CC BY
36
УДК 66.081.6
https://doi.org/10.24411/0131-4270-2020-10106
ПОДГОТОВКА ВОДЫ ДЛЯ СИСТЕМ ТРАНСПОРТА И ХРАНЕНИЯ НЕФТИ И ГАЗА В УСЛОВИЯХ ВЫСОКОЦВЕТНЫХ ВОД ВОСТОЧНОЙ СИБИРИ И ДАЛЬНЕГО ВОСТОКА
WATER TREATMENT FOR OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE SYSTEMS OF EASTERN SIBERIA AND THE FAR EAST WITH HIGH WATER COLOR INDEX WATERS
А.В. Колчин, Е.А. Локшина, Б.Н. Мастобаев
Уфимский государственный нефтяной технический университет, 450062, г. Уфа, Россия ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6581-0045, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: [email protected]
Резюме: Статья посвящена подготовке высокоцветных вод для систем транспорта и хранения нефти и газа в условиях низких температур. Актуальность статьи обоснована развитием трубопроводного транспорта в районах Восточной Сибири и Дальнего Востока. Целью статьи является представление опытным путем возможности и эффективности реагентной очистки высокоцветных вод при низких температурах забираемой воды на примере реальных вод рек Лена (Восточная сибирь) и Зея (Дальний Восток).
Ключевые слова: цветность, коагулирование, водоподготовка, речная вода, реагентная обработка.
Для цитирования: Колчин А.В., Локшина Е.А., Мастобаев Б.Н. Подготовка воды для систем транспорта и хранения нефти и газа в условиях высокоцветных вод Восточной Сибири и Дальнего Востока // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2020. № 1. С. 29-33.
D0I:10.24411/0131-4270-2020-10106
Alexander V. Kolchin, Evgenia A. Lokshina, Boris N. Mastobaev
Ufa State Petroleum Technological University, 450062, Ufa, Russia
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6581-0045, E-mail: [email protected]
ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5444-5812, E-mail: [email protected] ORCID: https://orcid.org/0000-0001-5379-9520, E-mail: [email protected]
Abstract: The article is devoted to the water treatment of high water color index waters for oil and gas transportation and storage systems at low temperatures conditions. The relevance of the article is justified by the development of pipeline transport in the regions of Eastern Siberia and the Far East. The purpose of the article is to provide an empirical presentation of the feasibility and efficiency of reactant treatment of high water color index waters at low temperatures by the example of real waters of the Lena River (Eastern Siberia) and the Zeya River (Far East).
Keywords: water color index, coagulation, water treatment, river water, reactant treatment.
For citation: Kolchin A.V., Lokshina E.A. Mastobaev B.N. WATER TREATMENT FOR OIL AND GAS TRANSPORTATION AND STORAGE SYSTEMS OF EASTERN SIBERIA AND THE FAR EAST WITH HIGH WATER COLOR INDEX WATERS. Transport and Storage of Oil Products and Hydrocarbons. 2020, no. 1, pp. 29-33.
DOI:10.24411/0131-4270-2020-10101
В настоящий момент энергоносители поставляются с месторождений Иркутской области и Якутии потребителям на Дальнем Востоке, а также в страны Азиатско-Тихоокеанского региона (в первую очередь в Китай), что обусловлено развитием трубопроводного транспорта в сторону Восточной Сибири и Дальнего Востока.
Система трубопроводного транспорта включает в себя помимо линейной части трубопроводов еще и инфраструктурные объекты (перекачивающие станции, наливные станции, резервные хранилища, системы управления и безопасности, технологические станции), которые требуют большого количества технической воды. При эксплуатации систем транспорта и хранения нефти и газа требуются воды для технологического оборудования, для энергетических установок, на хозяйственно-бытовые нужды.
Реки Восточной Сибири и Дальнего Востока, которые являются потенциальными источниками воды для объектов транспорта и хранения нефти и газа, низкоминерализованны, с низкой мутностью, но имеют высокую цветность и отрицательный индекс стабильности Ланжелье. Низкая температура, наблюдаемая в течение большей части года
в данных регионах усложняет очистку воды, в том числе реагентную.
Техническая вода должна не только быть низкоминерализованной, иметь мало взвешенных веществ (содержание взвешенных веществ не более 5 мг/л, солесодержание не более 500 мг/л, рН 7-8, нитраты - 2-4 мг/л, нитриты - 0,030,06 мг/л, хлориды и сульфаты не более 120 мг/л), но и обладать низкой цветностью [1].
Одной из проблем водоснабжения является очистка высокоцветных маломутных речных вод. Мутность воды определяется содержанием в ней частиц минерального происхождения (ил, песок, глина и т.д.). Цветность - это степень окраски природных вод, выражаемая в градусах плати-ново-кобальтовой шкалы, обусловленная содержанием гуминовых и фульвовых кислот. Гуминовые и фульвовые соединения не выпадают в осадок даже при длительном отстаивании.
