CC BY
12
56
AZ9RBAYCAN KIMYA JURNALI № 4 2016
УДК 628.31
ТЕХНОЛОГИЯ ОЧИСТКИ НЕФТЯНЫХ СТОЧНЫХ ВОД Г.И.Келбалиев, Г.З.Сулейманов, Ф.И.Шекилиев, В.И.Керимли, Р.М.Мурадханов
Институт катализа и неорганической химии им. М.Нагиева НАН Азербайджана
kudret. kelbaliev@mail. ru Поступила в редакцию 20.06.2016
Предложена технология очистки нефтяных сточных вод жидкофазной экстракцией с использованием толуола. Проанализированы основные физико-химические явления, сопровождающие процесс экстракции в жидкой среде.
Ключевые слова: технология, очистка, сточные воды, экстракция, толуол, массоперенос, дробление.
Ведение
Нефтяные пластовые воды после разделения нефтяных эмульсий содержат в составе асфальтосмолистые вещества, твердую фазу (глина, песок, частицы минеральных солей). Процесс очистки сточных вод сопровождают следующие физико-химические явления: 1) дробление растворителя в турбулентном потоке; 2) жидкофазная экстракция асфальтосмолистых веществ; 3) массоперенос между растворителем и водой; 4) коалес-ценция капель рафината и расслоение фаз.
Теоретическая часть
Жидкостная экстракция асфальтосмо-листых соединений из сточных нефтяных вод является массообменным процессом, протекающим в межфазной пленке и осуществляющимся нижеперечисленными этапами.
1 ) диспергирование растворителя в водной среде и экстракция в межфазной пленке, характеризующаяся диффузионными переносами соответствующих компонентов к межфазной поверхности [1]. Дробление жидких капель с целью увеличения межфазной поверхности контакта осуществляется при относительно больших скоростях вращения -1500-2000 об/мин, что обеспечивает высокую частоту дробления. Как отмечено в работах [1-3], частота дробления капель ш пропорциональна скорости вращения п и диаметру мешалки dм, ш ~ пуЧм 1/3, а минимальный размер капель - а^п ~ (п^м ) 125, т.е. с увеличением частоты дробления средний размер капель уменьшается. Здесь а - размер капель, ш - частота дробления капель, п - число оборотов мешалки, dм - диаметр мешалки. Процесс жидкофазной экстракции асфальтосмо-
листых веществ в сточной воде ароматическими углеводородами протекает в условиях интенсивного перемешивания и диспергирования, за счет чего достигаются условия изотропности турбулентного потока в экстракторе. В работах [1, 4] приведены уравнения для расчета коэффициента массоотдачи между потоком и каплями в виде:
Sh
Sc1/3
= 0.0686
^s a4 ^
su a
1/3
V„
Здесь
sh = ßa
DT
- число Шервуда,
Sc = Vk -D
число Шмидта, sM -
удельная
диссипация энергии турбулентного потока в единице массы, а - размер капель растворителя, ус, Бг - коэффициенты кинематической вязкости жидкости и турбулентной диффузии, Р - коэффициент массоотдачи. В принципе эффективный коэффициент диффузии определяется в виде Б = Б + От, причем в условиях интенсивного перемешивания имеем Бг » Б, т.е. коэффициент турбулентной диффузии намного (на несколько порядков) более коэффициента молекулярной диффузии.
2) Коалесценция, укрупнение капель, расслоение фаз экстракта и воды за счет разницы плотностей контактирующих фаз. Как отмечено в работе [6], средний размер капель
12d
п
- 0.8
а частота коа-
пропорционален а5 лесценции в жидкой среде зависит от концен трации капель ф0 и вязкости среды ус в виде:
i 3I \i2
ш ~ Фо du (п /Vc j
Коалесценция капель энергетически выгодно происходит до образования двух слоев несмешивающихся жидкостей, что способствует эффективному расслоению фаз. В этом определяющем процессе основную роль играют минимальные размеры капель, которые зависят от условий перемешивания и физико-химических свойств сред (плотности, вязкости, поверхностного натяжения, удельной энергии диссипации).
3) регенерация (ректификация) экстракта с целью получения свободного растворителя для дополнительного его использования в качестве растворителя и рафината в виде гидрофобных органических соединений и пигментного типа красильных материалов.
