CC BY
102
УДК 66.094
Е. И. Бахонина
Подготовка к утилизации углеводородсодержащих отходов
с применением микроволн
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Стерлитамаке 453118, Башкортостан, г. Стерлитамак, пр. Октября, 2; тел.: (3473) 24-35-74; факс: 24-24-08
В работе предложена технология разделения углеводородсодержащих отходов из хранилищ-накопителей с использованием микроволнового излучения и термотрансформаторов — веществ, эффективно преобразующих энергию СВЧ-поля в тепловую.
Ключевые слова: углеводородсодержащие отходы, микроволновое излучение, термотрансформаторы, реактор.
Отходы нефтехимической промышленности, складированные в открытых хранилищах являются одним из источников загрязнения окружающей среды. Попадая в воздух и почву, они загрязняют атмосферу, поверхностные и грунтовые воды (например, Михай-ловское захоронение 60—70-х годов в окрестностях г. Стерлитамака). До сих пор не найдено приемлемого решения данной проблемы. Сохраняется актуальность разработки способа переработки таких отходов.
Сейчас большинство углеводородсодер-жащих отходов сжигаются в печах, разработанных для мазутного топлива, что приводит к загрязнению окружающей среды токсичными продуктами из-за необеспечения стабильного режима полного сгорания, к тому же предприятие производит выплаты за загрязнение атмосферы. Практикуется и вывоз таких отходов на полигоны для захоронения, что ведет к потере ценных углеводородов, не говоря о затратах на транспортировку и загрязнении окружающей среды при загрузке-выгрузке.
Для выделения из отходов ценных для производства углеводородов мы предлагаем использовать нетрадиционный метод, основанный на нагреве отходов в электромагнитном поле СВЧ-диапазона с применением веществ — термотрансформаторов, эффективно преобразующих энергию СВЧ-поля в тепловую, необходимую для осуществления процесса разделения углеводородсодержащих отходов на фракции.
При проведении экспериментов использовался СВЧ-генератор, потребляющий переменный ток напряжением 220В и частотой 50 Гц, Дата поступления 30.03.06
с максимальной выходной мощностью 900 Вт.
В рабочей камере (резонаторе) СВЧ установки расположена емкость для сырья, представляющая собой вертикальный цилиндрический сосуд с рубашкой для теплоизоляции, изготовленный из кварцевого стекла, проницаемого СВЧ-излучением.
На рис. 1 представлена принципиальная схема лабораторной установки по переработке углеводородсодержащих отходов.
Рис. 1. Принципиальная схема лабораторной установки переработки углеводородсодержащих отходов 1 — магнетрон; 2 — рабочая камера (резонатор); 3 — аппарат с вакуумированной рубашкой; 4 — катализатор К-24и, углеводородсодержащие отходы; 5 — манометр; 6 — тройник; 7 — термометр; 8 — соединительный шланг; 9 — конденсатор; 10 — мерная колба для сбора конденсата; 11 — согласующая нагрузка магнетрона. I — жидкие углеводородсодержащие отходы; II — вода, поступающая в согласованную нагрузку магнетрона; III, V — вода в канализацию; IV — вода для охлаждения паровой фазы *
СВЧ-реактор соединен с уравнительной емкостью, куда постоянно подается сырье. Таким образом, в СВЧ-реакторе поддерживается постоянный рабочий уровень сырья. Реактор может быть заполнен отработанным катализатором К-24и, выполняющим функции термотрансформатора.
* Для обработки отходов с включениями грунта используется специальное реакционное устройство.
Результаты разделения углеводородсодержащих отходов
Таблица 1
Наименование Исходный Фракции с Фракции с Кубовый
среды отход температурой температурой остаток
кипения кипения разгонки
40-100 оС (Конденсат №1) 112-160 оС (Конденсат №2) исходного отхода
Плотность среды, г/см3 0.794 0.727 0.839 0.90
С4 — 0.62 0.012 —
С5 20.61 29.69 4.65 0.48
Фракции, % мас. Сб Z 25.60 53.64 1.23 0.30
Су Z 5.82 10.42 12.49 0.94
Св Z 1.63 2.17 14.49 1.27
Сд и более Z 46.34 4.08 67.20 97.01
Сухой остаток 20.53 0.17 0.62 48.25
На выходе из реактора установлены манометр и термометр для измерения давления и температуры паровой фазы. Пары из реактора направляются в конденсатор, конденсат отбирается в мерную колбу.
