CC BY
48
УДК 66.065.7 О. А. Тучкова
СТРУКТУРООБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАЗЛИВАХ НЕФТИ И НЕФТЕПРОДУКТОВ
Ключевые слова: экологическая безопасность, разлив нефти и нефтепродуктов, структурообразователи.
В данном материале рассмотрена основная проблема загрязнения водных объектов при транспортировании нефти и нефтепродуктов. Представлен способ отверждения токсичных и горючих жидкостей в момент течи нефти и нефтепродуктов при аварийных ситуациях. Структурообразователи переводят разлившиеся жидкости в гелеобразное состояние. В данном материале рассмотрены различные виды структурообразователей.
Keywords: environmental safety, oil spill and oil products, structurants.
In this material the main problem ofpollution of water objects at transportation of oil and oil products is considered. A method for curing toxic and combustible liquids is presented at the time of leakage of oil and oil products in emergency situations. Structurants is transferred by the spread liquids to gel state. Different types of structurants are given in this material.
В настоящее время на территории России расположено огромное количество нефтебаз, эксплуатируются более сотни тысяч скважин, работают более полсотни нефтеперерабатывающих заводов [1]. А с каждым годом их число только увеличивается. На территориях промышленных предприятий в связи с изношенностью оборудования, несоблюдением технологической дисциплины, а также в местах прохождения технологических эстакад и трубопроводов возможны значительные разливы нефти и нефтепродуктов [2]. Особенно эта проблема актуальна в России.
В России нефть и нефтепродукты являются одними из наиболее распространенных загрязнителей. Поверхностные воды суши - реки и озера в России в той или иной степени загрязнены нефтью и нефтепродуктами повсеместно. Нефть и нефтепродукты обнаруживаются практически в любом водоеме, в том числе в озере Байкал. Концентрация нефти и нефтепродуктов является параметром, который измеряется как на постах Росгидромета (в поверхностных водах), так и Роспотребнадзором (в водоемах 1 и 2 категории и в источниках питьевой воды). Непереработанная нефть в водоемы попадает в момент добычи, транспортировки и перегрузки, в основном, в результате утечек из нефтепроводов. Именно этим путем в России в водоемы попадает наибольшая часть нефти. Ежегодно в окружающую среду в России разливается несколько миллионов тонн нефти [1].
Данный материал посвящен предотвращению загрязнения окружающей среды, в частности водной поверхности, при хранении и транспортировке токсичных и горючих жидкостей [2].
Большинство аварий при транспортировании и хранении нефти и нефтепродуктов сопровождается массовыми разливами этих жидкостей, которые приводят к экологическим катастрофам. Особую проблему представляет попадание нефти и продуктов ее переработки в водные объекты, т.к. пленка на поверхности воды существенно нарушает гидрологический и кислородный режим водоема. 1
тонна нефти способна загрязнить 12 км2 водной поверхности или же 1 млн. м3 воды [3].
Проблема борьбы с разливами при авариях является актуальной для всего мира. Известны методы борьбы с нефтяным загрязнением водных акваторий. Например, методы, включающие сбор нефтяной пленки с поверхности воды после аварий морских нефтеналивных танкеров. Однако задача эта чрезвычайно сложна и трудоемка.
Среди существующих способов локализации нефтяных разливов на водной поверхности, сорбционный метод является наиболее часто применяемым и распространенным. Существует большое количество различных сорбентов и сорбционных материалов для сбора нефтепродуктов для решения вышеназванной проблемы. Однако, существенным недостатком сорбентов является дороговизна, дефицитность и трудоемкость в использовании [3].
Даже несмотря на малую токсичность и возможность эмульгирования нефти и нефтепродуктов с подъемом их на поверхность воды, остаются нерешенными проблемы, связанные со сбором жидкости с поверхности разлива.
С целью повышения эффективности удаления количества пролитой токсичной или горючей жидкости и возможности предотвращения разлива этих жидкостей в ИХН СО РАН разработан способ отверждения токсичных и горючих жидкостей в момент течи при аварийных ситуациях. Предотвращение разлива токсичных и горючих жидкостей при авариях можно осуществить путем их отверждения органическими добавками -структурообразователями. С помощью
структурообразователей возможно решение сложных задач в области сохранения природной среды от загрязнения нефтепродуктами и токсичными жидкостями при их хранении, транспортировании и применении.