Растворимость асфальтенов в растворителях связана с их предварительным набуханием, при котором твердая фаза асфаль-тенов превращается в клейкую массу, постепенно растворяющуюся в растворителе, образуя в воде эмульсию. На рис. 1 представлена интерпретация растворимости асфаль-тенов в различных растворителях [5].
Как следует из рисунка 1, для практических целей хорошая растворимость асфальтенов наблюдается в толуоле, бензоле и ксилоле.
Энергия когезии, кал/см2
Рис.1. Растворимость асфальтенов в растворителях при температуре 250С: 1 - гептан, 2 - диэтиловый эфир, 3 -толуол, 4 - ксилол, 5 - бензол, 6 -четыреххлористый углерод, 7 - три-хлорэтан, 8 - хлороформ, 10 - хлорбензол, 11 - сероуглерод, 12- диок-сан; 13 - пиридин, 14 - изоамиловый спирт, 15 - этанол.
На основе вышеприведенных исследований разработана и предложена технологическая схема очистки сточных нефтяных вод от асфальтосмолистых соединений и твердых примесей с использованием жидкофаз-ной экстракции. Причем узел экстракции предложен в виде трех экстракторов, работающих в режиме последовательной подачи сточной воды и перекрестной подачи растворителя экстрагента. На рис. 2 представлена такая технологическая схема. Согласно ей, сточная вода насосом 8 прокачивается через последовательно соединенные три экстрактора 1-3. В каждый экстрактор подается растворитель - толуол, который в результате интенсивного перемешивания диспергируется в виде капель размерами 10-100 мкм для увеличения межфазной поверхности. Диспергирование осуществляется за счет изменения оборотов мешалки в пределах 1500-2500 об/мин, поскольку размер капель пропорционален числу оборотов мешалки. Количество растворителя (толуола) по отношению к воде следует брать 1:(35-40), а ее распределение между экстракторами следующее: I - 50, II - 30, III - 20%.
Таким образом, аппаратурное оформление узла перекрестной экстракции нефтяных сточных вод представляется в виде трех непрерывных экстракторов-мешалок с подачей толуола в каждый экстрактор. Важным фактором увеличения эффективности процесса жидкофазной экстракции является дробление растворителя.
Частота дробления зависит от диссипации энергии турбулентного потока в виде:
ш ~ (вк/а2 )1/3.
Следует отметить, что с увеличением частоты дробления растет, с одной стороны, скорость массообменного процесса экстракции за счет увеличения межфазной поверхности, с другой стороны, рост числа частиц в объеме потока способствует увеличению вероятности и числа столкновений капель растворителя с поглощенным веществом из сточной воды. Этот фактор приводит к росту скорости коалесценции капель и вероятности расслоения фаз экстракта и рафината.
58
Г.И.КЕЛБАЛИЕВ и др.
Рис.2. Технологическая схема жидкофазной экстракции для очистки нефтяных сточных вод: 1-3 - экстракторы-мешалки, 4 - ректификационная колонна, 5, 6 - отстойники для расслоения экстракта и рафината, 7 - нагреватель, 8 - насос, 9 - аппарат для деэмульгации, 10 - отстойник, 11 - холодильник-конденсатор, 12 - теплообменник, 13 - отстойник-испаритель, 14 - емкость для деэмульгатора, 15 - отстойник, 16 - емкость для известкового молока. Потоки: I -загрязненная сточная вода, II - растворитель-эктрагент, III - нефтяной шлам, IV - очищенная вода, V - чистый растворитель, VI - твердый осадок, VII - вода с содержанием твердой фазы. Узлы: А - блок жидкофазной экстракции и расслоения нефтяных сточных вод, В - блок ректификации рафината, С - блок очистки экстракта от твердой фазы.
После системы экстракторов смесь подается в отстойник 5, где за счет расширения потока происходит расслоение экстракта от основной воды, в котором остаются еще взвешенные частицы твердой фазы.
