензену, який відповідав його максимальній розчинності у воді за 
кімнатної температури. Циркуляцію водно-органічного середовища за 
одночасного перемішування у циркуляційній ємності 1 проводили, поки у 
середовищі не досягалась стала концентрація бензену, яку періодично 
визначали спектрофотометрично. Після досягнення сталої концентрації 
бензену  встановлювали заданий тиск рідини на вході у кавітатор. Повітря із 
заданою витратою у водне середовище подавали через штуцер, розташований 
перед насосом 4  
Періодично з циркуляційної ємності відбирали проби водно-органічного 
середовища для його аналізу на вміст бензену.  
 
 
 
2.2.3  Опис лабораторної установки та методика дослідження корозійної  
активності  стічних вод  нафтопереробного заводу 
 
Корозійну активність органовмісних і гіпохлоритних стічних вод, які 
утворюються під час виробництва олефінів, а також хлору й каустичної соли 
на Кременчугському нафтопереробному заводі вивчали за корозійною 
тривкістю маловуглецевої сталі Ст 3 методом електрохімічної імпедансної 
спектроскопії (ЕІС). Дослідження проводили на лабораторній установці, яка 
складалась з електрохімічної комірки з штуцерами, в яких кріпились 
досліджуваний зразок зі Ст 3, насичений електрод порівняння Ag/AgCl та 
платиновий допоміжний електрод, та потенціостату Gill AC (ACM 
Instruments). Імпедансні спектри стальних зразків знімали за потенціалу 
вільної корозії. Частоту прикладеного струму змінювали у межах від 1 kHz 
до 0,1 Hz; амплітуда сигналу становила 30 mV; площа робочої поверхні 
сталевих зразків дорівнювала 1,0 см2. Корозивними середовищами слугували 
водні розчини гексану, який розглядали як імітат олефінових стоків, (10 
мг/дм3) та NaClO (40 мг/дм3). Його отримували внаслідок інтенсивного 
перемішування води з надлишком гексану («ч») з подальшим розділенням 
водної та органічної фаз. Розчин NaClO із заданою концентрацією 
отримували розведенням водою товарного продукту (ТУУ 6-05761620.022-
2000). Контрольним корозивним середовищам служила водопровідна вода. 
Тривалість експозиції зразків сталі у вказаних середовищах – 3 год.  
 
2.3  Опис методик аналізів 
 
2.3.1 Методика спектрофотометричного визначення концентрацій 
бензену, толуену та натрію гіпохлориту  
 
Визначення концентрації сполук ароматичного ряду (бензену та 
толуену) та натрію гіпохлориту у водних середовищах (імітатах, реальних 
виробничих стічних водах та реакційних середовищах впродовж 
дослідження) проводили методом UV/Viz-спектроскопії на двопроменевому 
спектрофотометрі SPECORD M40 (UVVIS) Carl Zeiss JENA з використанням 
кварцових кювет товщиною 10 мм у діапазоні довжин хвиль 200…900 нм 
(середовище порівняння – дистильована вода). Попередньо будували 
градуювальник графік залежності оптичної густини певного водного 
середовища від вмісту органічної сполуки (бензену або толуену) або NaClO 
за довжин хвиль, що відповідають максимуму поглинання, нм: бензену – 255; 
толуену – 261; натрію гіпохлориту – 292.  Калібрувальні розчини готували 
розведенням попередньо насичених водних розчинів бензену або толуену та 
товарного концентрованого розчину натрію гіпохлориту дистильованою 
водою.  
Фотометрування реакційного середовища у видимій оптичній області 
проводили за допомогою фотометра фотоелектричного КФК-3 у діапазоні 
320…900 нм (кювети – кварцові товщиною 10…30 мм; середовище 
порівняння – дистильована вода).   
Вміст органічних сполук також визначали за величиною ХСК.  
 
2.3.2  Визначення величини хімічного споживання кисню  
 
Величину хімічного споживання кисню (ХСК) визначали за ДСТУ ISO 
6060: 2003.Метод ґрунтується на окисненні органічної частини водної фази 
сильним окисником – калію біхроматом у кислотному середовищі.  
 
2.3.3. Визначення вмісту натрію гіпохлориту  
 
Вміст натрію гіпохлориту в реакційному середовищі визначали 
йодометрично за МВВ №296-95. Метод полягає в окисненні натрію 
гіпохлоритом калію йодиду до йоду, кількість якого, що є еквівалентною 
вмісту NaClO, визначали титруванням розчином натрію тіосульфату.   
2.3.4  Методика виконання сонохімічного аналізу  
 
Ефективність кавітаційного окиснення ароматичних сполук залежить від 
характеру розвитку кавітаційних явищ у досліджуваних середовищах. Вони, 
очевидно, залежать від способу збудження кавітації (акустичний 
(ультразвуковий) чи гідродинамічний) та від складу середовища. Для 
порівняння розвитку кавітаційних полів у 2-х реакційних системах (воді та 
імітаті стічних вод, який містив бензен) виконували методом сонохімічного 
аналізу. Для цього впродовж збудження кавітації за допомогою сферичного 
гідрофону типу 8105 (діапазон частот, які фіксуються – 0.1 Гц…160 кГц; 
чутливість – -205 дБ на 1В/мкПа; характеристики направленості: на 100 кГц  
рівно направленість є не меншою 2700. в осьовій площині та 3600.  – у 
радіальній), який через аналогово-цифровий перетворювач був комутований 
з персональним комп’ютером, фіксували головні характеристики звукових 
сигналів – їх осцилограми та спектри частот. Аналіз та графічну 
інтерпретацію отриманих сигналів здійснювали з використанням стандартної 
спеціалізованої програми для запису та редагування аудіофайлів «Adobe 
Audition 1.5» [135].  
 