Структурообразователи применяют для быстрого образования гелеобразной пробки, экрана, что приводит к предотвращению разлива горючих и токсичных углеводородных жидкостей. Отверждение
последних производят в момент образования течи при аварийных ситуациях в танкерах, нефтеналивных судах, емкостях хранения (нефти, нефтепродуктов и т.д.), при перекачке нефтепродуктов, а также при транспортировании этих жидкостей в загущенном состоянии [4].
Для отверждения жидкостей используют двухкомпонентный структурообразователь,
содержащий алкоголят лития и триалкилбораты при их массовом соотношении 0,8-1,2:5,2-4,8 соответственно [2]. Компоненты вводят в отверждаемую жидкость в струевом потоке в температурном режиме от минус 70 0С до плюс 70 0С со скоростью 1-5 м3/ч. Время отверждения составляет от 5 секунд до 15 минут. При необходимости отвержденная жидкость может быть восстановлена без каких-либо изменений эксплуатационных свойств.
В аварийной ситуации для предотвращения или уменьшения разлива жидкости нет необходимости структурировать жидкость во всей емкости, для этого достаточно организовать локальное быстрое образование геля в зоне пробоины. В процессе устранения аварии и герметизации емкости с жидкостью такой способ позволяет регулировать расход компонентов структурообразователя с помощью насосов-дозаторов в соответствии с коэффициентом разрушения геля водой и площадью пробоины. Изменением концентрации структурирующих компонентов в интервале 1 - 10 мас. % и скорости струевого потока в пределах 1 - 5 м3/ч, направленного в зону пробоины, можно регулировать продолжительность изоляционного гелеобразного экрана и таким образом предотвратить разлив углеводородной жидкости. Предельная
растворимость структурообразователя в
углеводородных жидкостях составляет 45 - 50 мас. %. Поэтому при необходимости (в зависимости от размера отверстия) концентрацию
структурообразователя можно увеличить до 45-50 мас. % для локального гелеобразования в зоне отверстия с целью предотвращения вытекания жидкости.
При концентрации 2-5% структуро-образователь в течение 1-5 мин переводит жидкость в гелеобразное состояние, при концентрации до 40% - в твердое. Вязкость жидкости при этом увеличивается в 20 тыс. раз. Структурирование жидкости происходит при температуре от -700С до +700С практически без выделения тепла.
Гелеобразование уменьшает парциальное давление паров жидкостей на 30-35%.
Структурированные жидкости стабильны при температурах от -1960С до температуры кипения жидкости. Структурированные жидкости с помощью деструктуратора в количестве 0,2 части от массы структуратора быстро восстанавливаются до исходного состояния без изменения свойств. Срок хранения компонентов структурообразователя и структурированных углеводородов - 1 год. В настоящее время уже разработаны исходные данные на проектирование опытной установки промышленного получения компонентов
структурообразователя. Для производства компонентов структурообразователя требуется производственное оборудование [5].
В настоящее время разработаны различные составы структурообразователя. Известны соединения различной химической природы и композиции на их основе, которые применяются для загущения жидких углеводородов. Эффект загущения достигается, например, при использовании неорганических адсорбентов с сильноразвитой структурой поверхности, простых
гидроксипропилметиловых эфиров целлюлозы, смесей на основе 12-оксистеариновой кислоты и многих других соединений. Большое распространение получили загущающие композиции на основе высокомолекулярных полимеров, способных к ионной и координационной сшивке в углеводородной среде [6]. При наличии большого спектра загущающих средств выбор определяется спецификой решаемой задачи в той или иной области применения. Например, композиции, которые используют в нефтедобывающей отрасли, как правило, характеризуются многокомпонентностью состава, что обусловлено сложными природными условиями нефтяного пласта, скважины. При отверждении топлив введение загустителя не должно сказываться отрицательно на горючих свойствах конечного продукта и т.д.