Для увеличения эффективности снижения цветности воду обрабатывают химическими реагентами - коагулянтами (чаще всего солями трехвалентных металлов) и фло-кулянтами. Поскольку многие реагенты плохо работают в
холодной воде, была поставлена цель экспериментальным путем осуществить подбор коагулянтов и флокулянтов для обработки вод Восточной Сибири и Дальнего Востока, так как среднегодовая температура не превышает 5-7 °С.
На примере рек Лена (Восточная Сибирь) и Зея (Дальний Восток) проведены эксперименты по снижению цветности (осветлению) вод. Были взяты пробы вод обеих рек на качественные показатели. Проба воды р. Лены взята в паводковый период, так как данный период предусматривает высокую цветность. Проба воды р. Зеи имеет невысокую цветность, поскольку она была взята в период перед ледоставом, но вода имеет низкую температуру, что позволяет подобрать реагенты при температуре 2 °С.
Отбор проб осуществлялся с заходом в реку из средних слоев толщи воды на глубине 2 м. Качество воды рек Лена и Зея приведено в табл. 1.
Эксперименты проводились на пробах воды сразу после отбора.
В ходе исследования по осветлению речной воды была проведена ее обработка различными реагентами. Результаты оценивались визуально. Пробы, показавшие лучший результат, направлялись на лабораторный анализ. Во время опытов поддерживался температурный режим воды, соответствующий температуре воды в реке. Для обеспечения требуемой температуры исходную воду после отбора помещали в холодильник.
В качестве коагулянтов рассматривались широко используемые, доступные, работающие на природных водах данного качества (рН, температура и т.д.). Удовлетворяющими данным требованиям являются полиоксихлорид алюминия, алюминат натрия, сульфат трехвалентного железа и ПолиДАДМАХ [2].
1. Эксперименты по осветлению воды р. Лены
Для проверки возможности окисления органических соединений, в том числе и цветности, была проведена обработка речной воды гипохлоритом натрия. Были приготовлены две пробы с дозами по активному веществу 150 и 300 мг/л [3].
В первые 2-3 ч после ввода реагента визуального обесцвечивания не наблюдается. Оно начинает проявляться через 6 ч отстоя и достигает максимального значения после 12 ч отстоя.
Ввиду высокой дозы реагента и требуемого значительного времени контакта применение гипохлорита натрия в промышленном масштабе без проведения дополнительных исследований нецелесообразно.
Дальнейшие эксперименты проводились по подбору коагулянта. Были выбраны коагулянты полиоксихлорид алюминия (фото 1) и сульфат железа (фото 2) в дозах 30 мг/л по активному веществу, поскольку данная дозировка и коагулянты показали наилучший результат.
Дальнейшие эксперименты проводились по выбору фло-кулянта, работающего в связке с выбранными коагулянтами.
Для экспериментов было взято по одному флокулянту каждого типа (неионогенный, катионный и анионный):
Zetag 4100 - неионогенный флокулянт;
Zetag 8125 - катионный флокулянт;
Zetag 4120 - анионный флокулянт.
По проведенным опытам по подбору флокулянта наилучшим себя показал катионный Zetag 8125 в дозировке 5 мг/л как с сульфатом железа, так и с полиоксихлоридом алюминия.
Пробы были отфильтрованы и переданы на анализ в лабораторию.
Результаты Результаты
испытаний, проба испытаний, проба
2 из р. Лены от воды из р. Зеи от
15.05.2019 23.10.2019
Таблица 1
Качественные показатели рек Лена и Зея
Результаты Результаты
Наименование Единицы испытаний, проба испытаний, проба
показателя измерения из р. Лены от 1 из р. Лены от
17.05.2019 15.05.2019
Взвешенные вещества мг/дм3 менее 0,5 6,4 7,6 5,2
Гидрокарбонаты мг/дм3 79,3 29 31 39,7
Жесткость общая оЖ 1,8 0,79 0,84 0,90
Минерализация мг/дм3 140,1 178 153 165
Цветность градус 426 470 488 41,0
Щелочность мг-эквл./дм3 1,3 2,6 2,8 0,65
рН 7,24 7,9 7,9 6,75
Нефтепродукты (суммарно) мг/дм3 менее 0,005 0,04 0,05 <0,05
Сульфат-ион мг/дм3 12,89 15 16 6,23
Хлорид-ион мг/дм3 7,22 1,2 1,3 2,21
Кремний мг/дм3 2,19 3,4 3,4 3,60
ХПК мг/дм3 56,15 4,6 4,7 27,0
Алюминий мг/дм3 0,267 0,20
Железо мг/дм3 0,514 0,38 0,39 0,46
Кальций мг/дм3 24,903 10 11 5,90
Магний мг/дм3 7,900 3,4 3,5 1,2
Таблица 2
Результаты лабораторного анализа осветленных проб р. Лены
Наименование показателя Единицы измерения Результаты испытаний, сернокислое железо с флокулянтом Результаты испытаний, полиоксихлорид алюминия с флокулянтом
Взвешенные вещества мг/дм3 7,0 7,2
Гидрокарбонаты мг/дм3 10 23
Жесткость общая мг-эквл/дм3 1,2 1,4
Минерализация мг/дм3 150 136
Цветность градус 147 250
Щелочность мг-эквл/дм3 2,9 3,6
рН 5,8 7,2
Нефтепродукты (суммарно) мг/дм3 0,23 0,14
Сульфаты мг/дм3 14
Сульфат-ион мг/дм3 145
Хлорид-ион мг/дм3 1 5
Кремний мг/дм3 0,5 0,5
ХПК мг/дм3 7,8 8,2
Железо мг/дм3 0,16 0,05
Кальций мг/дм3 21 23
Магний мг/дм3 1,8 2,7
■ 3. Кольматация марлевого фильтра при фильтрации пробы
Результаты анализа отфильтрованных проб приведены в табл. 2.
