CC BY
20
УДК 665.622.43.0666
А. М. Ермеев, А. А. Елпидинский
ВЛИЯНИЕ ОБВОДНЁННОСТИ И ТОЛЩИНЫ СЛОЯ НЕФТЕШЛАМА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ЛАБОРАТОРНОГО ПРОЦЕССА КРИОДЕЭМУЛЬГИРОВАНИЯ
Ключевые слова: нефть, нефтешлам, деэмульгирование, замораживание, криодеэмульгирование.
В статье описаны и проиллюстрированы зависимость степени водоотделения водонефтяных смесей (неф-тешламов) от различных факторов при криодеэмульгировании.
Keywords: oil, oil sludge, demulsification, freezing, cryodemulsification.
This article described and illustrated relations the degree of water separation of oil-water mixtures (sludge) from various factors in cryodemulsification.
Введение
На сегодняшний день, нефтеперерабатывающая промышленность накопила колоссальный объём сложноперерабатываемых отходов - нефтешламов -водонефтяных смесей (ВНС), которые образуются в результате добычи и переработки нефти. В связи с высокой токсичностью шламовых отходов, запрещено сбрасывать их в окружающую среду без должной переработки и нейтрализации токсичных компонентов.
Сложность разделения нефтешламов на составляющие - нефть, воду и твёрдые примеси, заключается в том, что шламы являются тонкодиспергиро-ванными эмульсиями воды в нефти т.н. обратного типа. Стабилизация этих эмульсий осуществляется «бронеслоем» - плёнкой, покрывающей каждую отдельную глобулу, и состоящей из множества последовательных слоёв различных природных эмульгаторов - асфальтенов со смолами и парафинов с механическими примесями, которые налипают на поверхности глобулы в результате адсорбции из нефтяной фазы (рис. 1). Количество таких слоёв может достигать до нескольких десятков.
Дополнительную сложность к разделению шла-мов добавляет то, что с течением времени броне-слой укрепляется; происходит т.н. «старение» неф-тешлама, заключающееся в протекании окислительно-восстановительных процессов и дополнительном смолообразовании в нефтяной фазе. Именно в разрушении бронеслоя любыми различными методами, а также их сочетаниями, и лежит главное задача процесса деэмульгирования [1].
Рис. 1 - Глобула воды в водонефтяной эмульсии (разрез)
Процесс деэмульсации ВНС, в соответствии с применяемыми для этого методами, разделяется на три стадии:
I - Разрушение бронеслоя глобул (путём применения термохимического обезвоживания).
II - Увеличение капель (применение электрополей, промывка эмульсий пресной водой)
III - Водоотделение (отстаивание с помощью сил гравитации или центробежных сил) [2].
На сегодняшний день, в шламоперерабатываю-щей промышленности наибольшее распространение получил метод термохимического обезвоживания. Однако, несмотря на применение дорогостоящих реагентов и нагрева, а также снижения вязкости шлама путём разбавления нефтяной фазы шлама лёгкими углеводородами типа дизельного топлива, этот метод не всегда справляется с разделением нефтешламов.
Также широкое распространение в шламоразде-лении получило использование центробежных сил. Однако, сложность в применении центрифугирования обусловлена большими материальными затратами на их обслуживание и энергоснабжение.
Недостаточная эффективность и дороговизна имеющихся в промышленности методов шламораз-деления делает актуальным поиск новых способов утилизации этих опасных отходов.
Также, в связи с тем, что после осушки нефтеш-лама его нефтяная составляющая может быть реализована в качестве товарной нефти или котельного топлива, данная тематика имеет особенно высокую актуальность.
Одним из наименее малоизученных, и потому не получивших широкого распространения, способов шламоразделения является криодеэмульгирование -эффект отделения воды путём её вымораживания из эмульсионной среды. Тематикой данной статьи является теоретическое обоснование и иллюстрация зависимости скорости и глубины водоотделения при криодеэмульгировании от различных факторов.
