CC BY
77
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
СЕКЦИЯ
«ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИЯ»
ЭФФЕКТИВНЫЕ СПОСОБЫ В ТЕХНОЛОГИИ
ОБЕССОЛИВАНИЯ СТОЧНЫХ ВОД НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ
Жаскайратов Талгат Ертисбайулы
магистрант, Павлодарского Государственного Университета
им. С. Торайгырова, Республика Казахстан, г. Павлодар E-mail.: [email protected]
Масакбаева Софья Руслановна
канд. хим. наук, доц. Павлодарского Государственного Университета
им. С. Торайгырова, Республика Казахстан, г. Павлодар
Баймухамбетова Мария Григорьевна
старший преподаватель Павлодарского Государственного Университета им. С. Торайгырова, Республика Казахстан, г. Павлодар
EFFICIENT WAYS OF SEWAGE DESALTING ON OIL REFINERIES
Talgat Zhaskairatov
undergraduate, S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Kazakhstan, Pavlodar
Sofya Massakbayeva
candidate of Chemical Sciences, associate professor of S. Toraighyrov
Pavlodar State University, Kazakhstan, Pavlodar
Технические науки — от теории к практике № 4 (52), 2016г_
Mariya Baymukhambetova
senior lecturer of S. Toraighyrov Pavlodar State University,
Kazakhstan, Pavlodar
АННОТАЦИЯ
В данной статье рассматривается технология очистки сточных вод на нефтеперерабатывающем предприятии. И предлагается внедрение дополнительной стадии очистки, внедрение которой позволило бы сократить сброс сточных вод и вернуть часть воды в технологический цикл. Были рассмотрены современные и эффективные методы обессоливания сточных вод.
ABSTRACT
The article includes a description of wastewater treatment technology at the oil refinery. It offers the introduction of additional purification step, that can reduce the discharge of wastewater and return this water to the process cycle. Also in the article were discussed modern and efficient desalination methods of wastewater.
Ключевые слова: водооборот; сточные воды; нефтепереработка.
Keywords: water closed system; wastewater; oil refining.
Быстро растущая потребность в воде и ограниченные ресурсы источников воды, и удорожание подготовки питьевой и технической воды, с другой стороны, приводят к необходимости создания и применения новейших технологий очистки воды, которые позволяют быстро, эффективно и экономически выгодно ее очищать.
Нефтеперерабатывающие заводы имеют высочайший уровень водопотребления. Расход воды для производственных целей зависит от технологической схемы предприятия, глубины переработки нефти и объема производства [2, с. 115].
Вода на нефтехимическом производстве используется в установках охлаждения и конденсации различных продуктов перегонки, приготовления различных растворов для проведения химических реакций, в теплосиловых установках для получения пара необходимых характеристик и т. д.
Источниками загрязнений сточных вод на НПЗ являются [5, с. 53]:
1. переработка сернистой нефти и очистка нефтепродуктов щелочами (на некоторых установках это дает сернисто-щелочные сточные воды высокой концентрации);
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
2. комплексная переработка нефти и газа для получения синтетических продуктов (это порождает сточные воды от химических цехов, в составе которых имеются органические кислоты и спирты, фенолы и т. п.);
3. сильно загрязненные сточные воды, образующиеся в процессах обессоливания и обезвоживания (если на электрообессо-ливающих установках используются водорастворимые деэмульгаторы, сульфонафты).
Для решения проблемы предотвращения загрязнения водных объектов и рационального использования воды на предприятиях необходимо создавать ресурсосберегающие химико-технологические водные системы.
Для сбора промышленных стоков на НПЗ предусматривают две канализационные системы - первая и вторая линии канализации [5, с. 110].
В качестве примера рассмотрим технологию очитки сточных вод на АО «ПНХЗ». Первая система канализации - это нейтральные стоки, загрязненные нефтепродуктами и механическими примесями от установки ЛК-6У, комплекса КТ-1, установки производства водорода, установки производства серы, установки производства битумов, промывочно-пропарочной станции, товарно-сырьевых парков, ливневые воды с территории завода. Эти воды считаются условно-чистыми, и после проведения механической и биологической очистки (рисунок 1) они используются для подпитки технологических установок завода. Вторая система канализации служит для сбора, отведения и очистки сильно загрязненных и токсичных сточных вод. Это сточные воды от блока подготовки нефти (ЭЛОУ) установки ЛК-6У, сернисто-щелочные стоки с блоков защелачивания комплекса КТ-1, дренажные стоки с площадок ПНХЗ, сточная вода после смыва с эстакад налива, сточная вода после промывочно-пропарочной станции, технологический конденсат.
