CC BY
41
УДК 66.087.97
ПОЛУЧЕНИЕ
НИЗКОМИНЕРАЛИЗОВАННОЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ВОДЫ ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ ОБЪЕКТОВ ПОДГОТОВКИ И ТРАНСПОРТА НЕФТИ
А.И. ИВАНОВ, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа Е.А. ЛОКШИНА, магистрант кафедры транспорта и хранения нефти и газа А.А. ЛОКШИН, к.т.н., доцент кафедры транспорта и хранения нефти и газа ФГБОУ ВО Уфимский государственный нефтяной технический университет (Россия, 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, д. 1). E-mail: [email protected]
В работе рассмотрены возможности и преимущества применения установок мембранного электродиализа для подготовки технической воды. Показана эффективность установок мембранного электродиализа и область их применения на объектах транспорта и хранения нефти.
Ключевые слова: техническая вода, подготовка, электродиализ.
На сегодняшний день получение и подготовка низкоминерализованной воды (менее 500 мг/л) из высокоминерализованных вод в местах дефицита пресной воды (в том числе и на морских платформах) является актуальной проблемой.
Для осуществления добычи нефти и газа и работы трубопроводного транспорта необходима вода. Также при эксплуатации объектов транспорта углеводородов она необходима для технологического оборудования, энергетических установок. Требования к воде: солесодержание не выше 500 мг/л, рН 7-8, нитраты 2-4 мг/л, нитриты 0,03-0,06 мг/л, хлориды и сульфаты не более 120 мг/л, ХПК до 100мг/л.
Часто имеется вода неподходящего качества (морская, попутно добываемая вода глубокого залегания с высокой минерализацией). Один из основных показателей, который не удовлетворяет требованиям к технической воде, это высокое солесодержание.
Полное обессоливание проводится следующими способами: дистилляция, термический способ, метод ионного обмена, метод электродиализа, мембранный обратный осмос.
Частичное удаление соли достигается при применении таких способов, как известкование, баритовое умягчение, Н-катионирование, вымораживание.
Для проверки возможности применения электродиализа проведена исследовательская работа по обессоливанию морских и высокоминерализованных вод. Достоинствами данного метода являются технологичность (устройство электродиализаторов обеспечивает простоту их обслуживания и надежность при эксплуатации), низкое энергопотребление, возможность возврата в производство компонентов очищаемой воды, уменьшение затрачиваемой площади, непрерывный режим работы.
Электродиализ не требует высокой степени предварительной подготовки перед обессоливанием.
Степень восстановления воды составляет около 90%, а в некоторых случаях доходит до 95%. Это очень высокий показатель, являющийся главным преимуществом процесса электродиализа в случаях с высокими требованиями максимального уменьшения объема отходящего концентрата.
Электродиализ возможно использовать для производства растворов солей высокой концентрации (до общего содержания около 250 г/л).
Лимиты по коллоидным частицам у электродиализа «мягче», чем у обратного осмоса, то есть проявляется устойчивость к загрязнениям органического происхождения. Предварительная подготовка сырья для электродиализа менее сложна. Органические частицы, способные оседать на поверхности ионообменных мембран, во время нормальной работы или в процессе периодической химической очистки удаляются из системы.
Электродиализ отлично подходит для подготовки воды с высоким уровнем содержания силикатов, где необходима высокая степень извлечения солей. В системе не образуются нерастворимые кремниевые соединения, так как силикаты не могут повлиять на производительность процесса электродиализа в силу того, что они не являются заряженными частицами.
Восстановление мембран с помощью изменения полярности способствует уменьшению частоты циклов химической мойки и, соответственно, снижению расхода химических веществ.
Уменьшение эксплуатационных расходов достигается за счет более продолжительного срока службы мембран в сравнении, например, с модулями обратного осмоса.
Для проверки данного метода были проведены испытания на пилотной установке, изображенной на рис. 1, с водами различного состава.
В состав установки входят следующие элементы:
- модуль ED-Y/25-0,8 с мембранами СМ-РЕБ, ДМ-РЕБ;
- блок питания;
Рис. 1. Пилотная установка
1
1 ш. 50
- блок управления;
- ротаметры;
- запорная арматура;
- насосы;
- баки дилуата, концентрата, электродного раствора.
