CC BY
68
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 628.16.081: 303.732.4
ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ОЧИСТКИ ПЛАСТОВЫХ ВОД ОТ ЭМУЛЬГИРОВАННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ СИСТЕМЫ МАГНИТНЫХ ЧАСТИЦ И МАГНИТНОГО ПОЛЯ
А.А. ЛЮТОЕВ*, Ю.Г. СМИРНОВ*, Е.А. ЛЮТОЕВА**
*ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта
**ФГБОУ ВПО «Сыктывкарский государственный университет им. Пи-
тирима Сорокина», г. Сыктывкар
Рассматривается метод очистки пластовых вод от эмульгированных нефтепродуктов при помощи магнитных частиц магнетита и магнитного поля. Выполнен анализ рассматриваемой системы и выделены управляемые параметры. На основе экспериментальных исследований, проведенных с пластовыми водами Ярегского и Нижнечутинского месторождений и построенной математической модели, выполнена оценка целевой функции (повышение эффективности очистки) по разработанным критериям эффективности.
Ключевые слова: магнитные частицы, нефтяные эмульсии, параметры системы, эффективность очистки, критерии оценки
A.A. LYUTOEV, YU.G. SMIRNOV, E.A. LYUTOEVA. EVALUATION OF EFFICIENCY OF PURIFICATION OF RESERVOIR WATERS FROM EMULSIFIED OIL PRODUCTS USING A SYSTEM OF MAGNETIC PARTICLES AND MAGNETIC FIELDS
The method of purification of reservoir waters from the emulsified oil products with the aid of magnetic magnetite particles and magnetic field is considered. The analysis of the system is made and control parameters are highlighted. Evaluation of the effectiveness of the method used is performed by two criteria: improving the purity and increasing the rate of cleaning by choosing optimal concentrations of magnetic particles.
To evaluate the effectiveness according to the first criterion (cleaning quality) a series of experiments of cleaning reservoir waters of Yarega and Nizhnechutinsky fields was conducted. Experiments were conducted with various sizes of magnetite particles obtained by grinding and condensation. Evaluation of the rate of purification was tied to optimum concentration of magnetic particles so as not to use their excessive amount. For this purpose a mathematical model was constructed determining the optimum concentration of use of a monodisperse system of magnetic particles in the purification from emulsified oil products.
Combining the data obtained, the algorithm for estimating the objective function according to specified efficiency criteria is set. The importance of the efficiency criteria is determined by the coefficients K and K2. Depending on the quality requirements of purification of reservoir waters, the developed program allows to evaluate the significance of the coefficients to the relevant efficiency criteria and to determine the optimal concentration for the system of magnetic particles used.
Keywords: magnetic particles, oil emulsion, parameters of the system, efficiency of purification, criteria of evaluation
Введение
Для очистки вод от нефтепродуктов разработано и внедрено множество методов. На сегодняшний день по-прежнему остается актуальным вопрос об эффективности методов глубокой очистки про-
мысловых вод от эмульгированных нефтепродуктов. Нефтепромысловые воды содержат высокое количество нефтяных эмульсий, из-за чего наиболее часто применяемые традиционные методы не способны достичь необходимой степени очистки, которая регламентируется либо экологическими нор-
мами (при сбросе на ландшафт), либо отраслевыми стандартами (например, при закачке в пласт). Учитывая, что нормы качества сточной воды достаточно жесткие, проблема ее очистки от нефтепродуктов остается по-прежнему актуальной.
В последние годы наблюдается огромный интерес многих исследователей к вопросам очистки воды от нефтяных загрязнений с использованием магнитного порошка из ферромагнитных материалов [1-3]. В частности, этой проблеме посвящен ряд патентов таких авторов, как Ю.А.Миргород и С.Г.Емельянов, А.Л.Бачурихин и А.В.Демин. Как отмечено в этих патентах, высокая эффективность очистки достигается путем повышения гидрофоб-ности ферромагнитного сорбтива.