Процесс механической очистки проходит в 2 этапа:
1. отстаивания сточных вод;
2. физико-химическая очистка, включающая в себя коагуляцию и флотацию.
Далее стоки проходят биологическую очистку:
• стоки I системы подвергаются одноступенчатой биологической очистке в аэротенке, отстаиванию в радиальных отстойниках и возвращаются на блок оборотного водоснабжения;
• стоки II системы подвергаются двухступенчатой биологической очистке в аэротенках, отстаиванию в радиальных отстойниках.
Технические науки — от теории к практике № 4 (52), 2016г_
Затем направляются на доочистку в аэрируемый пруд и сбрасываются в накопитель (Сарымсак).
Рисунок 1. Блок схема системы очистки стоков на АО «ПНХЗ»
Производительность I системы канализации составляет 470 м3/час, а II системы - 230 м3/час. После проведенных очистных мероприятий, сточные воды первой системы возвращаются в процесс для подпитки некоторых технологических установок, а стоки второй системы подаются накопитель-испаритель (озеро Сарымсак). В целом, предприятие теряет 230 м3/ч, или 5500 м3/сутки, что составляет примерно 30 % всей технологической воды.
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
Сточные воды второй системы канализации после очистки по данной схеме не могут быть повторно использованы в производстве по причине высокого содержания солей (до 3500 мг/л), и поэтому их сбрасывают в накопитель-испаритель (озеро Сарымсак).
То есть для решения проблемы возврата воды II системы необходимо внедрение дополнительной стадии очистки воды, что позволило бы вернуть значительную часть воды II системы в оборотный цикл и сэкономить примерно 4500 м3 в сутки.
Поэтому необходимо внедрение дополнительной стадии очистки -обессоливание - в технологический цикл. На рисунке 2 приведена возможная блок схема очистки стоков.
Рисунок 2. Блок схема очистки стоков со стадией обессоливания
Существующие способы обессоливания воды подразделяют на две основные категории: с изменением и без изменения агрегатного состояния воды [3, с. 55].
Технические науки — от теории к практике № 4 (52), 2016г._
К первой относят: дистилляцию, нагрев воды до критического состояния (до 350ОС), замораживание, газогидратный способ, а ко второй - ионный обмен, электродиализ, обратный осмос (гиперфильтрацию), электродеионизацию.
В промышленности самыми распространенными методами являются ионный обмен, обратный осмос и электродиализ.
Обессоливание воды методом ионного обмена основано на способности некоторых веществ, называемых ионообменными материалами, или ионитами, изменять в желаемом направлении ионный состав воды. Для этого обрабатываемая вода пропускается через фильтры, загруженные ионитами. Проходя между зернами ионита, обрабатываемая вода обменивает часть ионов растворенных в ней электролитов на эквивалентное количество ионов ионита, в следствии чего изменяется ионный состав не только фильтруемой воды, но и самого ионита [3, с. 103].
Обессоливание воды ионным обменом эффективно проводить при общем солесодержании воды до 1500-2000 мг/л и суммарном содержании хлоридов и сульфатов менее 5 мг-экв/л [3, с. 86].
Аниониты и катиониты обладают динамической обменной емкостью (ДОЕ). Это их наиболее важный показатель в процессах очистки воды. В условиях многократного применения ионита в цикле сорбции-регенерации обменная емкость используется не полностью, а лишь частично. Степень использования определяется методом регенерации и расходом регенерирующего агента, временем контакта ионита с водой и с регенерирующим агентом, концентрацией солей, рН.
Достоинством ионообменной очистки являются: небольшие капитальные затраты; простота; высокая степень очистки; минимальная шумовая нагрузка в процессе использования; нет необходимости постоянно заменять фильтрующий материал. Из недостатков можно выделить: частая регенерация ионообменных смол; необходимость установки регенерирующих баков; необходимость утилизации используемых регенерируемых компонентов.
В последнее время повсеместно применяется технология очистки сточных вод, которая основана на принципе «зажатого слоя» ионита, где практически весь рабочий объем фильтра заполняется слоем активной смолы. Они различаются между собой в зависимости от надежности функционирования в широком диапазоне изменения рабочих нагрузок; толерантности к недостаткам предочистки; аппаратурного оформления.