Экспериментальная часть
Для подробного изучения криодеэмульгирующе-го эффекта, а также для поиска методов его интенсификации, на кафедре ХТПНГ была проведена нижеописанная серия опытов.
Наибольшее водоотделение в данной серии опытов составило 87% об. Средняя результативность процесса составила 60-70 % об.
Вероятным объяснением движущей силы процесса криодеэмульсации является то, что вода при замерзании увеличивается в объёме на 9%. При этом, при низкой температуре, не происходит должного растяжения бронирующего слоя, и он лопается под воздействием возникших напряжений, создаваемых кристаллизованной водной фазой [3].
Скорость водоотделения после криодеэмульги-рования обуславливается двумя составляющими:
- скоростью размораживания массы шлама, так как водоотделение начинается только после оттаивания нефтешлама и перехода воды в жидкое состояние;
- понижением вязкости нефтешлама вследствие его последующего нагрева.
Для лабораторных исследований использовались пробы нефтешлама со шламонакопителя нефтедобывающего производства с содержанием воды и солей 70% об. и 73600 мг/дм3 соответственно. Следует отметить, что данные нефтешламы не поддавались разрушению термохимическим способом.
Перед каждым опытом содержимое канистры с пробой нефтешлама тщательно перемешивалось.
В ходе проведённых опытов кристаллизация и расплавление водной составляющей осуществлялись путём медленного промораживания в охлаждающей камере до температуры (-18)0С и последующего медленного оттаивания при нормальных условиях.
Водоотделение при оттаивании массы промороженного шлама осуществлялось силами гравитации, без использования центробежных и иных сил.
Динамика отделения воды в зависимости от толщины слоя промораживаемого нефтешлама
В любом теплообменном процессе важную роль играют геометрические параметры контактирующих сред.
Известно, что увеличение площади какого-либо тела (при неизменной массе) ускоряет его теплообмен с окружающей средой. Было выдвинуто предположение, что увеличение площади криодеэмуль-гируемого нефтешлама, ускорит его теплообмен с тепло и хладагентами и, таким образом, ускорит фазовые переходы содержащейся в нефтешламе воды, что должно благотворно сказаться на результате криодеэмульсации.
Для выяснения того, как будет проявляться влияние величины поверхности промораживаемого нефтешлама на результат криодеэмульгирования, был проведён опыт, результаты которого были рассмотрены с 2-х различных сторон: глубины и скорости водоотделения Данный опыт проводился с неф-тешламом, налитым слоями различной толщины и промороженном в морозильной камере при температуре (-18)0С в течении 20 часов. При изменении толщины криодеэмульгируемого нефтешлама изменялась и его площадь теплообмена
В первую очередь необходимо было выяснить, как сказывается толщина слоя промораживаемого нефтешлама на первой стадии КДЭ - кристаллизации водяной фазы. Результаты данной части опыта приведены на рисунке 2.
Рис. 2 - Глубина водоотделения в зависимости от толщины слоя, промораживаемого нефтеш-лама
Результаты данной части эксперимента показывают, что наибольшее водоотделение наблюдается при замораживании нефтешлама с наименьшей толщиной.
Вторая часть эксперимента была проведена для расширения представлений о влиянии площади теплообмена на скорость и глубину разделения криоде-эмульгированного нефтешлама при его оттаивании. Было замечено, что толщина слоя оттаивающего нефтешлама незначительным образом влияет на скорость его последующего разделения и на выход отделившейся воды.
Результаты второй части опыта приведены в виде графика на рисунке 3.
Рис. 3 - Динамика отделения воды в зависимости от толщины слоя размораживаемого нефтешлама и времени его размораживания
Результаты данной части эксперимента показывают, что наибольшее водоотделение наблюдается при оттаивании криодеэмульгированного нефтешлама с наименьшей толщиной.