2.3.5   Методики оброблення результатів досліджень  
 
Регресивний аналіз отриманих експериментальних залежностей 
виконували із застосуванням стандартних програм Microsoft Office Excel 
2007. На його підставі визначали величини достовірності апроксимації (R2).  
Імпедансні залежності, одержані під час дослідження корозійної 
активності імітатів органовмісних та гіпохлоритних стічних вод ВАТ 
«Карпатнафтохім», моделювали з використанням еквівалентного 
електричного кола та програми EIS Spectrum Analyser [136]. Еквівалентне 
електричне коло включає опір електроліту (Re), опір переносу заряду металу 
(Rct) та ємність подвійного шару на металі, представлену через елемент 
сталої фази (Qdl).   
Кінетичні характеристики процесу розкладу бензену (толуену) в 
кавітаційних полях (порядок реакції та константу швидкості) визначали 
методом графічного диференціювання.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 КОНСТРУКЦІЯ ОСНОВНОГО АПАРАТУ 
 
На підставі результатів, отриманих під час експериментальних 
досліджень інтенсивності розвитку кавітаційних полів у генераторах різних 
типів, процесів кавітаційно-флотаційного розділення водних середовищ, а 
також аналізу джерел інформації розроблено конструкцію ГДСК, яка дає 
змогу, змінюючи технологічний (тиск на вході у кавітатор) та конструктивні 
(діаметр сопла, кількість сопел, кут атаки струменів) параметри, 
забезпечувати оптимальні умови перебігу технологічних процесів у 
кавітаційних полях, навіть за зміни температури і, відповідно, реологічних 
властивостей цих середовищ. Позитивною особливістю розробленої 
конструкції ГДСК є можливість управління ефективністю процесу 
кавітаційно-флотаційного розділення безпосередньо під час його здійснення, 
що забезпечує безперервність та гнучкість процесу. Запропоновано 
технологічні схеми процесів: кавітаційнофлотаційного збагачення сірчаної 
руди; кавітаційно-флотаційного розділення суспензії, що утворюється під час 
регенерації відпрацьованого поглинального розчину у виробництві 
пігментного титану (IV) оксиду; розчинення лангбейнітової руди та флотації 
нерозчинного залишку.  
 
3.1 Гідродинамічний струменевий кавітатор 
 
Суттєвим недоліком більшості конструкцій кавітаторів є неможливість 
забезпечення оптимальних умов перебігу різних технологічних процесів 
(фізико-хімічних, тепло- та масообмінних) безпосередньо під час 
кавітаційного оброблення водних гетерогенних середовищ. Розроблена 
конструкція ГДСК, у якій введення нових елементів (гідрофона, 
мікропроцесора, реверсивного двигуна, шарнірного та зворотно-
поступального механізмів) дає змогу змінювати просторове розташування 
кавітувальних елементів (сопел) і в автоматичному режимі регулювати кут 
між осями суміжних сопел і поздовжньою віссю корпусу, забезпечуючи 
оптимальні умови перебігу технологічних процесів у кавітаційних полях 
навіть за зміни температури і, відповідно, реологічних властивостей 
(в’язкості, густини тощо) водних гетерогенних середовищ, у яких ці поля 
генерують. Позитивна особливість розробленої конструкції ГДСК – 
можливість управління ефективністю кавітаційного оброблення 
безпосередньо під час здійснення певного технологічного процесу, що 
забезпечує його безперервність і гнучкість.  
Принципову схему конструкції ГДСК (поздовжній переріз), розроблену 
під час експериментальних досліджень розвитку кавітаційних полів у водних 
гетерогенних середовищах, наведено на рисуноку  3.1.  
ГДСК складається з циліндричного корпуса 13 з патрубками подачі 4 та 
відведення 16 водного середовища. Всередині корпуса 13 змонтовано 
шарнірний механізм 10, до якого за допомогою кріплень 11 прикріплено 
сопла 12 зі шлангами 6, а також зворотно-поступальний механізм 8. 
Шарнірний механізм 10 прикріплено до зворотно-поступального механізму 
через рухому 9 і нерухому 14 гайки. Нерухома гайка 14 споряджена опорним 
підшипником 15 для з’єднання зі зворотно-поступальним механізмом 8, 
виконаним у вигляді валу з різьбовою ділянкою. Поступальне переміщення 
рухомої гайки 9 досягається за допомогою направляючих 7, які проходять 
через отвори, виконані у рухомій гайці 9, і нерухомо прикріплені до корпуса 
кавітатора 13 та нерухомої гайки 14. Герметизація ГДСК у місці виходу 
зворотнопоступального механізму 8 досягається за допомогою ущільнення 3. 
Для підведення водного гетерогенного середовища до сопел 12 кавітатор 
споряджено колектором 5 і шлангами 6. Для приведення в дію 
зворотнопоступальний механізм 8 споряджений муфтою 2 та реверсивним 
двигуном 1. Приведення в дію реверсивного двигуна 1 в автоматичному 
режимі досягається за допомогою мікропроцесора 18, з’єднаного з 
гідрофоном 17, що вмонтований у корпус кавітатора 13. 
 
1 – реверсивнийдвигун; 2 – муфта; 3 – ущільнення; 4 – патрубокподачі; 5 
– колектор; 6 – шланг; 7 – направляюча; 8 – зворотно-поступальниймеханізм; 
9 – рухомагайка; 10 – шарнірниймеханізм; 11 – кріпленнясопла; 12 – сопло; 
13 – корпус; 14 – нерухомагайка; 15 – опорнийпідшипник; 16 – 
патрубоквідведення; 17 – гідрофон; 18 – мікропроцесор 
 
Рисунок - 3.1  Принципова схема конструкції ГДСК (поздовжній переріз) 
 
ГДСК працює так. Водне гетерогенне середовище, яке піддають 
кавітаційному обробленню, під тиском подають через патрубок подачі 4 у 
колектор 5, а з нього за допомогою шлангів 6 у сопла 12. На виході із 
кожного сопла 12 формується струмінь з високою кінетичною енергією. Під 
час зіткнення струменів на деякій відстані від сопел 12 у водному середовищі 
збуджується кавітація й формується область кавітації всередині корпуса 13. 
За рахунок руху потоку ця область поширюється вздовж осі кавітатора на 
весь корпус 13. Компоненти водного гетерогенного середовища піддаються 
інтенсивному обробленню в області існування кавітації, внаслідок чого 
інтенсифікуються хімічні процеси, масо- і теплоперенесення, генерування 
теплової енергії. Кут між осями сопел 12 і повздовжньою віссю корпуса 13 
кавітатора змінюють за рахунок реверсивного двигуна 1, вал якого через 
муфту 2 з’єднаний зі зворотно-поступальним механізмом 8. Під час 
обертання валу двигуна 1 відбувається переміщення рухомої гайки 9 по 
різьбовій ділянці зворотно-поступального механізму 8. При цьому 
відбувається переміщення елементів шарнірного механізму 10, до якого 
прикріплені сопла 12, і, як наслідок, зміна кута між їх осями і віссю 
кавітатора.  
Після оброблення у кавітаційному полі водне гетерогенне середовище 
через патрубок відведення 16 виводиться з кавітатора.  
Для автоматичного регулювання кута між осями сопел 12 і віссю корпуса 
кавітатора 13 гідрофоном 17 фіксують величину акустичного сигналу 
генерованих кавітаційних полів. Сигнал перетворюють за допомогою 
мікропроцесора 18, який приводить у дію реверсивний двигун 1. 
Реверсивний двигун 1 за допомогою зворотно-поступального 8 і шарнірного 
10 механізмів змінює просторове розташування сопел 12 доти, доки не буде 
досягнуто максимуму значень амплітуди акустичного сигналу. 
 
