CC BY
9
УДК66.061
Я. С. Мухтаров, О. А. Синяков, Р. Ш. Суфиянов, В. А. Лашков
ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНСТАНТЫ СКОРОСТИ ПРОЦЕССА ИЗВЛЕЧЕНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ ИЗ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ РАСТВОРИТЕЛЯМИ
Ключевые слова: экстрагирование углеводородов, константа скорости, нефтезагрязненный грунт.
Проведены эксперименты и определены константы процесса экстрагирования углеводородов из нефтезагряз-ненных грунтов.
Keywords:extraction of hydrocarbons, the rate constant of oil-contaminated soil. Experiments and constants process of extraction hydrocarbons from contaminated soils.
В результате техногенных аварий на нефтепроводах образуется большое количество нефтезагряз-ненных грунтов (нефтегрунтов). Для ликвидации последствий этих чрезвычайных ситуаций их необходимо собирать и вывозить для обезвреживания на специальные полигоны, т.к. по степени негативного воздействия на окружающую природную среду они относятся к опасным отходам [1-3].
Известны деструктивные технологии обезвреживания нефтегрунтов (термические, химические, биологические), но при их реализации безвозвратно теряются углеводороды [4].
Процессы, связанные с рекуперацией отходов носят системный характер [5]. Сохранить ценное не возобновляемое углеводородное сырье возможно, применяя экстракционный метод их извлечения с помощью экстрагентов, в частности растворителями, имеющими низкие температуры кипения [6, 7].
С целью определения параметров процесса извлечения углеводородов из нефтегрунтов при помощи низкокипящих растворителей были проведены соответствующие экспериментальные исследования.
В качестве низкокипящих растворителей применялись метиленхлорид (МХ) и н-пентан при соотношении растворитель/нефтегрунт 2/1, в качестве исследуемого образца (выщелоченный чернозем) с исходным содержанием углеводородов нефти 20 % (масс.).
Степень извлечения углеводородов нефти а определялась по отношению:
а = ■
масса извлеченной нефти исходноесодержание нефти
(1)
Эксперименты проводились при трех различных температурах: 10, 20 и 30 0С. Смешивание образцов с растворителями в экстракторе осуществлялось в течение 2, 4, 8, 14 и 20 минут.
Полученные результаты экспериментальных исследований представлены на рис.1 и 2, а также в табл.1.
Для описания кинетики процесса извлечения было-использовано уравнение Ерофеева-Колмогорова [8, 9].
а = 1 - е-кт", (2)
где к -постоянная, определяющая константу скорости процесса; п - постоянная, определяющая харак-
тер процесса; т - время.
FT I
Г I
Рис. 1 - Результаты исследований степени извлечения углеводородов нефти метиленхло-ридом в зависимости от времени обработки
II
1 о,в 0,6 OA 0,2 о
йЙ1
4 В 14 20 Время, мин
□ 10 град
□ 20 град ] 30 град
Рис. 2 - Результаты исследований степени извлечения углеводородов нефти н-пентаном в зависимости от времени обработки
Таблица 1 - Степень извлечения углеводородов нефти
Время, мин Растворитель
метиленхлорид н-пентан
100С 200С 300С 100С 200С 300С
2 0,359 0,463 0,524 0,345 0,448 0,509
4 0,472 0,581 0,643 0,458 0,567 0,622
8 0,684 0,781 0,832 0,671 0,767 0,828
14 0,791 0,880 0,943 0,775 0,862 0,925
20 0,823 0,911 0,972 0,814 0,901 0,964
По значению коэффициента п можно определить характер процесса: п < 1 - процесс диффузионный; п > 1 - процесс кинетический; п = 1 - ско-
рость конвективной диффузии сопоставима со скоростью молекулярной диффузии.
После обработки данных экспериментов были получены следующие результаты, представленные в табл.2 (для метиленхлорида) и табл.3 (для н-пентана). 1д[- !д(1-а)]
Таблица 2 - Результаты расчетов для метиленхлорида
Тетрега1ше, 0С Тгте, тт !д[- !д(1 - а)] п к , тгп1
2 0,714
4 0,557
10 8 0,301 0,623 0,289
14 0,168
20 0,124
2 0,569
4 0,423
20 8 0,181 0,620 0,396
14 0,036
20 0,021
2 0,492
4 0,349
30 8 0,111 0,708 0,424
14 0,095
20 0,191
Таблица 3 - Результаты расчетов для н-пентана
Температура, 0С Время, мин !д[- !д(1 - а)] п к , мин1
2 0,736
4 0,575
10 8 0,316 0,630 0,273
14 0,189
20 0,136
2 0,588
4 0,439
20 8 0,199 0,614 0,382
14 0,065
20 0,001891
2 0,51
4 0,374
30 8 0,117 0,691 0,414
14 0,051
20 0,159
На рис. 3 и 4 полученные результаты представлены в логарифмических координатах.