Анализ воды из Каспийского моря
Исходная вода - прозрачная, без механических включений, без пленки на поверхности, без запаха:
- рН 8,37;
- щелочность: временная - 0,1 мг-эквл/л; общая -3,4 мг-эквл/л;
- жесткость общая - 34 мг-эквл/л;
- общее солесодержание - 11 865 мг/л;
- индекс стабильности по Ланжелье - 1,48.
Вода на грани стабильности, физические (например, часто происходящие: повышение температуры, турбули-зация, изменение давления) или химические (карбонизация, подщелачивание) воздействия могут привести к солеотложениям.
Дилуат после обессоливания на EDR - прозрачная вода, без механических включений, без пленки на поверхности, без запаха:
- рН 6,4;
- щелочность: временная - 0,0 мг-эквл/л; общая -0,1 мг-эквл/л;
- жесткость общая - 0,4 мг-эквл/л;
- общее солесодержание - 45 мг/л;
- индекс стабильности по Ланжелье - -3,7.
Вода нестабильная, коррозионная по отношению к металлам и бетону.
Концентрат после обессоливания на EDR - вода слабо коричневого цвета с черной взвесью (приведенный диаметр частиц от 0,1 мм до 1,0 мм), с очень слабым железистым запахом, с механическими включениями около 100 мг/л, без пленки на поверхности:
- рН 6,98;
- щелочность: временная - 0,0 мг-эквл/л; общая -1,8 мг-эквл/л;
- жесткость общая - 85 мг-эквл/л;
- общее солесодержание - 74 550 мг/л;
- индекс стабильности по Ланжелье -+ 0,15. Вода стабильная.
Анализ высокоминерализованной воды, в том числе с высоким содержанием бромидов
Для эксперимента был приготовлен раствор со специфическими солями (бромид натрия).
При пилотном тестировании для демонстрации результатов очистки и сгущения бромидсодержащего стока процесс был разделен на два этапа. Первый этап - обессоливание исходного бромидсодержащего стока около 12 мСм/см доУЭП 0,2 мСм/см в готовом обессоленном продукте (дилуат) с одновременным получением промежуточного концентрата с УЭП от 45,5 до 52,8 мСм/см (6 экспериментов). Максимальное снижение бромидов зафиксировано с 4500 мг/л (средняя проба по результатам двух анализов исходного стока от 19.04 и 21.04) до 11-13 мг/л. Что соответствует степени обессоливания 99,7-99,8%. В среднем степень обессоливания по различным химическим показателям составила 98,0-98,7%. Эксперименты были рассчитаны на максимальные значения следующих параметров: сила тока 8 А; напряжение 25 В. Все эксперименты были проведены в стандартных режимах работы электродиализного оборудования. Данные химических анализов сведены в табл. 1.
В ходе проведения экспериментов фиксировались сила тока, проводимость, напряжение и рН. После эти параметры были сведены в табл. 2.
По результатам пилотных испытаний подтверждается возможность обработки бромидсодержащего стока методом электродиализа. На первом этапе достигнута очистка бромидсодержащего стока до 11 мг/л бромидов. На втором этапе достигнуто концентрирование бромид-содержащего стока до 70 000 мг/л бромидов (расчетные данные). Теоретический расчет показывает, что исходный сток по технологии электродиализа можно разделить по объему на очищенный (дилуат) и концентрат в соотношении 94% и 6% соответственно. Высокий показатель химического потребления кислорода (ХПК) никак не влиял на процесс, а полученный концентрат с содержанием сухого остатка 225 г/л через 12 ч оставался абсолютно прозрачным, не было образования осадка. Степень обессоли-вания обрабатываемой среды с применением процесса электродиализа прямо пропорциональна силе накладываемого тока. При этом с увеличением значений концентрации солей, содержащихся в дилуате, эффективность постепенно падает, несмотря на повышение силы тока. В процессе проведения всех экспериментов (на основе полученных данных) не обнаруживалось снижения производительности оборудования в зависимости от времени. Для предотвращения образования осадков железистых соединений рекомендована микрофильтрация на входе в установку электродиализа номиналом фильтрации 10 мкм.