 
 
 
 
 
4 ТЕХНОЛОГІЧНІ СХЕМИ ОЧИЩЕННЯ ВІД ОРГАНІЧНИХ СПОЛУК З 
ВИКОРИСТАННЯМ КАВІТАЦІЙНИХ МЕТОДІВ  
 
На підставі результатів, отриманих під час експериментальних 
досліджень процесу розкладу бензену у кавітаційних полях, генерованих як 
за допомогою ультразвукового випромінювача, так і в гідродинамічному 
струменевому кавітаторі, а також аналізу джерел інформації було 
сформульовано технологічні концепції та розроблено декілька варіантів 
технологічних схем очищення стічних вод від ароматичних сполук.  
До головних технологічних концепцій кавітаційного очищення стічних 
вод від ароматичних сполук належать: 1) використання енергії, що 
виділяється під час кавітації, лише для ініціювання процесу (не постійне 
кавітаційне оброблення стічної води аж до досягнення нормативних 
показників за ароматичними сполуками, а лише впродовж  визначеного 
часу); 2) використання «хімічної енергії» кавітаційно активованої частини 
(головного потоку) стічної води для здійснення процесу очищення від 
ароматичних сполук всього її обсягу (досягається розділенням потоку стічної 
води на головний, що кавітаційно активують, та байпасний, які надалі 
змішують); 3) знешкодження стічних вод олефінового виробництва, що 
містять ароматичні сполуки, за допомогою стічних вод суміжного 
виробництва (використання некондиційного низько концентрованого 
розчину натрію гіпохлориту як реагенту-окисника, що утворюється у 
технології каустичної соди і хлору).  
 
4.1  Технологічна схема кавітаційного очищення стічних вод  
олефінового виробництва з фракційним рециклом   
 
Розроблена технологічна схема (варіант І) для очищення стічних вод 
олефінового виробництва від бензену зображена на рисунку 4.1. Вона 
призначена для забезпечення показників очищених промислових стоків до 
нормативних значень, за яких дозволяється скидання стоків у систему 
комунальних очисних споруд [42].   
 
 
1 – збірна ємність; 2, 6 – насоси; 3 –теплообмінник; 4 – проміжна 
циркуляційна ємність;   5 – ежектор; 7 – кавітатор;  
(пунктиром виділено існуюче обладнання)  
 
Рисунок  4.1 -  Принципова технологічна схема кавітаційного очищення 
стічних вод  від сполук ароматичного ряду (варіант І)   
 
Необхідно відмітити, що відповідно до [42], а також з метою 
зменшення можливості корозії комунікацій ця технологічна схема повинна 
бути реалізована як локальні очисні споруди (ЛОС) безпосередньо на 
підприємстві, де утворюються ці стічні води. Тому ці ЛОС доцільно 
організувати як проміжну дільницю між виробничим процесом та 
комунальними очисними спорудами. При цьому доцільно використати певне 
існуюче технологічне обладнання, наприклад, збірні ємності, насоси тощо.   
Стічні води подають у збірник 1, який одночасно відіграє роль 
усереднювача, оскільки склад стічних вод, що утворюються, коливається в 
часі. Звідти насосом 2 через систему регульованих засувок усереднені стічні 
води розділяють на два потоки – основний і байпасний.  
На підставі отриманих результатів експериментальних досліджень 
розкладу бензену (розділ 3) було сформульовано висновок, що його 
ефективний розклад відбувається у разі змішування кавітаційно обробленого 
середовища з вихідними стічними водами у співвідношенні навіть 1:100. 
Тобто оброблені стічні води як основний потік складають всього 1% від 
загального об’єму середовища. Однак беручи до уваги великі об’єми 
виробництва і стічних вод, можливість зменшення вмісту радикалів 
органічної природи як продуктів кавітаційної та окисної деструкції 
органічних сполук, передусім, бензену, для забезпечення високої 
ефективності очищення стічних апріорі прийняли, що вміст кавітаційно 
оброблених стічних вод у суміші з необробленим (вихідними) повинен 
становити 1…10%.    
Основний потік, що складає 1…10% від потоку на вході у насос 2, 
надалі через теплообмінник 3 надходить у проміжну циркуляційну ємність 4. 
Температура стічної води на виході з установки піролізу нафтопродуктів 
становить 40…50 С. За температури 35…45 С, як показано вище (розділ 
3), швидкість кавітаційного розкладу має аномально низькі значення. 
Нагрівання стічної води  до температури близько 50 С, за якої швидкість 
розкладу бензену є високою, є недоцільним. Це зумовлене тим, що зі 
збільшенням температури можлива часткова десорбція бензену чи його 
гомологів зі стічної води. Тому в теплообміннику 3 стічні води охолоджують 
до температури 30…32 0С, за якої швидкість розкладу бензену є найвищою у 
досліджуваному діапазоні температур. Як теплоносій для охолодження 
стічних вод доцільно використовувати нафтопродукти, які надалі подають на 
стадію піролізу, де саме й утворюються органовмісні стічні води.     
З циркуляційної ємності 4 насосом 6 основний потік стічних вод під тиском  
не менше 0,45…0,5 МПа подають у струменевий гідродинамічний кавітатор 
7. Вказане значення тиску на вході у кавітатор 7 необхідне для забезпечення 
високої лінійної швидкості струменів стічних вод, внаслідок зіткнення яких 
відбувається ефективне збудження кавітації, а також для забезпечення 
всмоктування повітря ежектором 5. У кавітаторі 7 відбувається часткова 
деструкція бензену і толуену та їх глибоке окиснення. Для інтенсифікації 
збудження кавітації у потік стічних вод перед кавітатором 7 вводять 
незначну кількість (2…3% від витрати стічної води) повітря. Введення 
повітря відбувається через ежектор 5, через який проходить стічна вода, що 
всмоктується насосом 6. Для збільшення ступеня перетворення бензену 
здійснюють декілька разове оброблення стічних вод в кавітаторі 7. Для цього 
частину кавітаційно обробленої стічної води, витрата якої залежить від  
досягнутого ступеня перетворення бензену, повертають у циркуляційну 
ємність 4, а звідти – знову у кавітатор. Кавітаційно оброблену стічну воду 
подають у циркуляційну ємність через теплообмінник 3, в якому стоки 
охолоджуються до температури 30…32 0С, оскільки процес у 
гідродинамічному кавітаторі відбувається з виділенням теплоти.   
Під час проходження реакційного середовища через кавітатор 7 
відбувається ініціювання процесу окиснення бензену, що відбувається за 
радикальним механізмом. Введення у байпасний потік вихідної стічної води 
кавітаційно обробленої (основний потік) спричиняє продовження процесу 
окиснення бензену в отриманій суміші. Реакційне середовище, утворене 
внаслідок інтенсивного змішування основного і байпасного потоків завдяки 
розміщенню у трубопроводі турбулізувальних вставок, подають до 
комунальних очисних споруд. Процес глибокого окиснення бензену в 
трубопроводі продовжується завдяки присутності кисню, який абсорбувався 
рідкофазним середовищем перед кавітатором 7. Оскільки віддаль від 
олефінового виробництва до комунальних очисних споруд дорівнює близько 
3 км, то часу перебування у трубопроводі достатньо для глибокого окиснення 
ароматичних сполук. Якщо віддаль між ЛОС та комунальними очисними 
спорудами є незначною, то для інтенсифікації процесу окиснення 
ароматичних сполук після кавітатора 7 доцільно забезпечити додаткове 
надходження кисню до водного середовища. Для цього можна використати 
насадкову колону або контакту ємність з мішалкою, через які необхідно 
барботувати певний об’єм повітря. Об’єм контактної ємності повинен 
забезпечити перебування стічних вод у ній впродовж не менше 60 хв. для 
забезпечення нормативних показників щодо вмісту бензену та його гомологів 
в очищених стічних водах.   
Запропонований варіант технологічного процесу знешкодження стічних 
вод, що містять ароматичні сполуки, варто застосовувати для порівняно 
невеликих витрат стічних вод.  
 