В работе [4] было установлено, что среди параметров, влияющих на сорбционную способность, значимым является размер частиц сорбтива. Также здесь показано, что твердые частицы размерами меньше микрона способны стабилизировать эмульсии различного типа (вода в нефти или нефть в воде).
Материал и методы
На основе выполненного анализа литературы и построенной теоретической модели для систематизации объекта исследования была составлена структурная схема системы, из которой выделено множество внутренних (управляемых) параметров:
1. Размер магнитных частиц (dch, мкм);
2. Индукция магнитного поля (B, Тл);
3. Градиент магнитного поля (dB/dx, Тл/м);
4. Концентрация ферромагнитных частиц (С,
мг/л);
5.Расстояние извлечения омагниченной эмульсионной капли (L, м);
6.Время сорбции (Г,ч);
7.Поверхностно-активное вещество на магнитной частице (P).
Цель настоящей работы - усовершенствование рассматриваемого метода очистки путем подбора выделенных параметров функционала качества
F(dch, B, dB/dx, С, L, Т,Р) ^ max. (1)
Рассмотренная целевая функция является абстрактной. Из-за отсутствия аналитической зависимости между целевой функцией и параметрами была выполнена декомпозиция объекта исследования [5]. Поэтому эффективность функционала качества будем оценивать, опираясь на методы системного анализа, с определением воздействия каждого из параметров на систему. При этом сама целевая функция определяется двумя критериями эффективности: Fi - повышение степени очистки; F2 - повышение скорости очистки за счет выбора оптимальных концентраций магнитных частиц.
Для проведения экспериментальных исследований изготовлен магнитный разделитель с ферромагнитной упаковкой, описание которого приведено в работе [6]. На данной установке были подобраны оптимальные параметры напряженности
и градиента магнитного поля. Конструкция ферромагнитной упаковки позволила значительно сократить расстояние извлечения.
В работе [8] приведены результаты моделирования параметров разрабатываемой системы очистки пластовых вод от нефтяных загрязнений с использованием магнитных частиц и разделителя с магнитным фильтром на базе ферромагнитной упаковки. Рассчитаны оптимальные характеристики потока жидкости в установке в зависимости от размеров эмульсионных капель. Полученные в результате моделирования характеристики потока жидкости в разделителе дают возможность выбрать оптимальный режим работы предлагаемой системы очистки пластовых вод в зависимости от параметров загрязняющих нефтяных эмульсий. Полученные данные [8] позволяют оценить возможность применимости данной установки.
Результаты и обсуждение
В настоящей работе выполним поиск максимального значения целевой функции
F=YKiFi^max (2)
по параметрам:
• размер магнитных частиц (дсЬ, мкм);
• концентрация ферромагнитных частиц (С,
мг/л);
где Fi - критерии оценки, К - вес критерия.
Для оценки по первому критерию эффективности (степень очистки) в работе [6] была выполнена серия экспериментов по очистке пластовых вод Ярегского и Нижнечутинского месторождений. Эксперименты проводились с частицами магнетита различных размеров, полученных путем размалывания и конденсации. Эффективность очистки определялась по формуле:
С - С
77 и вых F1 -
(3)
где Си - исходная концентрация нефтепродуктов в воде, С^ - концентрация нефтепродуктов после очистки.
Результаты определения эффективности очистки по первому критерию приведены на рис. 1. По линиям уровня однозначно можно сказать, что размер частиц влияет на эффект очистки. Поверхность имеет нестрогое возрастание из-за того, что эксперименты проводились с различными образцами без учета внешних параметров воздействия. В предыдущей работе [6] мы стремились увеличить степень дисперсности частиц магнетита путем химической конденсации двух- и трехвалентного хлорида железа. Полученные по данной методике коллоиды имеют размеры порядка 10 нм.
Несмотря на то, что данные частицы обладают суперпарамагнитными свойствами, они подвержены образованию конгломератов под действием сил межмолекулярного взаимодействия. Выполненное численное моделирование показало, что энергия межмолекулярного взаимодействия и тепловая энергия практически равны между собой. Средний размер таких конгломератов составил = 1.8 мкм.