Зная значения параметров п и к можно определить константу скорости процесса используя уравнение Г.В. Саковича
К = пк-1п.
(3)
Расчет энергии активации проводился по уравнению Аррениуса:
К = Ве-Еа/кт,
(4)
где: К - константа скорости процесса; В - предэкс-поненциальный множитель; Еа - энергия активации; К - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура.
Рис. 4 - График степени извлечения углеводородов н-пентаном
Рис. 3 - График степени извлечения углеводородов метиленхлоридом
Уравнение Аррениуса в логарифмической форме имеет следующий вид:
!дК = -—1де + !дВ. КТ
(5)
Величины !дВ для метиленхлорида и н-пентана определяются из соответствующих зависимостей !дК = f(1/T) как отрезки, отсекаемые на графиках наоси ординат (рис. 5).
Рис. 5 - График зависимости логарифма константы скорости процесса экстрагирования от обратной температуры
Через тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс
1д¥ = - |^!де, (6)
К1
рассчитаем значения энергии активации: RtgT
Ea
lge
(7)
Результаты расчетов представлены в табл. 4.
Таблица 4 - Результаты расчета параметров
Растворитель Температура, 0С K ,мин' Ea , кДж/моль igB
Метиленхло-рид 10 0,085 32,508 4,928
20 0,139
30 0,211
н-пентан 10 0,080 31,225 4,668
20 0,128
30 0,193
Таким образом, в результате проведенных экспериментальных исследований и расчетов получены константы процесса извлечения углеводородов из нефтезагрязненных грунтов метиленхлоридом и н-пентаном. Использование известного уравнения Ерофеева-Колмогорова для описания процесса извлечения углеводородов из нефтезагрязненных
грунтов показало, что уравнение адекватно описывает полученные экспериментальные данные.
Литература
1. Р.Ш. Суфиянов, Нефтешламы и нефтесодержащие грунты как объект ресурсосбережения и природоохранной деятельности. МГМУ, Москва, 2013. 148 с.
2. Я.С. Мухтаров,Р.Ш.Суфиянов, В.А. Лашков, Вестн. Казан.технол.ун-та,15, 17, 220-223 (2012).
3. Р.Ш.Суфиянов, Защита окружающей среды в нефтехимическом комплексе,5, 36-40 (2010).
4. Р.Ш. Суфиянов, Обращение с нефтезагрязненными грунтами. ЬАРЬАМВЕКТАса<1ет1с, Берлин, 2011, 244 с.
5. В.А. Лашков, С.Г. Кондрашева, Вестн. Ка-зан.технол.ун-та, 20, 122-129 (2011).
6. Я.С.Мухтаров, Р.Ш. Суфиянов, Вестн. Казан.технол.ун-та, 15, 14, 190-193 (2012).
7. Р.Ш. Суфиянов, Вестн. Казан.технол.ун-та, 16, 8, 310311 (2013).
8. В.А.Лашков, Р.Ш.Суфиянов, О.А.Синяков, А.А. Данилина, Вестн. Казан. технол. ун-та, 16, 14, 208-210 (2013).
9. И.К.Иванова, А.А. Рыкунов, Нефтегазовое дело,2, 242249 (2011).
© Я. С. Мухтаров - д.т.н., проф. каф. машиноведения КНИТУ, Р. Ш. Суфиянов - д.т.н., доцент Московского государственного машиностроительного университета (МГМУ-МАМИ), О. А. Синяков - аспирант МГМУ-МАМИ, В. А. Лашков - д.т.н., профессор, зав. каф. машиноведения Казанского национального исследовательского технологического университета (КНИТУ), lashkov_dm@kstu.ru.
© J. S. Mukhtarov - d.t.s., professor of the department of mechanical engineering (KNRTU), Р. Ш. Суфиянов - d.t.s., associate professor of Moscow State University of Engineering (MSUE-MAMI), O. A. Sitnikov - PhD studentMSUE-MAMI, V. A. Lashkov -d.t.s., head of the department of mechanical engineering of Kazan National Research Technological University (KNRTU), lashkov_dm@kstu.ru.