       4.2  Технологічна схема очищення стічних вод олефінового виробництва  
застосуванням каскаду кавітаторів  
 
Технологічну схему (варіант ІІ) для очищення стічних вод олефінового 
виробництва від бензену та його гомологів наведено на рисунку 4.2. Вона 
призначена для забезпечення показників очищених промислових стоків до 
нормативних значень, за яких дозволяється скидання стоків у систему 
комунальних очисних споруд [42]. Усі основні стадії цієї технології 
(охолодження стічних вод до оптимальної температури, накопичення у 
збірній ємності, кавітаційне оброблення) є аналогічними, як у варіанті І.  
Ця технологія відрізняється від технології за першим варіантом 
застосуванням каскаду гідроструменевих кавітаторів. За їх допомоги енергія, 
необхідна для збудження кавітації і забезпечення перебігу та розвитку 
окисних процесів за участю ароматичних сполук, підводиться до стічної води 
як реакційного середовища періодично – у кожному наступному кавітаторі.     
Порівняно з попереднім варіантом (з фракційною циркуляцією стічної 
води) цей варіант технологічної схеми доцільно використовувати у разі 
значно більших, ніж у попередньому випадку, витрат стічних вод.  
 
 
1 – збірна ємність; 2, 4, 8 – насоси; 3, 7 –теплообмінники; 5, 9 – ежектори;   
6, 10 – кавітатори (пунктиром виділено існуюче обладнання)  
    
  Рисунок  4.2. Принципова технологічна схема кавітаційного очищення  
 
Стічні води подають у збірник-усереднювач 1 для зменшення коливань 
концентрації ароматичних сполук у часі. Звідти насосом 2 через систему 
регульованих засувок усереднені стічні води розділяють на два потоки – 
основний і байпасний. Як і в першому варіанті, витрата основного потоку 
становить 1…10% від загального обсягу стічних вод, а байпасного – від 90 %. 
Основний потік насосом 2 подають у теплообмінник 3, де стічні води 
охолоджують до температури 30…32 0С, за якої швидкість розкладу бензену 
є найвищим у досліджуваному діапазоні температур. Як теплоносій для 
охолодження стічних вод використовують нафтопродукти, які надалі 
надходять на стадію піролізу.     
Насосом 4 основний потік стічних вод подають у струменевий 
гідродинамічний кавітатор 6. У ньому відбувається часткова деструкція 
бензену та глибоке окиснення продуктів деструкції. Для інтенсифікації 
збудження кавітації у потік стічних вод перед кавітатором 6 вводять 
незначну кількість (2…3% від витрати стічної води) повітря.  Введення 
повітря відбувається в ежекторі 5, через який з великою швидкість проходить 
стічна вода. Щоб збільшити ступінь перетворення бензену кавітаційне 
оброблення здійснюють послідовно декілька раз за допомогою каскадної 
системи гідродинамічних кавітаторів, яка складається з двох і більше 
апаратів. Кількість гідроструменевих кавітаторів у каскаді регулюється 
відповідно до необхідного ступеня перетворення бензену та витрати стічних 
вод. Для цього, починаючи з третього ступеня каскаду, передбачено 
подавання основного потоку або безпосередньо через кавітатор, або через 
вторинний байпас. Напрям руху основного потоку стічних вод регулюють 
системою автоматичних засувок.   
Кавітаційно оброблені стічні води у теплообмінник 7, де їх температура 
зменшується до 30…32 0С, оскільки після деструкції бензену у кавітаторі 7 
стічні води нагріваються до близько 40 0С, що є недоцільним для 
ефективного проходження реакції. Оскільки у кавітаторі 6 відбувається 
втрата напору, необхідного для збудження кавітації у наступному 
гідродинамічному кавітаторі, на після кавітатора 6 реакційне середовище 
насосом 8 подають у наступний гідроструменевий кавітатор 10, де 
відбувається подальша деструкція бензену до необхідного ступеня 
перетворення. Для інтенсифікації збудження кавітації у потік стічних вод 
перед кавітатором 10 вводять незначну кількість (2…3% від витрати стічної 
води) повітря. Введення повітря відбувається в ежекторі 9, через який 
проходить стічна вода. Для зменшення кількості баластного азоту, що може 
спричинити гасіння явища кавітації у другому та наступних кавітаторах, 
після кожного попереднього ступеня (кавітатора), окрім останнього, доцільно 
стравлювати тиск у рідинному потоці, що призведе до десорбції інертного 
азоту.  
Під час проходження реакційного середовища через кавітатори 6 і 10 
відбувається ініціювання процесу окиснення бензену, що відбувається за 
радикальним механізмом. Введення у байпасний потік вихідної стічної води 
кавітаційно обробленої (основний потік) спричиняє продовження процесу 
окиснення бензену в отриманій суміші. Стосовно Кременчугського 
нафтопереробного заводу стічні води, оброблені у каскаді гідродинамічних 
кавітаторів, існуючою каналізаційною мережею подають до промислових 
очисних споруд, які розташовані на відстані близько 3 км від олефінового 
заводу.   
Для інших промислових підприємств для закінчення процесу окиснення 
ароматичних сполук суміш кавітаційно оброблених та вихідних стічних вод 
необхідно подавати у контактну ємність, в якій тривалість перебування має 
дорівнювати не менше 60 хв. Додаткове введення повітря після каскаду 
гідродинамічних кавітаторів не потрібне, оскільки його вводять перед 
кожним кавітатором.  
 