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
Технология UPCORE, разработанная компанией "The Dow Chemical Company" является наиболее современной и эффективной технологией. Ее применение позволяет обеспечивать достойный уровень обработки воды при малых значениях затрат реагентов и потребления воды на собственные нужды. Данная технология является простой в реализации и удобной в эксплуатации, беспрецедентной для противоточных процессов с зажатым слоем, а также обладает устойчивостью к присутствию взвешенных веществ в исходной воде.
Обработка исходной воды по технологии UPCORE производится также как на соответствующей стадии обыкновенной прямоточной ионообменной технологии водоочистки, а стадии процесса регенерации ионообменной смолы значительно отличаются от традиционной процедуры. Схематично поведение слоя ионообменной смолы в процессе работы и во время проведения регенерации по технологии UPCORE показано на рисунке 3.
Рисунок 3. Изменения расположения слоя смолы в фильтре в ходе работы и регенерации: 1 - вода; 2 - элюат на слив; 3 - зажатый
слой ионообменной смолы; 4 - свободное пространство; 5 - обрабатываемая вода; 6 - инертная загрузка; 7 - оседающий слой смолы; 8 - реагент
Первым этапом процесса регенерации ионита является уплотнение (зажатие) слоя смолы, состоящее в поршнеобразном
Технические науки — от теории к практике № 4 (52), 2016г._
подъеме и при сжатии слоя ионита к плавающей в верхней части фильтра инертной загрузке и осуществляемое при определенных гидродинамических условиях. По своему функциональному назначению эта операция очень близка к взрыхляющей промывке, потому что позволяет эффективно удалять загрязнения воды в виде высокодисперсных взвесей, накопившихся в слое ионообменной смолы. Длительность стадии уплотнения составляет 3-5 минут, но по эффективности очистки воды данный процесс значительно превосходит классическую взрыхляющую промывку.
Следующей технологической операцией является подача регенерирующих растворов, которая также происходит в направлении снизу-вверх. По завершении химической регенерации в этом же направлении движения потока выполняется стадия вытеснения раствора реагента. По ее окончании прекращается подача потока воды и осуществляется операция осаждения слоя смолы, на которую затрачивается не более 10 мин.
Процесс очистки и обессоливания воды также можно осуществлять непрерывно (нециклично). Тогда в этом случае вместо фильтров используют пульсационные колонны (ПСК). Существует несколько типов ПСК: противоточные с псевдоожиженным слоем; прямоточные с псевдоожиженным слоем; прямоточные со сплошным слоем. Пульсация раствора необходима для равномерного распределения ионита в воде и по сечению ПСК и их перемешивания. Установка непрерывного ионного обмена состоит из нескольких ПСК, каждая из которых предназначена для проведения одного технологического процесса: ионного обмена, регенерации, промывки. Так как очистка и обессоливание сточных вод обеспечиваются последовательным их катионированием и анионированием, то полная схема этого процесса будет включать в себя две установки, в одной из которых циркулирует катионит, а в другой - анионит. При применении ПСК в 5-20 раз уменьшается необходимое количество ионита и уменьшаются размеры установки, кроме того, появляется возможность (особенно при противотоке) получить стабильные высокие концентрации извлекаемых веществ из регенерационных растворов, уменьшить расход промывных вод, упростить схему регулирования, а также полностью ее автоматизировать.
Другим эффективным методом обессоливания воды является метод обратного осмоса - один из наиболее перспективных способов очистки и глубокого обессоливания воды с различной минерализацией.
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
Обратный осмос - это очистка воды с помощью обратноосмотической мембраны, поры которой позволяют пропускать только молекулы воды, но не пропускают растворенные в ней вещества.
Этот способ по сравнению с традиционными имеет существенные преимущества: энергозатраты на процесс относительно не большие, установки конструктивно просты и малогабаритны, их работа не сильно зависит от колебаний качества исходной воды, для эксплуатации не требуется высококвалифицированного персонала, так как работа установок может быть легко автоматизирована [6, с. 158].
В системе обратного осмоса вода деминерализуется без использования (или с наименьшим использованием) химических реагентов.
В зависимости от типа применяемой мембраны степень очистки по большинству неорганических элементов составляет примерно 85 % - 98 %.
Для обеспечения длительной стабильной эксплуатации обратно-осмотических установок необходимо, чтобы вода, поступающая на мембраны, соответствовала определенным нормам, устанавливающим максимальное содержание в ней компонентов, способных нарушить нормальную работу мембранного элемента [6, с. 261].
Электродиализное обессоливание - метод, основанный на направленном переносе диссоциированных ионов (растворенных в воде солей) под действием электрического поля через селективно проницаемые мембраны. В большинстве случаев способ электродиализа применяют для обессоливания воды, содержащей не более 10 г/л растворённых солей.
