CC BY
32
ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И ПЕРЕРАБОТКА
НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ
Зуев Олег Юрьевич
Студ. 4-ого курса КНИТУ-КАИ, ИРЭТ, г. Казань Каллаур Валентин Олегович
Студ. 4-ого курса КНИТУ-КАИ, ИРЭТ, г. Казань Сафин Булат Галимзянович
Студ. 4-ого курса КНИТУ-КАИ, ИРЭТ, г. Казань
АННОТАЦИЯ
В данной работе показаны численные и экспериментальные данные, метод очищения земли более экологическим способом и экономичность установки переработки. Полученный выходной продукт - углеводородное сырье состоит из легких и тяжелых фракций нефти. Особенностью данных исследований заключается в том, что в настоящее время для решения проблемы инженерной защиты окружающей среды, применение СВЧэнергии является одной из выгодных видов энергии переработки нефтешлама по расчетам затрат и эксплуатации.
ABSTRACT
In this paper, we demonstrate numerical and experimental data, a method ofpurification of the earth is more ecological and economical way ofprocessing unit. The output that the product is hydrocarbon feedstock consists of light and heavy fractions of oil. A feature of these studies is that at the present time to solve engineering and environmental protection, the use of microwave energy is one of the best_ forms of energy recycling of oil sludge in the calculations of costs and operation.
Ключевые слова: Микроволновые технологии, обработка нефтешламов, нефтесодержащих отходов, результаты микроволнового нагрева нефтешлама.
Keywords: Microwave technology, processing oil sludge, oily waste, results of oil slime microwave heating.
Утилизация отходов производства в целях предотвращения их вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду, а также вовлечение отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья являются важнейшей экологической задачей во всем мире. В нефтедобывающей промышленности эта проблема касается переработки и утилизации нефтяных шламов, образующихся при строительстве нефтяных и газовых скважин, при разработке и эксплуатации месторождений, очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты, а также при чистке резервуаров, емкостей и другого оборудования. Нефтяные шламы по составу чрезвычайно разнообразны и представляют собой сложные системы, состоящие из нефтепродуктов, воды и минеральной части (песка, глины, ила и т.д.), соотношение которых колеблется в очень широких пределах, в среднем (по массе) 10.. .60% нефтепродуктов, 30.85% воды, до 45% твердых примесей.
Накопление нефтешламов, как правило, осуществляется на специально отведенных для этого площадках или в бункерах без какой-либо сортировки или классификации. В шламонакопителях происходят естественные процессы - накопление атмосферных осадков, развитие микроорганизмов, протекание окислительных и других процессов, которые ведут к самовосстановлению почвенного покрова. Однако в связи с наличием большого количества солей и нефтепродуктов при общем недостатке кислорода процесс самовосстановления протекает десятки лет. Состав нефтяного шлама, хранящегося в шламонакопителях в течение нескольких лет, отличается от состава свежего. Нефтяной шлам, образующийся в резервуарах для хранения нефтепродуктов, по составу и свойствам также отличается от нефтяного шлама очистных сооружений.
Выбор методов обезвреживания и переработки нефтяных шламов, в основном, зависит от количества содержащихся в шламе нефтепродуктов и от его состава. Многокомпонентный состав продукции
нефтешламовых амбаров, наличие в ней различных химических соединений создают многие проблемы при разработке технологий обработки, извлечения из нее товарной нефти, очистки от нефтепродуктов твердого остатка. Высокая вязкость, повышенное содержание механических примесей и, самое главное, высокая агре-гативная устойчивость амбарных эмульсий обусловлены, преимущественно, повышенным содержанием асфальтенов, смол, парафинов и других высокомолекулярных компонентов.
Большое разнообразие компонентов накопившихся шламов и сроков их хранения определяет широкий спектр физико-химических свойств многокомпонентных жидкостей. Объектами исследования в данной работе являются нефтяные шламы и ловушечные нефти, расположенные на территории Республики Татарстан. Однако, учитывая, быстрое старение амбарных нефтешламых и изменение их физико-химических свойств под действием атмосферных условий, испарение легких фракций углеводородов и т.д., для каждого конкретного объекта изучение их свойств должно осуществляться на этапе проектирования опытно-промысловых работ и промышленных испытаний. В связи с этим, были дополнительно обследованы нефтешламо-вые амбары в районе деятельности УДЫ «Туймаза-нефть» на территории Республики Татарстан. Обобщение полученных данных показало, что плотность углеводородной части жидкости лежит в пределах 880 -980 кг/куб.м, а вязкость доходит до 2700 мПа-с. Содержание механических примесей в целом доходит до 58%, воды -до 60%. В углеводородной части содержание ароматических и нафтеновых углеводородов доходит до 83%, смол - до 45%, асфальтенов — до 15%. Фракции, выкипающие до температуры 500°С составляют 46 -70%.