4.3  Технологічна схема очищення стічних вод олефінового виробництва  
з використанням стічних вод виробництва каустичної соди та хлору  
 
Технологічна схема для очищення стічних вод олефінового 
виробництва від бензену за третім варіантом  зображена на рисунок 4.3.   
Усі основні стадії цієї технології (охолодження, накопичення у збірній 
ємності, кавітаційне оброблення) є аналогічними, як у варіантах І і ІІ. Ця 
технологія відрізняється від варіантів технології І і ІІ використанням для 
ефективного окиснення бензену некондиційних розчинів натрію гіпохлориту.   
 
 
1, 5 – збірні ємності; 2, 4, 6 – насоси; 3 –теплообмінник;  7 – кавітатор  
(пунктиром виділено існуюче обладнання)  
        
       Рисунок  4.3 - Принципова технологічна схема кавітаційного очищення 
стічних вод  від сполук ароматичного ряду за допомогою гіпохлоритних 
стічних вод (варіант ІІІ)   
 
Така технологія ґрунтується на використанні протилежних 
окисновідновних властивостей олефінів та гіпохлоритів. Таку схему 
очищення стічних вод доцільно реалізувати на Кременчугському 
нафтопереробному заводі, де функціонує низка різнопланових 
технологічних процесів, зокрема, виробництво олефінів та виробництво 
каустичної соди і хлору. У цеху каустичної соди і хлору утворюються певні 
кількості некондиційних розчинів натрію гіпохлориту, які є відходами цього 
виробництва. Оскільки натрію гіпохлорит, як відомо, є сильним окисником, 
то відповідні стічні води скидати ані в природні водойми, ані на біологічні 
очисні споруди категорично забороняється, бо це призведе до значного 
ураження зазначених біоценозів. Зараз некондиційні розчини натрію 
гіпохлориту знешкоджують термічно-каталітичним способом: за 
температури 80…90 0С, яку створюють подачею гострої водяної пари у 
розчин гіпохлориту, та за присутності каталізаторів – сульфатів нікелю та 
міді. Тривалість розкладу гіпохлориту є значною – до 8-10 годин і потребує 
дуже великих енергетичних витрат у вигляді теплової енергії.   
Попередньо виконаними дослідженнями встановлено позитивний 
ефект, при додаванні натрію гіпохлориту то олефінових стічних вод, на 
процес деструкції бензену. Оскільки натрію гіпохлорит належить до 
речовин, що мають добрі окисні властивості (редокс-потенціал системи OCl-
/Cl- дорівнює 1,49 В), а органовмісним стокам притаманні відновні 
властивості, то після їх змішування відбуватиметься взаємодія між ними, що 
й спричинятиме їх перетворення у практично нешкідливі речовини. Тому 
використання некондиційних розчинів натрію гіпохлориту як реагенту-
окисника дає змогу здійснити взаємне знешкодження різних за 
походженням та властивостями стічних вод.  
Стічні води олефінового виробництва, що містять сполуки 
ароматичного ряду, подають у збірник 1, який одночасно відіграє роль 
усереднювача. 
Основний потік, що складає до 10% від загальної витрати стічних вод 
олефінового виробництва, насосом 2 подають у трубний простір  
теплообмінника 3, а звідти – у проміжну ємність 4. У теплообміннику 3, як і 
в попередніх варіантах, стічну воду охолоджують до температури 30…32 
С. Як показано вище, за такої температури швидкість розкладу бензену є 
найвищою. Як теплоносій для охолодження стічних вод доцільно 
використовувати  некондиційні розчини натрію гіпохлориту з температурою 
20…25 С. Нагріваючись у теплообміннику 3 до температури близько 30 
С, гіпохлоритні стічні води після змішування зі стічними водами 
олефінового виробництва  сприятимуть перебігу розкладу бензену.  
Для інтенсифікації збудження кавітації у трубопровід подачі 
олефінових стічних вод насосом 6 зі збірної ємності 5 подають розчин 
натрію гіпохлориту. Оскільки розчин натрію гіпохлориту має лужну 
реакцію, то розклад NaClO відбувається за кисневим механізмом, тобто з 
виділенням кисню. Саме виділення кисню сприяє як збудженню кавітації, 
так і окисненню ароматичних сполук. Тому у цій технологічній схемі 
введення  повітря у потік стічної води  для збудження кавітації не доцільне.   
Кавітаційно оброблені змішані органовмісні та гіпохлоритні стічні води 
після кавітатора 7, як і в попередніх варіантах, змішують з байпасним 
потоком органовмісних стічних вод і подають на комунальні очисні 
споруди.   
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 ЕКОНОМІЧНІ РОЗРАХУНКИ 
 