В результате фильтрования пробы с коагулянтом (сернокислое железо) с дозой 30 мг/л и катионным флоку-лянтом Zetag 8125 с дозой 5 мг/л был получен осадок. Осадок представлен крупными хлопьями с плотностью, близкой к плотности воды, вследствие чего осадок получается легким и при температурных или поточных конвек-циях может мигрировать (плавать) в толще воды. Для осаждения подобных осадков рекомендуется использование отстойников с тонкослойными модулями и (или) внесение в воду дополнительных утяжелителей (ранее сформировавшегося осадка, микропеска) [4].
Фильтрация пробы (для отделения от осадка) показала, что осадок обладает кольматирующими свойствами (фото 3).
2. Эксперименты по осветлению воды р. Зеи
Приготовлены 10%-е растворы полиоксихлорида алюминия, алюмината натрия, сульфата трехвалентного железа, 5%-й раствор сульфата алюминия и 1%-й раствор ПолиДАДМАХ.
Для проверки работы коагулянтов к речной воде добавлялась доза 30 мг/л по активному веществу, так как на примере р. Лены было определено, что более низкие дозировки не показывают необходимого результата. Первая проверка проводилась при температуре 5 °С для определения работы реагента с данной водой, если реагент работает, следующая проверка проводилась при температуре 2 °С для определения работы реагента при низких температурах.
В ходе экспериментов положительный результат показала только проба с добавлением алюмината натрия. Спустя 5 мин отстоя появился видимый слой осадка. Спустя 30 мин отстоя высадились все хлопья. Худший результат показал коагулянт сульфата железа (фото 4).
4. Проба с добавлением алюмината натрия, исходная вода р. Зеи, проба с добавлением сульфата железа (слева направо)
5. Речная вода с 10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л сульфата алюминия [слева] и речная вода с 10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л полиоксихлорида алюминия [справа]
С целью проверки работы коагулянтов в смеси и уменьшения расхода дорогостоящего алюмината натрия было решено провести эксперимент с речной водой при температуре 2 °С со смесью коагулянтов: 1/3 алюмината натрия и 2/3 полиоксихлорида алюминия и 1/3 алюмината натрия и 2/3 сульфата алюминия. Все дальнейшие эксперименты проводились с водой, имеющей температуру не выше 2°С.
Речная вода с добавлением смеси алюмината натрия и сульфата алюминия показала результат намного хуже, чем с добавлением 10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л полиоксихлорида алюминия (фото 5).
По результатам всех экспериментов лучший результат был получен при обработке воды смесью коагулянтов алюмината натрия и полиоксихлорида алюминия.
Дальнейшие эксперименты проводились по выбору флокулянта, работающего с выбранными коагулянтами. Флокулянт должен обеспечить эффективное осветление при пониженных дозах коагулянта и посодействовать более высокой степени осветления.
При экспериментах с флокулянтами доза коагулянтов была в два раза меньше (5 мг/л алюмината натрия и 10 мг/л полиоксихлорида алюминия).
Было взято по одному флокулянту каждого типа (неионогенный, катионный и анионный) для экспериментов, аналогичных экспериментам с водой р. Лены.