В экспериментальных исследованиях в качестве термотрансформатора был использован отработанный промышленный катализатор К-24и, представляющий собой пористый сыпучий материал темно-красного цвета, гранулы цилиндрической формы, диаметром от 3.5 до 4.5 мм, длиной от 3 до 15 мм. Истинный насыпной вес катализатора находится в пределах от 1.2 до 1.6 г/см3, удельная поверхность от 3 до 6 м2/г, а индекс прочности равен 95%. Катализатор К-24и имеет в своем составе: Fe2O3 — от 60 до 70% мас., К2С03 — от 20 до 30 %, а также в значительно меньшем количестве А1203, 2и02 и др. компоненты. Средняя мольная теплоемкость катализатора К-24и при 25 оС равна 101.72 Дж/(моль-К) 1.
Результаты экспериментов по воздействию СВЧ-излучения на углеводородсодер-жащие отходы в присутствии термотрансформаторов показали, что в зависимости от режима и длительности обработки можно последовательно выделять сначала более летучие углеводороды, затем более тяжелые и, наконец, даже разделять оставшуюся массу.
В табл. 1 представлены результаты экспериментальных исследований по разделению компонентов углеводородных отходов
ЗАО «Каучук» в СВЧ-поле без использования термотрансформаторов.
Согласно приведенным в таблице результатам, стабилизация температуры отгонки углеводородов наблюдалась при температурах 110 оС, 130 оС и 175 оС. При этом интенсивное парообразование отмечалось в температурных зонах от 40 до 100 оС, от 112 до 160 о, от 180 до 250 оС.
Результаты хроматографического анализа отогнанных фракций (конденсата 1 и 2) представлены в табл. 2.
Кубовый остаток разгонки отхода в СВЧ-поле (табл. 1, графа 5) не удается нагреть до температуры кипения при удельных затратах СВЧ-энергии 3.25 Вт/г, дальнейшее увеличение мощности приведет к значительным энергозатратам. Поэтому для повышения температуры кубового остатка были использованы вещества — термотрансформаторы, эффективно преобразующие СВЧ-энергию в тепло.
Количество катализатора mk, кг, необходимого для достижения требуемой температуры паров при установленной производительности, определяли эмпирически. Например, для достижения температуры паров 200 оС при производительности лабораторной установки П = 390 • 10-3 кг/ч, требуется катализатор К-24И в количестве mk 200 °C = 0.1668 кг, а для достижения температуры 350 оС, при той же производительности mk 350 °C = 0.2106 кг, таким образом теплоотдача термотрансформатора Q',
Конденсат №1 (Светлая прозрачная Жидкость) Конденсат №2 (Светлая жидкость)
Состав Состав
Пентан-изо-пентановая фракция, пиперилен Ароматические углеводороды С6-С8 Фракции дизельного топлива Тяжелые углеводороды Сд
Таблица 2
Результаты хроматографического анализа продуктов разгонки углеводородсодержащего отхода
Рис. 2. Блок-схема переработки углеводородсодержащих отходов
Дж/кг при нагреве составляет для катализатора К-24И 1242.27 кДж/кг.
В табл. 3 приведены результаты разгонки кубового остатка, исходный состав которого приведен в табл. 1 (графа 5)с использованием термотрансформатора — отработанного катализатора К-24И.
Таблица 3
Продукты, получаемые при разгонке кубового остатка
Продукты %
1. Фракция до 180 °С, С5-С9 2. Фракция 180-230 °С, С10-С11 3. Фракция 250-350 °С, С12-С20 3.79 43.39 52.82
Как видно из табл. 3, в качестве продуктов получаем мазуты (фракции С10—С11) и битумы (С12-С20).
Технологию переработки углеводородсодержащих отходов с использованием СВЧ-излучения можно представить стадийно (рис. 2). Первая стадия переработки отходов — их смешение, усреднение их физико-химических свойств. Вторая стадия — нагрев смеси отходов в СВЧ-поле без использования добавок веществ, повышающих эффективность нагрева в СВЧ-поле — термотрансформаторов. Получаемые на этой стадии продукты — пентан-изопентановая и пипериленовая фрак-
ции могут быть возвращены в производство, фракции дизтоплива можно использовать в топливной сети, в качестве растворителя или абсорбента в производственных процессах.
Кубовый остаток направляется на следующую стадию переработки — разгонке в СВЧ-поле в присутствии термотрансформатора. На этой заключительной стадии получаются мазут и битум. Данная схема переработки углеводорсодержащих отходов может дополняться технологическими операциями по модификации свойств получаемых продуктов для придания им необходимых потребительских свойств.
Как и в любой из существующих технологий переработки отходов сложного состава, проблема подготовки сырья и его загрузки в реакционные устройства столь же важна, как и сам химический передел. Поэтому наряду с изучением характеристик химического передела отходов (табл. 2), мы ведем разработку конструкции реакционного устройства, обеспечивающего простую и надежную подачу отходов, что в комплексе решит проблему утилизации отходов с включениями грунта из временного захоронения.