Массовая доля фракций, выкипающих до температуры: -250°С 1,7-23,5
- 300°С 7,5 - 34,7
- 350°С 14,9-41,0
- 400°С 26,0-51,0
- 450°С 36,3 - 59,8
- 500°С 46,3- 70,0
Следует остановиться отдельно на ловушечных эмульсиях, сбрасываемых в амбары. Эти эмульсии отличаются высокой агрегативной устойчивостью, не поддающейся разрушению обычными методами де-эмульсации, применяемыми при подготовке нефти. Межфазные слои ловушечных эмульсий стабилизированы асфальтенами, карбонатами кальция, сульфидом железа, глиной, песком, поверхностно-активными веществами. Содержание механических примесей в ловушечных нефтях доходит до 6% и выше. Динамическая
вязкость ловушечных эмульсий составляет 100... 1300 мПа-с.
Для сравнения, в таблице 1 представлены данные по товарным и неподготовленным нефтям Ардатов-ского месторождения. Видно, что содержание мехпри-месей в ловушечных эмульсиях на 2 - 3 порядка выше в сравнении с неподготовленной нефтью. В то же время содержание солей в продукции скважин Ардатовского месторождения выше, чем в амбарной ловушечной нефти. Это связано с опреснением содержимого амбара осадками при длительном хранении.
Физико-химические свойства ловушечных, сырых и товарных нефтей
Таблица 1
Наименование пробы Плотность при 20°С г/см3 Содержание,% объем Содержание солей, мг/л Содержание мех. прим., % Примечание
осадка воды пром. слой
1.Амбар № 76, уровень-верхний слой (20см) 25.04.97 0,936 2,4 5,6 0 1086 1,27
Уровень - надводный Слой 22.05.97 0,951 2,4 8,6 0 1416 0,61 Wcb.b. = 53%
Уровень - надводный Слой 20.06.97 0,937 2,8 18,2 1 ИЗО 0,64
2.Амбар № 33, 01.10.97 0,959 6,2 11,8 4 1732 2,11 Fe общ. 1285 мг/кг нефти
3. Товарная нефть после отстойников 2-ой ст., УКПН-5, 25.04.97 0,883 следы 0 0 105 0,002
4. Нефть сырая с Ардатовского коллектора, верх 12.01.98 0,885 0,4 0 0 243 0,001
5. Нефть сырая с Ардатовского коллектора ^=10%), 12.01.98 0,889 10 18625 0,034
В качестве основных методов обезвреживания и утилизации нефтеотходов на практике используются:
- термические методы обезвреживания;
- методы биологической переработки;
- физико-химические методы переработки;
- химические методы обезвреживания.
В последние годы получают развитие термические методы с применением электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности, высокочастотного (ВЧ) и сверх-высокочастного (СВЧ) диапазонов.
Для выбора оптимальных режимов электромагнитной обработки, при которых достигается наибольшая эффективность, необходимо иметь информацию о диэлектрических, реологических и теплофизических свойствах нефтяного шлама как до обработки, так и в процессе, и после обработки. Важно изучение и взаимного влияния перечисленных свойств друг на друга. Из анализа имеющихся многочисленных работ в этом направлении установлено, что до сих пор не выявлены закономерности деструктуризации надмолекулярных структур, образованных из асфальтенов, смол и парафинов, после воздействия на них электромагнитным полем.
Первоочередной задачей является исследование поведения водонефтяных эмульсий в электромагнитном поле, так как основная часть большинства нефтешламовых систем представляет собой
сверхустойчивую эмульсию. Такого рода исследования составляют основу технологии переработки нефтяных шламов с использованием энергии электромагнитного поля. [1]
Переработка твердых нефтешламов - углеводородных продуктов (нефтесодержащих) основана на облучении загрязненной нефтью земли СВЧ энергией в результате чего легкие фракции освобождаются с водно-нефтянной эмульсией. Суть этого метода заключается в задании линейно увеличивающейся температуры с помощью постоянной мощности работы магнетрона в интервалы времени (увеличения длительности импульсов работы магнетрона) и времени на каждый этап, впоследствии, после чего длительность импульса снова увеличивалась и это значение оставалось неизменным во втором интервале времени, таких этапов шесть, и главных из них три. Объединенная фракция разлагается и на выходе установки мы получаем водно -иловую эмульсию и легкие фракции нефти.
В условиях, когда загрязнение земли, водоемов и рек углеводородными продуктами приобретает глобальный характер, не многие могут предложить уникальный метод, при котором будет и польза и выгода. Данный метод прост, не требует значительных затрат и больших по объему предприятий, достаточно лишь питание электричеством.