В электродиализном аппарате применяются два типа мембран: мембраны, которые проницаемые для катионов - катионитовые мембраны, и мембраны, проницаемые для анионов - анионитовые мембраны. Выход очищенной воды, при электродиализе составляет 90-95 % от поступающей воды при регулируемой циркуляции концентрированного потока и других дополнительных мерах.
Этот способ не требует внедрения дополнительных химических реагентов, при этом не создаются вещества, которые отравляют окружающую среду. Необходимым условием надежной работы электродиализной установки является тщательная предварительная очистка воды от взвесей и примесей органических веществ, соединений железа и марганца.
Технические науки — от теории к практике № 4 (52), 2016г._
Главным недостатком электродиализа является его малая эффективность (как и у всех электрохимических процессов, которые протекают в диффузионной области).
Таким образом, выбор метода обессоливания обуславливается качеством исходной воды и требованиями к качеству обработанной воды, производительностью установки и технико-экономическими соображениями.
Каждый из выше описанных методов имеет свои собственные достоинства и недостатки. Электродиализ имеет ограничение по глубине обессоливания и солесодержанию питающей воды. Поэтому в настоящее время он применяется довольно редко.
При обессоливании воды с помощью ионообменных смол увеличиваются объемы ионитов и оборудования прямо пропорционально солесодержанию питающей воды, а также расход реагентов, т. е. капитальные и эксплуатационные затраты. Даже при противоточной регенерации с минимальным избытком реагентов в сточные воды поступают извлеченные соли и использовавшиеся реагенты в количестве 1-2 от общего количества солей. Регенераты обычно имеют кислую среду и требуют дополнительной нейтрализации. Прямой сброс таких отходов запрещен, и поэтому обычно используют метод разбавления другими стоками.
При обратном осмосе производительность мембранных элементов, расход энергии и, капитальные и эксплуатационные затраты незначительно зависят от солесодержания. Количество солей в стоках близко к их количеству в питающей воде. Также дополнительным источником солей могу быть составы, которые применяются для промывки мембран. Общее количество сбрасываемых солей равно их количеству в исходной воде и, при правильной эксплуатации установки, превосходит последнее на 5-15 %. Сбросная вода - концентрат обратного осмоса - имеет солесодержание в 2,5-4 раза большее, чем у исходной воды, и состав, соответствующий ей.
Количество отходов при обратном осмосе составляет примерно 25-30 % от количества обессоленной воды, а водопотребление -125-130 % от него.
В таблице 1 приведено оценочное сравнение методов обессоливания по различным характеристикам с применением трехуровневой шкалы: минимальный - мин, максимальный - макс и средний - ср.
Технические науки — от теории к практике _№ 4 (52), 2016 г
Таблица 1.
Оценочное сравнение способов обессоливание
Характеристика Ионный обмен Обратный осмос Электродиализ
Надежность макс ср мин
Степень обессоливания макс ср мин
Удаление органики мин макс мин
Удаление взвесей мин макс мин
Удаление растворенных газов мин мин мин
Требования к предподготовке мин макс макс
Энергозатраты мин макс макс
Расход реагентов макс мин мин
Расход питающей воды мин макс макс
Объем отходов мин макс ср
Возможность переработки отходов макс мин мин
В настоящий момент наилучшие экономические, экологические и технологические показатели имеет схема, с использованием ионообменных смол, что позволит значительно понизить общее солесодержание в воде и позволит вернуть большую часть воды в технологический процесс.
Список литературы:
1. Байбородин Б.А., Перфильева Ю.В. Безотходные технологии на защите окружающей среды // Современные угрозы человечеству и обеспечение безопасности жизнедеятельности: материалы научно-практической конференции. - Иркутск, 2003. - С. 75-76.
2. Гамер П., Джексон Д. Очистка воды для промышленных предприятий. М.: Стройиздат, 1968. 416 с.
3. Гребенюк В.Д., Мазо А.А. Обессоливание воды ионитами. - М.: Химия, 1980. 256 с.
4. Дытнерский Ю.И. Обратный осмос и ультрафильтрация. - М.: Химия,
1978. 527 с.
5. Ситняковский Ю.А., Парилова О.Ф. Внедрение обратноосмотического обессоливания воды на электростанциях. - М.: Тяжелое машиностроение, 1997. 336 с.
6. Яковлев С.В. Очистка производственных сточных вод. - М.: Стройиздат,
1979. 320 с.