Таблица 1
Данные химанализов при работе пилотной установки электродиализа
Этап работы Дата № пробы Проба Хлориды, мг/дм3 Кобальт, мг/дм3 Марганец, мг/дм3 Натрий, мг/дм3 ХПК, мг/дм3
1. Первый этап 19 апр. 1 Исходный сток 2485 <10 0,00606 2600 1101
19 апр. 1 Исходный сток (19 апр.)
Очистка исходного стока 1.1.1 Дилуат 120
1.2.1 Концентрат
1.1.2 Дилуат 83
1.2.2 Концентрат
1.1.3 Дилуат 5,9 <10 <10 58 115
1.2.3 Концентрат 10 325 <10 <10 22 760 6531
2 Исходный сток (19 апр.)
2.1.3 Дилуат 5,3 <10 <10 52
2.2.3 Концентрат 10 243 <10 <10 20 500
2. Первый этап 20 апр. 3 Исходный сток (20 апр.)
Очистка исходного стока 3.1.1 Дилуат 4,5 <10 <10 56 73
3.2.1 Концентрат 11 489 <10 <10 24 000 7335
4 Исходный сток (20 апр.)
4.1.1 Дилуат 12,4 116
4.1.3 Дилуат 7,6 87
4.1.3 Дилуат 4,3 57
3. Второй этап 21 апр. 5 Исходный концентрат 13 534 <10 <10 26 500 8364
Обработка концентрата 5.1.1 Дилуат 156 <10 <10 1255 522
5.1.2 Концентрат 51 036 <10_<10 184 000 38 890
4. Дополнительный 21 апр. Исходный 2310
анализ сток
Электродиализная установка позволяет получить из вод с различной степенью минерализации и различным составом техническую низкоминерализованную воду, удовлетворяющую эксплуатационным требованиям на объектах подготовки нефти к транспорту и на насосных станциях магистральных нефтепроводов. Результаты показывают возможность получения воды, которую можно использовать для технических нужд, а при соответствующей бактерицидной обработке и для хозяйственно-бытовых целей в условиях дефицита воды. Задача по получению воды питьевого качества на данном этапе не ставилась.
Таблица 2
Параметры, фиксируемые в ходе эксперимента
Время с начала эксперимента, мин Напряжение, В Сила тока, А рН Проводимость, мСм/см
0 17,2 1,11 8,397 15,910
5 17,3 1,19 8,397 15,910
10 17,4 1,20 8,443 8,960
15 17,4 1,07 8,478 5,390
20 17,3 0,76 8,510 2,630
25 17,2 0,40 8,447 0,951
30 17,0 0,21 8,225 0,951
35 17,0 0,14 7,790 0,115
40 16,8 0,12 7,490 0,046
45 16,8 0,11 7,399 0,004
50 16,8 0,10 7,649 0,003
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. J. Veil, M.G. Puder, D. Elcock, R.J.J. Redweik, A White Paper Describing Produced Water from Production of Crude Oil, Natural Gas and Coal Bed Methane, http://www.netl.doe.gov/publications /oil pubs/prodwaterpaper.pdf, 2004.
2. P. Ekins, R. Vanner, J. Firebrace, Zero emissions of oil in water from offshore oil and gas installations: economic and environmental implications, J. Clean. Prod. 15 (2007) 1302-1315.
3. L.G. Faksness, P.G. Grini, P.S. Daling, Partitioning of semi-soluble organic compounds between the water phase and oil droplets in produced water, Mar. Pollut. Bull. 48 (2004) 731-742.
4. Judd, B. Jefferson, Membranes for Industrial Wastewater Recovery and Reuse,Elsevier, Oxford, United Kingdom, 2003.
5. F.E. Ciarapica, G. Giacchetta, The treatment of produced water in offshore rig:comparison between tradition installations and innovative systems, in: fifth International Membrane Science & Technology Conference, University of New South Wales, Sydney, Australia, 10 November, 2003.