Скидання у природні водойми недостатньо очищених стічних вод 
призводить до накопичення шкідливих органічних сполук, що негативно 
впливає на природні екосистеми, зумовлює необхідність здійснення 
складніших технологічних процесів очищення вод для їх використання як 
господарсько-побутових та у різноманітних виробництвах.    
Економічна ефективність роботи базується на економії енергетичних витрат на очистку, можливості 
зменшення вмісту органічних речовин в очищених стічних водах, які скидаються в водойми.     
Очевидна економічна перевага, як з точки зору капітальних вкладень, так і експлуатаційних витрат. 
Кавітаційна очистка в порівнянні з іншими видами очищення, такими, як хімічне окислення; термічне 
окислення і т.д., забезпечує можливість монтування очистки за допомогою кавітації місце в будь-якій 
системі комплексного очищення стічних вод. 
В даному розділі проведено розрахунки собівартості очистки стічної 
води на експериментальній установці очистки стічних вод від органічних 
сполук а також техніко-економічний розрахунок процесу  який полягає у 
визначенні собівартості очищення рідких відходів олефінового заводу за 
електроенергією та реаґентами.  
 
6.1 Розрахунки вартості основних фондів 
 
До вартості основних фондів відносять вартість будівель та споруд і вартість обладнання. 
Результати розрахунків зведені в таблиці 6.1 і 6.2. 
 
 
 
 
Таблиця 6.1 – Розрахунки вартості будівель та споруд 
Найменування Кіл. Початкова Аморти- Сума аморти-
вартість, грн. зація, % зації, грн. 
Будівлі:     
Лабораторія очистки 1 1710238 5 85511,9 
стічних вод 
Витяжна шафа 1 62831 5 3141,55 
Всього  2 1773069  88653,45 
 
Таблиця 6.2 – Розрахунки вартості обладнання  
 
Найменуван Ціна за Монтаж Вартість з % Сума 
ня оди- (10-15% монта- аморти амортиза
ницю, від ціни) жем,  зації ції, грн. 
грн. грн. 
1 2 3 4 5 6 7 
Кавітатор 1 1850 10 1935 10 185 
Ультротермо
1 1482 10 1530,2 10 148,2 
стат 
Магнітна 
1 3670 10 4030,7 10 360,7 
мішалка 
Монометр 1 1860 10 2040,6 10 186 
Насос 1 5580 10 6130,8 10 558 
Гідрофон 1 3500 10 3850 10 350 
Монтажний 
1 3500 10 3850 10 350 
стіл 
Вентиляцій-
1 32361 10 35597,1 10 323,61 
на система 
Всього 8   580964,2  4251,94 
 
 
  
 
6.2 Штати і фонд заробітної плати персоналу 
 
 6.2.1 Основна і додаткова заробітна плата 
 
До витрат цієї статті належать плановий фонд заробітної плати наданого 
та інженерно-технічного персоналу, який займається науково-дослідною 
роботою: 
                                                         Зод. =Зт +З п +З д           ,                                            (6.1) 
К-ть одиниць 
 
 де З т – тарифний фонд зарплати працівників (по окладам та 
розцінкам для погодинників та віддільників відповідно), грн.; 
Зп – премії з фонду зарплати (складають 20-30% від Зт),грн.; 
Зд – додаткова зарплата (оплата очередних та додаткових 
відпусток, виконання державних та громадських обов’язків складає 
10-15% від суми З т Зп), грн. 
Розрахунки штату і фонду заробітної плати представлено в таблиці 6.3 
 
Таблиця 6.3 – Розрахунки штату і фонду заробітної плати 
 
 
 
 
 
 
 
Зт=M⋅t⋅∑ Qд  ,                                         (6.2) 
 
де М – кількість місяців фактично вироблених в 
рокові, міс.; t – строк дії господарсько-договірної теми; 
∑  Qд   – сума посадовПиохс адмоівсиячйн оикхл адо кзла амдіісвя цсьп, ігвррно. бітників 
Посади 
відповідно штатного регламенту. 
Керівник 7400 
Науково-дослідна робота проводилась протягом двох місяців. 
Лаборант 7400 
ТаРраизфомн ий фонд зарплати за місяць складає 14810408 г0р0н . 
Тоді за два місяці: 
 
 
                                Зт=14800⋅2=29600 грн. 
Відрахування на премії з фонду заробітної плати приймаються 
рівними 20% від тарифного фонду заробітної плати: 
                                                         Зп=Зт⋅0,20                                   (6.3) 
 
Премії з фонду заробітної плати : 
 
 
Зп=29600⋅0,20=5920,00грн. 
 
Відрахування на додаткову заробітну плату приймаються рівними 15% 
від суми (Зт+Зп). Додаткова заробітна плата становить: 
 
                                          З      
д =    Q ⋅∑(Зт+Зп).                                          (6.4) 
                                                         100 
                                                                 
                                 З      15 
д =    ⋅∑ (5920+29600)=5328 грн. 
                                                      100 
 
                                                 Зoд=29600+5920+5328=400848 грн. 
 
Плановий фонд заробітної плати персоналу, який займається науково- 
дослідною роботою становить 400848 грн. 
 
 
 
 
6.2.2 Відрахування на соцстрахування 
 
 
До витрат цієї статті належать витрати на відрахування на соціальне 
страхування із суми основних та додаткової заробітної плати. Норматив 
відрахувань на соціальне страхування приймається за даними базового 
підприємства або рівним 7-15% від суми основної та додаткової заробітної 
плати науково-виробничого персоналу. 
Відрахування на соцстрахування визначається за формулою: 
Bc 
Зот=Зoд⋅_ 
100 ,                                  (6.5) 
   
 де   Зод – основна та додаткова заробітна плата наукового персоналу, грн.;  
        Вс – відрахування на соцстрахування становить 7%. 
Отже, відрахування на соцстрахування становлять: 
 
 
  
З от=40848_7__ = 2859,36 грн. 
                                                                  100 
  
 6.2.3 Витрати на наукові та виробничі відрядження 
 
 
Витрати на наукові та виробничі відрядження включають всі витрати 
по відрядженням (добові,квартирні, транспортні і т.д.) пов’язані з даною 
НДР. Розрахунок цих витрат виконується методом прямого розрахунку (за 
переліком командировок) або вони приймаються рівними 8-10% від суми 
основної та додаткової заробітної плати науково-виробничого персоналу. 
По даній науково-дослідній роботі приймаються затрати на 
відрядження рівними 10% від суми основної та додаткової заробітної плати. 
 