Для предотвращения образования подобных конгломератов обычно используются различные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Молекулы ПАВ образуют монослой на поверхности коллоида, предотвращая сближение частиц на такие расстояния, при которых они слипаются. При этом за счет монослойной упаковки происходит стерическое отталкивание частиц, что обеспечивает агрегативную устойчивость.
В работе [7] решается проблема агрегирования магнитных наночастиц. Конденсацию частиц Fe3O4 производят путем гидролиза солей двух- и трехвалентного хлоридов железа в растворе гидро-ксида аммония. Далее стабилизируют оболочкой полидифениламин-2-карбоновой кислоты. Как отмечают авторы, полученный дисперсный магнитный наноматериал представляет собой стабильные суспензии в водных и органических средах. На наш взгляд, такие частицы являются отличными кандидатами для оптимизации разрабатываемого нами метода очистки по первому критерию. Но по второму критерию при этом наблюдается существенное снижение скорости извлечения эмульсии.
Для ее определения под действием магнитной силы была построена следующая модель. Допустим, что имеется эмульсия типа нефть в воде
(капельки такой эмульсии имеют сферическую форму с диаметром dэм). Также предположим, что в эмульсии содержатся в небольшой концентрации магнитные частицы с диаметрами dч, которые образуют монослой на поверхности капелек эмульсии.
С учетом силы вязкого трения в рамках рассматриваемой модели в работе [8] была получена аналитическая зависимость скорости извлечения омагниченной эмульсии нефти в зависимости от расстояния X до поверхности ферромагнитных стержней, расположенных внутри предлагаемого фильтра:
и(X) =
2kdзяdчМнасL(Zч )
(0,0728ех^(-4,2 X) +
+0,000855ех^(-0,0038Х)), (4)
где п = 8.9104Пас - коэффициент вязкости, dэм dч -диаметр капель нефтяных эмульсий и магнитных частиц, Мнас = 4105 А/м - намагниченность насыщения для магнетита, L(zч) - функция Ланжевена, к - коэффициент упаковки магнитных частиц на поверхности эмульсионной капли.
Из приведенной формулы видно, что скорость движения эмульсионной капли можно повысить при увеличении коэффициента упаковки к и путем размеров магнитных частиц dч.
Рис. 1. Результаты экспериментов по очистке воды от нефтепродуктов с частицами магнетита различных размеров.
размер магнитных частиц (мкм)
Рис. 2. Оценка эффективности очистки по второму критерию (скорость очистки).
Снеф - концентрация нефтепродуктов; с1эм к - средний размер эмульсионных капель нефти; (с1ч^ - диапазон значений размеров магнитных частиц; (С^ - диапазон значений концентраций магнитных частиц; рнеф, рмаг- плотность нефти и магнетита соответственно. Свых-концентрация нефтепродуктов на выходе (рез. экспериментов) К.1-вес для оценки степени очистки; Кг-вес для оценки скорости очисти!
<
й)г1=1:1еп^((1ч)
I :
С неф „ _
уо.э.м =-- общий объем эмульсии
Р„еф 6 • Уо.эм
л,„ =-- количество сферических эмульгированных капель
л • али к
= к • <А\МК • К}м - суммарная площадь эмульсионной капли
4 •£/!.. -К...
К..,. =
К.... =
- количество магнитных частиц
- общий объем магнитных частиц
*~опт\1> 3 ) ~ ^
оптимальна концентрация
Рис. 3. Блок-схема алгоритма оценки целевой функции по критериям эффективности.
где рнеф - плотность нефтепродуктов, рмаг - плотность магнетита.