Рассмотрим предлагаемый метод подробнее. После многочисленных практических исследовании, установлено, что требуется выбирать оптимальный режим
работы - второй, (при этом скорость нагрева осуществляется в пределах 7-10°С/мин) указанный на графике (рис.1):[3]
Рис. 1. Режим работы генератора
Эти данные необходимы для того, чтобы получить полный прогрев без ущерба технологическому процессу и разницы температуры колбы и отхода. Ясно и понятно, что при увеличении температуры объекта, получается больше испарений, однако это число не может быть чрезмерно большим, поскольку в этом случае возникает процесс битумизации (245°С) и сам процесс оказывается неконтролируемым, вследствие крайне высокой температуры паров и недостаточно низкой температуры охлаждающей камеры. Оптимальной нами считается следующая методика: разогрев происходит в три этапа. В первом происходит прогрев до температуры 50-60°С. Во втором этапе прогрев до 110°С и в
третьем до 146°С, в этапах для которых характерно превышение температуры из указанного диапазона, применяется уменьшение мощности, указанное в техническом регламенте. В случае низкой температуры медленного изменения показателя, напротив - увеличение мощности генератора. Тем самым достигается оптимальное режим прогрева и контролируемый процесс облучения. Выбрав оптимальный режим прогрева, помещаем нефтешлам в колбу (4) рис.2. На рисунке 2, показана структурная схема лабораторной установки. Общая длина установки составляет- 1,14 метра.[2, 3]
10
1
1
11
Рис. 2. Структурная схема лабораторной установки: 1 - СВЧ генератор;2-соединительный волновод; 3- резонаторная камера(реактор);4 - круглодонная колба; 5 - насадка Вюрца;6-конденсатор-холодильник (обратный); 7,8-датчики температуры на решетки Брэгга; 9 -аллонж;10-приемник, 11-компьютер; 12 - охлаждающий поток воды.
Технические характеристики СВЧ генератора: потребляет переменный ток напряжением 220В и частотой 2450 МГц, с максимальной выходной мощностью 700 Вт. Размеры рабочей камеры генератора: 220х250х400мм.
Для сбора полученных нефтепродуктов используются специализированные емкостные шприцы.
Следует отметить и то, что продукт на выходе состоит из водно-иловой суспензии, легких и тяжелых
фракций и замазученного остатка. Способ обработки нефтешлама заключается в его подогреве, изотермическому разделению т.е. разделению на твердую, водную и нефтепродуктовую фазы СВЧ энергией, нагретым до температуры 60-200°С. Далее выходной продукт попадает в отстойник (круглодонную колбу, изготовленную из кварцевого стекла, пропускающего энергию СВЧ излучения), после чего используются специализированные емкостные шприцы для отбора готового продукта,
а замазученные механические примеси и водно-иловую суспензию обрабатывают в аппарате-культиваторе микроорганизмами и грибной микрофлорой с получением тяжелых металлов, песка и глины для использования в промышленности. [4] Изобретение высокоэффективно при обработки нефтешлама, имеет низкие затраты на переработку нефтяных отходов, и исключает из процесса использование дорогостоящих реагентов и технологий, а также обеспечивает экологическую чистоту.
Список литературы
1. Р. З. Миннигалимов. Разработка технологии переработки нефтяных шламов с применением энергии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей: диссертация на соискание доктора технических наук, Уфа, 2011.
2. D.A. Vedenkin, R.E. Samoshin, O.Yu. Zuev Laboratory complex for processing of oily waste using microwave thechnology in a Proceedings of X Anniversary International Conference on Antenna Theory and Techniques, April 21 - 24, 2015 year -Kharkiv: - Kharkiv, Ukraine: Publishing house of
Ukrainian National Antenna Association, 2015. - P. 396-398.
3. Министерство Природных Ресурсов и Экологии Российской Федерации [Электронный ресурс]: «На сегодняшний день выявлено почти 77 тыс. мест незаконного складирования отходов, вред почвам от этого превысил 7 млрд рублей»; Ин-т «Пресс-служба Минприроды России». М., 2014. URL: http ://www. mnr. gov. ru/news/ detail.php? ID=134377&sphrase_id=536093 (дата обращения: 16.05.2014)
4. D.A. Vedenkin, R.E. Samoshin, O.Yu. Zuev Treatment of oil sludge using microwave energy in a Proceedings of X Anniversary International Conference on Antenna Theory and Techniques, April 21 - 24, 2015 year - Kharkiv: - Kharkiv, Ukraine: Publishing house of Ukrainian National Antenna Association, 2015. - P. 399-401.
5. Способ обработки нефтешлама: пат. 2 396219 С1 Рос. Федерация. № 2008147031/15; заявл. 28.11.08; опубл. 10.08.10, Бюл. №22. 9 с.