Таблица 3
Результаты лабораторного анализа осветленных проб р. Зеи
Наименование показателя Единицы измерения Проба 1 (10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л полиоксихлорида алюминия) Проба 2 (5 мг/л алюмината натрия и 10 мг/л полиоксихлорида алюминия с катионным флокулянтом 1 мг/л)
Гидрокарбонаты мг/дм3 62,2 42,7
Жесткость общая мг-эквл/дм3 1,21 0,67
Сухой остаток (общая минерализация) мг/дм3 102 88,0
Цветность градус 7,70 <5
Щелочность мг-эквл/дм3 1,02 0,70
рН 7,31 6,83
Сульфаты мг/дм3 10,4 4,60
Хлориды мг/дм3 11,3 18,1
Кремний мг/дм3 2,40 1,40
Алюминий мг/дм3 0,10 0,065
Железо мг/дм3 0,041 <0,01
Кальций мг/дм3 7,90 11,0
Магний мг/дм3 1,30 2,1
По итогам экспериментов наилучшими оказались смесь коагулянтов 10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л полиоксихлорида алюминия и смесь коагулянтов 5 мг/л алюмината натрия и 10 мг/л полиоксихлорида алюминия с катионным флокулянтом Zetag 8125 1 мг/л. Данные пробы были отфильтрованы и переданы на анализ в лабораторию.
Результаты лабораторного анализа отфильтрованных проб приведены в табл. 3.
По результатам экспериментов определены реагенты, обеспечивающие снижение цветности речной воды.
При использовании смеси коагулянтов (10 мг/л алюмината натрия и 20 мг/л полиоксихлорида алюминия) эффективность по снижению цветности составила 81,22%.
При использовании смеси коагулянтов и флокулянта (5 мг/л алюмината натрия и 10 мг/л полиоксихлорида алюминия с катионным флокулянтом 1 мг/л) эффективность по снижению цветности составила 87,8%.
Помимо снижения цветности наблюдается уменьшение количества ионов кремния, алюминия и железа.
В результате фильтрования проб 1 и 2 был получен осадок. Осадок представлен крупными хлопьями с плотностью, близкой к плотности воды, вследствие чего он получается легким и при температурных или поточных конвек-циях может мигрировать (плавать) в толще воды.
Фильтрация пробы (для отделения от осадка) показала, что осадок не обладает кольматирующими свойствами.
Таким образом, исходя из проделанных экспериментов, были подобраны наиболее эффективные коагулянты для воды рек Зея и Лена. Для р. Зеи наиболее оптимальный вариант - смесь коагулянтов и флокулянта (5 мг/л алюмината натрия и 10 мг/л полиоксихлорида алюминия с катионным флокулянтом Zetag 8125 1 мг/л), а для р. Лены - полиоксихлорид алюминия 30 мг/л и катион-ный флокулянт Zetag 8125 5 мг/л. Вода разных рек имеет различный химический состав, и подбирать коагулянты необходимо опытным путем индивидуально для каждой воды. Эксперименты показали, что возможна работа с реагентами при низких температурах с хорошим конечным результатом: получением технической воды из речной высокоцветной.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ17.1.1.04-80. Классификация подземных вод по целям водопользования.
2. ГОСТ Р 51642-2000. Коагулянты для хозяйственно-питьевого водоснабжения. Общие требования и метод определения эффективности
3. Абрамов Н.Н. Водоснабжение: учеб. для вузов. М.: Стройиздат, 1974. 480 с.
4. СП 31.13330.2012 Водоснабжение. Наружные сети и сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.04.0284* (с изм.).
REFERENCES
1. GOST17.1.1.04-80. Klassifikatsiya podzemnykh vod po tselyam vodopol'zovaniya [State Standard 17.1.1.04-80. Underground waters classification according to water usage].
2. GOSTR 51642-2000. Koagulyanty dlya khozyaystvenno-pit'yevogo vodosnabzheniya. Obshchiye trebovaniya imetod opredeleniya effektivnosti [State Standard R 51642-2000. Coagulants for potable water supply. General requirements and method of efficiency determination].
3. Abramov N.N. Vodosnabzheniye [Water supply]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1974. 480 p.
4. SP 31.13330.2012 Vodosnabzheniye. Naruzhnyye seti i sooruzheniya. Aktualizirovannaya redaktsiya SNiP 2.04.0284* (s Izmeneniyami№ 1,2,3, 4) [SP 31.13330.2012 Water supply. External networks and facilities. Updated version of SN&P 2.04.02-84 * (with Amendments No. 1, 2, 3, 4)].
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ / INFORMATION ABOUT THE AUTHORS
Колчин Александр Владимирович, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Локшина Евгения Александровна, ассистент кафедры транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Мастобаев Борис Николаевич, д.т.н., проф., завкафедрой транспорта и хранения нефти и газа, Уфимский государственный нефтяной технический университет.
Alexander V. Kolchin, Cand. Sci. (Tech.), Assoc. Prof. of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
Evgenia A. Lokshina, Assistant of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University. Boris N. Mastobaev, Dr.. Sci. (Tech.), Prof., Head of the Department of Transport and Storage of Oil and Gas, Ufa State Petroleum Technological University.
2020
33