Максимум целевой функции по второму критерию для выбранной установки ферромагнитного разделителя будем оценивать по соотношению:
р2=((%оь С) ^ тах. (6)
При этом целевая функция должна будет принимать максимум при значениях Сопт. Оценку по
Оценку скорости очистки связываем с необходимой концентрацией магнитных частиц, чтобы не использовать их излишнее количество. Для каждого образца пластовых вод, содержащих определенную концентрацию нефтепродуктов Снеф, установим оптимальную концентрацию магнитных частиц:
ч рмагСнеф
С
опт
рнеф$ эм (5)
второму критерию определим следующими двумя правилами:
1) повышение концентрации прямо пропорционально увеличению скорости извлечения
F2=Ci/ Сопт При а< Сопт,' (7)
2) дальнейшее увеличение концентрации при С>Сопт будет обратно пропорционально экономической целесообразности, что определим выражением
F2=Сопт /С (8)
В рамках рассматриваемой модели оценим величину второго критерия для установления оптимальных концентраций магнитного сорбтива. Допустим, что концентрация эмульгированных нефтепродуктов на выходе из резервуаров отстойников Снеф=50 мг/л (такие данные на выходе резервуаров отстойников РВС-5000 и РВС-1000 приведены в работе [9]) при среднем размере эмульсионных капель dэм.к=10 мкм и рнеф=800 кг/м3. При заданных значениях оценим целевую функцию по критерию скорости очистки (рис. 2).
По полученным данным (рис. 2) видно, что концентрацию сорбтива следует повышать при увеличении размеров коллоидов магнитных частиц.
На рис. 3 приведена блок-схема алгоритма оценки целевой функции по заданным критериям эффективности. Важность таких критериев определяется весами К1 и К2. Данный алгоритм реализован в пакете МаАаЬ. Результаты моделирования приведены на рис. 4.
Заключение
Таким образом, можно управлять процессом очистки, задавая нужные веса либо скорости, либо степени очистки. Из графиков (рис. 4) видно, что концентрацию магнитных частиц при увеличении значения первого критерия эффективности (степень очистки) следует увеличивать. В зависимости от требований к степени очистки пластовых вод разработанная программа позволяет оценивать значимость весов соответствующим критериям эффективности и определять оптимальные концентрации для используемой системы магнитных частиц.
а)
б)
в)
Рис. 4. Оценка целевой функции по заданным критериям эффективности с применением различных весов (К1 - вес степени очистки, К2 - вес скорости очистки за счет выбора оптимальных концентраций магнитных частиц). а) К1= 0,5, К2= 0,5; б) К1= 0,6, К2= 0,4; в) К1= 0,7, К2= 0,3.
Литература
1. Apblett A.W., Al-Fadul S.M., Chehbouni M. and Trad T. Removal of petrochemicals from water using magnetic filtration // Proceedings of the 8th International Environmental Petroleum Consortium, 2001. http://ipec.utulsa.edu/Ipec/ Conf/apblett_101.pdf.
2. Nagata E., Iwamoto H. and Kobayashi M. Separation of Oil and Water. Japan Patent, 76111493 (1977).
3. Назаров В.Д., Назаров М.В. Очистка нефтепромысловых вод с применением магнитных сепараторов // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2008. №6. С.32-34.
4. Sullivan Andrew P. and Kilpatrick Peter K. The Effect of Inorganic Solid Particles on Water and Crude Oil Emulsion Stability // Ind. Eng. Chem. Res. 2002. Vol.41. P.3389-3404.
5. Лютоев АА., Смирнов Ю.Г. Оптимизация процесса магнитной очистки воды от нефтепродуктов методами системного анализа // Естественные и технические науки. М.: «Спутник+», 2013. №4. С. 248-252.
6. Лютоев АА., Смирнов Ю.Г., Ивенина И.В. Извлечение эмульгированных примесей нефти из воды при помощи высокодисперсных частиц магнетита // Защита окружающей среды в нефтегазовом комплексе. 2014. №4. С. 40-45.
7. Ефремов И.С., Озкан СЖ., Карпачев Г.П. Получение и изучение свойств магнитных наночастиц Fe3O4 / полидифениламин-2 кар-боновой кислоты // III Всероссийская молодежная конференция с элементами научной школы «Функциональные наноматериалы и высокочистые вещества». М.: ИМЕТ РАН, РХТУ им.Д.И. Менделеева, 2012. С.230-232.