Однако, динамика водоотделения с указывает на примерно одинаковую скорость водоосаждения, вызванную тем, что на начальном этапе размораживания нефтешлам оттаивает по всей своей поверхности, и вниз стекает количество воды пропорциональное объёму каждого образца, исследуемого в данном опыте. Затем происходит преодоление сил вязкости и работа по осаждению отделившейся воды внутри массы шлама. Поэтому, при увеличении толщины слоя нефтешлама происходит дополнительное задерживание массой нефти тех глобул воды, которые не имеют доступа к пристеночному водоносному коридору и должны совершать работу по прохождению сквозь массу размораживаемого нефтешлама.
Зависимость глубины криодеэмульгирования от объёмного содержания воды в эмульсии
Во время проведения опытной работы было отмечено, что результаты криодеэмульгирования сильно зависят от объёмного содержания воды в водонефтяной смеси, подвергающейся замораживанию. Для определения процентного соотношения вода/нефть, при котором наблюдается наибольший выход содержащейся в ВНС воды, была проведена серия опытов.
Для проведения эксперимента были использованы искусственные водонефтяные эмульсии с различным содержанием водной составляющей, диспергированные в течении трёх минут в лабораторной мешалке при частоте вращения вала 3000 мин-1. Время «старения» эмульсий составило 24 часа, время промораживания также составило 24 часа. Результаты опытов представлены на рисунке 4.
Видно, что эффект криодеэмульгирования не проявляется при содержании воды меньше 35%, а достаточная глубина обезвоживания наблюдается для ВНС с содержанием воды более 50%. Предположительно, при содержании воды в эмульсии ниже 35% криодеэмульгированных глобул воды относительно мало, и они находятся друг от друга на слишком большом расстоянии и не могут соединиться в крупные ассоциаты воды, способные посредством силы гравитации преодолеть высокую вязкость нефтешлама и осадиться.
Заключение
В результате проведённых работ подтвердились предположения о целесообразности утоньшения слоя криодеэмульгируемого нефтешлама на всех стадиях данного процесса, даже несмотря на то, что предполагаемые движущие силы этих процессов различны.
Существенную роль в процессе криодеэмульса-ции также играет изначальное содержание воды в водонефтяной системе. Установлено, что для повышения эффективности водоотделения предварительно следует обводнять эмульсию до 50% объёмных.
На сегодняшний день необходимо подтверждение изложенных в данной статье предположений путём микроскопирования. Дальнейшее исследование процессов, происходящих с мельчайшими элементами водонефтяных смесей на протяжении всех стадий процесса криодеэмульгирования, позволит выяснить природу наблюдаемых явлений.
Данные работы были проведены при поддержке фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (ФСР МФП НТС) по договору № 1612ГУ1/2014 от 05.03.2014г. а также инвестиционно - венчурным фондом Республики Татарстан (ИВФ РТ) в рамках программ «УМНИК» и «ИДЕЯ - 1000» по договору № №15/179/2014 от 28.08.2014г.
Литература
1. Ермеев. А.М. О применении магнитного поля в процессах разрушения водонефтяных эмульсий / А.М. Ермеев, А.А Елпидинский // Вестник Казанского технологического университета. - 2013. Т.16, №2. - 170 с.
2. Байков Н.М., Позднышев Г.Н., Мансуров Р.И. Сбор и промысловая подготовка нефти, газа и воды. М.: Недра. - 1981. - 261 с.
3. Ермеев. А.М. Обезвоживание нефтешлама методом воздействия низких температур / А.М. Ермеев, А.А Елпидинский // Вестник Казанского технологического университета. - 2013, Т.16, №10, - 266 с.
Содор;|-:<."|иио воды ü эмульсии, % об. 4.
Рис. 4 - Зависимость выхода воды при криоде-эмульгировании от её начального содержания в эмульсии
© А. М. Ермеев - аспирант каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, arthur.ermeev@mail.ru; А. А. Елпидинский - канд. техн. наук, доцент той же кафедры, sinant@yandex.ru.
© А. М. Ermeev - graduate student of department of chemical engineering oil and gas refming KNRTU, arthur.ermeev@mail.ru; А. А. Elpidinskiy - Ph.D., associate professor of department of chemical engineering oil and gas refming KNRTU, sinant@yandex.ru.