                                                Cком=З oд⋅0,1                          .(6.6) 
 
Отже, витрати на наукові та виробничі відрядження становлять: 
 
 
                                                  Cком=400848⋅0,1=40,084,8,2грн 
 
 Накладні витрати 
 
До накладних витрат належать зарплата адміністрації та господарського 
персоналу, витрати на охорону праці, ремонт, опалення, освітлення, 
водопостачання та інші витрати. 
 
6.2.4 Визначення потреби в електроенергії  
 
Визначення потреби в електроенергії  проводиться окремо по 
конкретному виду обладнання. Вартість однієї кВт/год електроенергії 
визначається на основі діючих прейскурантів – тарифів на електроенергію в 
залежності від регіону. 
 
Потреба в силовій електроенергії визначається за формулою: 
 
                                                   Есил  = N⋅Т⋅K⋅Kф ,                                         (6.7) 
  
 де N – потужність використованого обладнання, кВт ; 
  Т – час роботи обладнання, год/рік; 
   К – коефіцієнт навантаження на обладнання за потужністю,    
К=0,7; Кф – коефіцієнт, який враховує косинус фі,  
    Кф=0,95. 
Тоді: 
 
Есил=  3⋅112⋅0,7⋅0,95 = 223,44 кВт/год 
 
 
Розрахунок проведений на період виконання НДР – 2- місяця. Потреба 
в електроенергії для освітлення визначається за формулою: 
Т⋅S⋅a⋅1,02⋅1,05 
E =
осв 1000 ,                            (6.8) 
 
де Т – період штучного освітлення, год.; S – площа освітлення, м2; 
а – потужність світильників на 1 м2 поверхні, Вт; 1,02 - коефіцієнт , який 
враховує втрати в мережах; 1,05 - коефіцієнт чергового освітлення. 
 
110⋅48⋅6⋅1,02⋅1,05=33,93 Вт/год або 0,03393 кВт/год 
     Eосв=
                 1000 
 
Загальні потреби в електроенергії визначаються за формулою: 
 
                                                          E=Е сил +E осв                                    (6.9) 
 
                                                    E=0,03393+223,44=223,47 кВт/год. 
 
Ціна за 1 кВт/год складає 4,70 грн. 
                                           Цe=Ц і⋅E=4,70⋅223,47=1 050,309грн. 
 
6.2.5 Витрати на опалення розраховуються в залежності від площі 
лабораторії та вартості ціни за 1 м2 опалюваної площі. 
 
                                                               Bo=Ц⋅S ,                                           (6.10) 
 
 де S – площа лабораторії, м2; 
            Ц – оплата за 1 м2 площі в сезон опалення. 
 Науково-дослідна робота виконувалась протягом 2 місяців. Один місяць з 
цього періоду припадає на сезон опалення. 
 
                                                      Bo=48⋅46,50=2232 грн. 
 
Витрати на опалення становлять 1514,4 грн. Ремонт обладнання 
проводився власними силами. 
Загальні накладні витрати для проведення даної науково-дослідної 
роботи складають: 
                                                    Bн = Ц е+ Вo+100 ,                                  (6.11) 
 
                                                Bн=1050,309+2232+100=3382,309грн. 
6.2.6 Послуги сторонніх організацій 
 
До витрат цієї статі належать витрати на послуги сторонніх організацій: в 
першу чергу це використання електронно-обчислювальної техніки для 
опрацювання та обрахунку експериментальних даних, виготовлення та 
дослідження окремих зразків, оплата робіт та послуг дослідного підприємства, 
послуги випробувальних баз та полігонів. Витрати цієї статті наведені в 
таблиці 6.4. 
 
Таблиця 6.4 – Витрати на послуги сторонніх організацій 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
До цієї статі відносять патентно-ліцензійний пошук необхідного 
матеріалу з сучасних методів інтенсифікації очищення стічних вод від іонів важких 
металів природними сорбентами. Сюди віднесемо витрати на пошук літератури у 
бібліотеках міста та витрати на роботу в мережі Інтернет.  
Розрахувавши витрати на проведення експерементальні досліди ,  
можно  зробити техніко-економічний розрахунок процесу  який полягає у 
визначенні собівартості очищення рідких відходів олефінового заводу за 
електроеНнаезрвгаіє пюо стлау ргеиа ґентами. К ількість Ціна за одиницю, грн. Сума, 
год. 
 грн. 
Послуги бібліотеки 10 - - 
Роб6о.3т аТ ве хмнеіркеож-еік Іоннтоемрнічент ий розра3х0ун ок процесу   100 100 
Раз ом 40  100 
Визначаємо витрату електроенергії, необхідної для кавітаційного 
оброблення рідких відходів олефінового виробництва за першим варіантом 
т ехнологічного процесу. Відповідно до регламенту виробництва 
Кременчугського нафтопереробного завода об’ємна витрата органовмісних 
стоків на добу становить: 5896 м3/добу, а отже об’ємна витрата органовмісних 
стічних вод на годину за умови безперервного виробництва становить 246 м3/год.  
На підставі результатів досліджень співвідношення між кавітаційно 
обробленими стічними водами і необробленими приймаємо 1:9 (10% від 
загальної об’ємної витрати стічних вод). Отже, витрата стічних вод, які подають 
на кавітаційну обробку у гідродинамічний струменевий кавітатор, становить: 
24,6 м3/год (приймаємо 25 м3/год). Питома витрата енергії за тиску на вході у 
кавітатор 0,39 МПа становить 48,8 кВт/м3. Відповідно питома витрата енергії на 
годину за тиску на вході у кавітатор 0,39 МПа становитиме: 
 
25 м3/год х 48,8 кВт/м3 = 1220 кВт/год. 
 