При решении задачи загущения жидких углеводородов в аварийных ситуациях большими тенденциями являются: стремление упростить состав действующего агента, снизить его количество, повысить устойчивость загущенной системы к воздействию высокой температуры, влаги при возможности быстрого восстановления текучести исходного углеводорода (регенерации). Последнему требованию удовлетворяют очень немногие из известных составов загустителей. К их числу относятся составы на основе алкоксильных соединений двух различных металлов, способных в среде неполярных углеводородов полиассоциировать в трехмерном пространстве с образованием структурированного продукта, обладающего тиксотропными и вязкоупругими свойствами. В связи с этим, на кафедре промышленной безопасности в настоящее время начался подготовительный этап к изучению влияния высоких температур на поведение структорообразователя. Планируется более подробно изучить его свойства, используя установку для испытания на воспламеняемость с целью определения характеристики воспламенения по методу ГОСТ 30402-96.
Повышение уровня защиты окружающей среды возможно путем уменьшения количества разлитой жидкости во время появления течи в емкостях (трубопроводах) при хранении, транспортировании и применении горючих и токсичных жидкостей. Использование структурообразователя технически легче осуществляется, чем, например, использование бонового заграждения. Установка и сбор нефти при использовании бонового заграждения более трудоемкий процесс. Например, рассчитаем площадь загрязнения водной поверхности. Площадь
загрязнения водной поверхности можно определить по формуле:
Sв = тооз,
где Sв - площадь загрязнения водной поверхности, м2, V - объем нефти, попавшей на водную
3
поверхность, м .
Таким образом, площадь разлива нефти 5 м3 на водную поверхность при отсутствии ветра составляет 1670 м2. Для ограничения данного разлива потребуется боновое заграждение длиной 3340 м при высоте 0,5 м. Учитывая, что время локализации разлива нефти в акватории составляет не более 4 часов, окружающей среде может быть нанесен значительный ущерб. В то время как использование структурообразователя переводит разлившуюся нефть в гелеобразное состояние без значительного вреда для окружающей среды, практически исключая распространение нефти. Не зная основных параметров течи, сложно посчитать количество необходимого преобразователя. Однако, если учесть предельную растворимость структурообразователя в углеводородных жидкостях, то для разлива 5 м3 может понадобиться 2,5 м3.
Использование структурообразователей является одним из эффективных способов удаления
количества пролитых жидкостей, обеспечивающим
экологическую безопасность.
Литература
1. Тучкова О.А., Гасилов В.С. Разливы нефти и нефтепродуктов. Часть 1: основные положения разработки Планов по предупреждению и ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов // Вестник Казанского технологического университета, 19, 21, 69-72 (2016).
2. Блоков И.П. Краткий обзор о порывах нефтепроводов и объемах разливов нефти в России, Гринпис России [Электронный ресурс] // URL: http: //www. greenpeace .org/russia/ Global/russia/report/Arctic-oil/Oil_spills.pdf (дата обращения 25.01.2017).
3. И. Г. Шайхиев, С. В. Степанова, К. И. Шайхиева. Исследование хвои сосновых деревьев в качестве сорбционных материалов для удаления нефтей и масел с водной поверхности // Вестник Казанского технологического университета, 20, 3, 183-186 (2017).
4. Дмитриева З.Т. Экологическая безопасность при транспортировании нефти, нефтепродуктов и токсичных жидкостей // З.Т. Дмитриева, Л.Д. Тихонова / Материалы докладов III Всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 16-18 июня 1998 г., г. Санкт-Петербург. - Т.2, стр. 49-51.
5. http://neftegaz.ru/science/view/16-Strukturoobrazovateli-dlya-nefti-i-nefteproduktov.
6. http://www.findpatent.ru/patent/205/2058374.html.
© О. А. Тучкова - к.т.н., старший преподаватель кафедры промышленной безопасности КНИТУ, touchkova-o-a@mail.ru. © О. А. Tuchkova - Ph.D., senior lecturer of the Department of industrial safety of KNRTU, touchkova-o-a@mail.ru.