8. Лютоев А.А., Смирнов Ю.Г. Моделирование работы ферромагнитного разделителя для очистки пластовых вод от нефтяных загрязнений // Физико-математическое моделирование систем: Материалы XI Междунар. семинара. Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2014.Ч. 2. C. 77-84.
9. Ланина Т.Д., Литвиненко В.И., Варфоломеев Б.Г. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов: монография. Ухта: УГТУ, 2006. 172 с.
References
1. Apblett A.W., Al-Fadul S. M., Chehbouni M., and Trad T. Removal of petrochemicals from water using magnetic filtration // Proc. of 8th Intern. Environmental Petroleum Consortium, 2001. http://ipec.utulsa. edu/Ipec/Conf/ apblett_101.pdf.
2. Nagata, E, Iwamoto, H. and Kobayashi, M. Separation of Oil and Water. Japan Patent, 76111493 (1977).
3. Nazarov V.D., Nazarov M.V. Ochistka nefte-promyslovyh vod s primeneniem magnitnyh separatorov [Cleaning of oil-field water using magnetic separators] // Zashhita okruzha-jushhej sredy v neftegazovom komplekse [Environment protection in oil and gas complex]. 2008. №6. P.32-34.
4. Sullivan Andrew P. and Kilpatrick Peter K. The Effect of Inorganic Solid Particles on Water and Crude Oil Emulsion Stability // Ind. Eng. Chem. Res. 2002. Vol.41. P.3389-3404.
5. Lyutoev AA., Smirnov Yu.G. Optimizacija processa magnitnoj ochistki vody ot nefteproduk-tov metodami sistemnogo analiza [Optimization of the process of the magnetic water purification from oil products by the methods of the system analysis] // Estestvennye i the-nicheskie nauki [Natural and Technical Sciences]. Moscow: «Sputnik+». 2013. №4. P. 248-252.
6. Lyutoev A.A., Smirnov Yu.G., Ivenina I.V. Izvlechenie jemul'girovannyh primesej nefti iz vody pri pomoshhi vysokodispersnyh chastic magnetite [Extraction of the emulsified oil impurities from water by means of finely-dispersed particles of magnetite] // Zashhita okruzhajushhej sredy v neftegazovom kom-plekse [Environmental protection in the oil and gas complex ]. 2014. №4. P. 40-45.
7. Efremov I.S., Ozkan S.Zh, Karpachev G.P. Poluchenie i izuchenie svojstv magnitnyh nanochastic Fe3O4 / polidifenilamin-2 kar-bonovoj kisloty [Preparation and study of the properties of magnetic nanoparticles Fe3O4 / polidiphenylamine-2 carboxylic acid] // 3 Vse-rossijskaja molodezhnaja konferencija s jele-mentami nauchnoj shkoly «Funkcional'nye nanomaterialy i vysokochistye veshhestva» [3 All-Russian Youth Conference with the elements of scientific school "Functional Nano-materials and High-Purity Substances»]. Moscow: IMET RAS, D.Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, 2012. P. 230232.
8. Lyutoev AA., Smirnov Yu.G. Modelirovanie raboty ferromagnitnogo razdelitelja dlja ochis-tki plastovyh vod ot neftjanyh zagrjaznenij [Modeling of ferromagnetic delimiter to clean reservoir waters from oil pollution] // Fiziko-matematicheskoe modelirovanie sistem: mate-rialy XI Mezhdunar. Seminara [Physical and mathematical modeling of systems: Proc. of XI Intern. Seminar]. Voronezh: FGBOU VPO «Voronezh State Technical University», 2014. Part. 2. P.77-84.
9. Lanina T.D., Litvinenko V.I., Varfolomeev B.G. Processy pererabotki plastovyh vod mestoro-zhdenij uglevodorodov: monografija [Conversion processes of formation waters of hydrocarbons: monograph]. Ukhta: Ukhta State Techn. Univ., 2006. 172 p.
Статья поступила в редакцию 09.04.2015.