Питома витрата електроенергії на оброблення стічних вод після змішування 
кавітаційно оброблених та вихідних (без оброблення) дорівнює:  
 
1220 кВт/год : 246 м3/год = 4,96 кВт/м3 або 119,04 кВт/добу. 
 
Вартість електричної енергії (за тарифу Кременчугского  філіала « ПАТ 
Полтаваобленерго» відпускає електроенергією Кременчугському 
нафтопереробному заводу , станом на 30.10.2024 р.  4,32 грн./кВт год.) 
дорівнювала : 
 
119,04 кВт/добу х 4,32 грн./кВт год. = 514,89 грн/добу. 
 
 Визначимо плату за скидання неочищених стічних вод у довкілля.  
Базовий розмір платежу – 120 грн./т (за ХСК). Розрахунок виконуємо за 
різницею між значеннями ХСК (3500 гО /м3
2 ) і БСК5 (1600 гО 3
2/м ), тобто з 
урахуванням тієї кількості органічних сполук, яка не піддається біодеградації, а 
саме :  
3500 – 1600 =  1900 мгО2/дм3 (1,9 кгО2/м
3) 
 
Добовий скид за надмірним значенням ХСК складає : 
  
1,9 кгО /м3 
2 х  5896 м3/добу  = 11202,4 кгО2/добу або 11,202 тО2/добу. 
 
Добова плата за скидання у природні водойми недостатньо очищених 
стічних вод, навіть без урахування категорії водойми, чисельності населення 
міста тощо, дорівнюватиме : 
 
11,202 тО2/добу х 120 грн./т = 1344,24 грн/добу. 
 
Економія коштів за рахунок того, що добову плату за скидання викидів у 
довкілля не здійснюють, дорівнює (без врахування амортизаційних відрахувань 
вартості обладнання) : 
 
1344,24 грн/добу – 211,89 грн/добу = 1132,35 грн./добу. 
 
Виконані узагальнені розрахунки підтверджують високу економічну 
ефективність запропонованої технології для очищення стічних вод виробництва 
олефінів. У разі використання як окисника рідких відходів суміжного 
виробництва, а саме, натрію гіпохлориту, економічна ефективність процесу 
очищення ще істотно збільшиться як за рахунок збільшення швидкості процесу, 
але й за рахунок того, що відпаде необхідність очищати гіпохлоритні стічні води.  
Зараз за існуючою схемою гіпохлоритні стічні води знешкоджують 
термічним розкладом натрію гіпохлориту за температури понад 80 0С і за 
присутності каталізаторів – солей Купруму та Нікелю.   
Окрім того, під час розрахунку економічної ефективності 
запропонованого процесу не враховано втрати за рахунок корозії обладнання 
та комунікацій, а також збільшення ефективності функціонування 
комунальних очисних споруд, куди скидають вказані промислові стічні води, 
завдяки тому, що навантаження на них за органічними сполуками істотно 
зменшиться.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ВИСНОВКИ 
 
На заводах нафтопереробної промисловості утворюється дуже багато 
органічних відходів які треба переробляти. Стічні води, які містять органічні 
сполуки, передусім ароматичного ряду спричиняють зміни в природних та 
штучних водних екосистемах, негативно впливають на здоров’я людей. Для 
зменшення негативного впливу таких середовищ перед скиданням у 
каналізаційні мережі їх необхідно очищувати, відповідно до вимог чинних 
нормативних документів, на локальних очисних спорудах підприємств.  
 Під час проходження переддипломної практики було зроблено   аналіз 
джерел інформації щодо методів очищення стічних вод, що містять 
ароматичні сполуки, зокрема бензен і толуен. 
Обгрунтовано використання кавітації як методу інтенсифікації 
знешкодження органічних, у тому числі й ароматичних сполук 
Серед різних за фізико-хімічними основами методів очищення стічних 
вод найбільший практичний інтерес викликають деструктивні окисні, які 
дають змогу забезпечити мінералізацію органічних домішок, тобто 
окиснення до СО2 і води.  
Ефективність деструктивних окисних методів істотно зростає у разі 
введення у реакційну систему дискретно-імпульсної енергії у вигляді 
акустичних коливань, які спричиняють явище кавітації. Поєднання таких 
методів відповідає сучасним концепціям.  
Запропановано декілько технологічних схем для нафтопереробного 
виробництва очищення від органічних відходів 
Для досягнення необхідного ступеня очищення стічних вод від 
ароматичних сполук за їх порівняно незначної витрати доцільно 
застосовувати фракційний рецикл кавітаційно обробленої частини 
органовмісних стічних вод з одночасним їх насиченням киснем повітря.  
У разі значної витрати органовмісних стічних вод їх очищення доцільно 
здійснювати із застосуванням каскаду гідродинамічних кавітаторів з 
проміжним введенням повітря до потоку стічних вод перед кожним 
кавітатором.    
Для знешкодження ароматичних сполук в органовмісних стічних водах 
доцільно використовувати гіпохлоритні стічні води, що утворюються на  
Кременчутському нафтопереробному заводі у суміжному технологічному 
процесі – виробництві кальцинованої соди та хлору.  
Гіпохлоритні стоки Кременчутського нафтопереробного завода навіть за 
відносно низьких концентрацій натрію гіпохлориту є значно більш 
корозивно активніші, ніж водогінна вода.   
Додавання до гіпохлоритних стоків імітанту органовмісних стічних вод 
знижує їх корозійну агресивність до рівня водопровідної води імовірно 
внаслідок відновлення натрію гіпохлориту органічними сполуками з 
утворенням продуктів, яким притаманні хороші адсорбційні властивості.     
Зменшення корозійної активності гіпохлоритних стічних вод можна 
забезпечити їх змішуванням зі стічними водами, які містять органічні 
сполуки, зокрема, ароматичні.  
Для пришвидшення зниження агресивності гіпохлоритних стічних вод 
доцільно інтенсифікувати взаємодію натрію гіпохлориту з органічними 
сполуками, зокрема каталітичними або акустичними (кавітаційне 
оброблення) методами.   
Економія коштів за рахунок того, що добову плату за скидання викидів 
у довкілля не здійснюють, дорівнює 1132,35 грн./добу (373,675 тис. грн. на 
рік за ефективного фонду робочого часу 330 днів на рік).
ChSTU repository

ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