6. Y. He, Z.W. Jiang, Treating oilfield wastewater: technology review, Filtr. Sep.June (2008) 14-16.
7. Y.S. Lia, L. Yana, C.B. Xiang, L.J. Hong, Treatment of oily wastewater by organic-inorganic composite tubular ultrafiltration (UF) membranes, Desalination 196 (2006) 76-83.
8. T. Bilstad, E. Espedal, Membrane separation of produced water, Water Sci. Technol. 34 (1996) 239-246.
9. J.M. Lee, T. Frankiewicz, Treatment of produced water with an ultrafiltration (UF) membrane-a field trial, in: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, Texas, USA, 9-12 October, 2005.
10. M.S.H. Bader, Seawater versus produced water in oil-fields water injection operations, Desalination 208 (2007) 159-168.
11. M. Barrufet, D. Burnett, B. Mareth, Modeling and operation of oil removal and desalting oilfield brines with modular units, in: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, Dallas, Texas, USA, 9-12 October, 2005.
12. G.F. Doran, F.H. Carini, D.A. Fruth, J.A. Drago, L.Y.C. Leong, Evaluation of technologies to treat oil field produced water to drinking water or reuse quality, in: SPE Annual Technical Conference and Exhibition, San Antonio, Texas, USA, 5-8 October, 1997.
PRODUCTION OF LOW-MINERALIZED TECHNICAL WATER FOR OPERATION OF OBJECTS OF PREPARATION AND TRANSPORT OF OIL
IVANOV A.I., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas LOKSHINA E.A., masters of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
LOKSHIN A.A., Cand. Sci. (Tech.), Associate Prof. of Department of Transport and Storage of Oil and Gas
Ufa State Petroleum Technological University (USPTU) (1, Kosmonavtov St., 450062, Ufa, Republic of Bashkortostan,
Russia).
E-mail: [email protected] ABSTRACT
In the paper, the possibilities and advantages of using membrane electrodialysis units for the preparation of industrial water are considered. The efficiency of membrane electrodialysis installations and the field of their application at oil transportation and storage facilities is shown. Keywords: technical water, preparation, electrodialysis. REFERENCES
1. Veil J., Puder M.G., Elcock D., Redweik R.J.J. A white paper describing produced water from production of crude oil, natural gas and coal bed methane. Available at: http://www.netl.doe.gov/publications /oil pubs/prodwaterpaper.pdf
2. Ekins P., Vanner R., Firebrace J. Zero emissions of oil in water from offshore oil and gas installations: economic and environmental implications. J. Clean. Prod. 2007, no.15, pp. 1302-1315.
3. Faksness L.G., Grini P.G., Daling P.S. Partitioning of semi-soluble organic compounds between the water phase and oil droplets in produced water. Mar. Pollut. Bull., 2004, no. 48, pp. 731-742.
4. Judd, Jefferson B. Membranes for industrial wastewater recovery and reuse. Oxford, Elsevier Publ., 2003.
5. Ciarapica F.E., Giacchetta G. The treatment of produced water in offshore rig: comparison between tradition installations and innovative systems. The fifth international membrane science & technology conference. Sydney, 2003.
6. He Y., Jiang Z.W., Treating oilfield wastewater: technology review. Filtr. Sep., 2008, pp. 14-16.
7. Lia Y.S., Yana L., Xiang C.B., Hong L.J. Treatment of oily wastewater by organic-inorganic composite tubular ultrafiltration (UF) membranes. Desalination, 2006, no.196, pp. 76-83.
8. Bilstad T., Espedal E. Membrane separation of produced water. Water Sci. Technol. 1996, no. 34, pp. 239-246.
9. Lee J.M., Frankiewicz T. Treatment of produced water with an ultrafiltration (UF) membrane-a field trial. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas, 2005.
10. Bader M.S.H. Seawater versus produced water in oil-fields water injection operations. Desalination, 2007, no. 208, pp. 159-168.
11. Barrufet M., Burnett D., Mareth B. Modeling and operation of oil removal and desalting oilfield brines with modular units. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. Dallas, 2005.
12. Doran G.F., Carini F.H., Fruth D.A., Drago J.A., Leong L.Y.C. Evaluation of technologies to treat oil field produced water to drinking water or reuse quality. SPE Annual Technical Conference and Exhibition. San Antonio, 1997.