Процессы расслоения продуктов после экстракции в отстойных аппаратах за счет гравитации или разницы плотностей между
«-» 3
экстрагентом и водой (Ар^ 200 кг/м ) играют
немаловажную роль для всей технологической схемы, поскольку качественное разделение этих несмешивающихся фаз может стать лимитирующим для всего процесса экстракционной очистки. Если жидкость -экстрагент находится в диспергированном виде, т.е. в виде капель, то для эффективного разделения этих фаз важно создать условия для столкновения, коалесценции и укрупнения капель. Следует отметить, что на эффективность расслоения капель существенное влияние оказывают скорость коалесценции, скорость их всплытия (размеры капель, вязкость и плотность среды) и коэффициент эффективной диффузии капель толуола в воде. Коалесценция капель в потоке зависит от частоты их столкновения, их концентра-
ции, удельной энергии турбулентного потока свойств капель экстрагента и свойств (вязкость, плотность) сточной воды [6]. С верха отстойника 5 отбирается экстракт (толуол с растворенными в ней асфаль-тосмолистыми веществами), который нагревается в теплообменнике 12 до температуры в интервале 80-90иС и подается в ректификационную колонну 4 для разделения нефтяного шлама от толуола. Предварительные расчеты по определению числа тарелок в ректификационной колонне 4 показали незначительное их число в верхней части колонны, что было связано с малым содержанием асфальтосмолистых веществ в экстракте. Это позволило сделать вывод о том, что большую нагрузку в колонне несет ее нижняя часть, в связи с чем предложена комбинированная ректификационная колонна, совмещенная с отстойником 13. Температура в отстойнике поддерживается порядка 180-2000С за счет нагревателя 7. С верха колонны 4 отбирается чистый толуол, который, конденсируясь в конденсаторе 11, собирается в емкости 10. Из емкости 10 толуол частично подается обратно в колонну на
орошение, а основная часть выводится и подается в линию чистого растворителя II. Незначительное количество остаточной воды собирается на дне отстойника 10 и выводится из системы. Фактически осуществляется рециркуляция растворителя, что обеспечивает создание безотходной технологии. С низа отстойника 13 выводится нефтяной шлам, а с низа отстойника 5 - сточная вода, содержащая лишь твердую фазу, которая подается в фильтр 6 для улавливания твердых частиц. Очищенная техническая вода, которая выводится по линии IV, может быть использована для подачи в нефтяной пласт для поддержания пластового давления в скважине или же для других нужных целей.
Таким образом, предложенная научно-обоснованная технология очистки сточных нефтяных вод от асфальтосмолистых соединений с использованием рециркуляции растворителя является экологически и экономически выгодной, поскольку происходит
обезвреживание нефтяных отходов в воде, загрязняющих окружающую среду, а самое главное, предложенный процесс является безотходным и энергетически выгодным.
Список литературы
1. Келбалиев Г.И., Расулов С.Р. Гидродинамика и массоперенос в дисперсных средах. Санкт-Петербург: Химиздат, 2014. 568 с.
2. Kelbaliyev G., Sarimeseli A. Modeling of drop coalescence in isotropic flow //J. Dispersion Sci. Techml. 2005. No 26. P. 443-451.
3. Келбалиев Г.И., Сулейманов Г.З., Расулов С.Р., Гусейнова Л.В. Массообменные процессы в технологити очистки сточных вод. М.: Спутник, 2013. 343 с.
4. Sarimeseli A., Kelbaliyev G. Modeling of the break-up of deformable particles in developed turbulent flow // Chem.Eng. Sci. 2004. V. 59. No 6. P. 1233-1240.
5. Биккулов А.З., Нигматулин Р.Г., Камалов А.К., Шолом В.Ю. Органические нефтяные отложения и их утилизация. Уфа: Уфимск. Гос. Авиац. Техн. Ун-т, 1997. 180 с.
NEFT CIRKAB SULARININ TOMOZLONMO TEXNOLOGiYASI
Q.LKalbaliyev, G.Z.Suleymanov, F.i.§3kiliyev, V.LKarimli, R.M. Muradxanov
Toluol halledicisini istifada etmakla neft girkab neft sularinin maye fazali ekstraksiya usulu ila tamizlanmasi texnologiyasi taqdim edilibdur. Maye fazada ekstraksiya prosesini mu§ayiat edan asas fiziki-kimyavi hadisalarin tahlil olunubdur.
Acar sozlzri: texnologiya, t3mizhnm3, girkab sular, ekstraksiya, kutls mubadihsi, parcalanma.
TECHNOLOGY FOR PURIFICATION OF OIL SEWAGE
G.I.Kelbaliyev, G.Z.Suleymanov, F.I.Shekliyev, V.I.Kerimli, R.M.Muradchanov
The technology of purifying oil sewage by liquid phase extraction using toluene is suggested basic physical and chemical phenomena accompanying the extraction process in a liquid medium have been analyzed.
Keyword: technology, cleaning, waste water, extraction, mass transfer, breaking.
