Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Электрогидродинамическая дегидратация водонефтяных эмульсий для вторичного использования нефтесодержащих отходов

ВАК РФ 03.02.08, Экология (по отраслям)

Автореферат диссертации по теме "Электрогидродинамическая дегидратация водонефтяных эмульсий для вторичного использования нефтесодержащих отходов"

005014930

На правах рукописи

КРАСНАЯ Елена Геннадьевна

ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ДЕГИДРАТАЦИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР 20/2

Пенза - 2012

005014930

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образ— ^ ^дарственная технологическая академия" на кафедре 'Биотехнологии и тех

носферная безопасность".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент ТАРАНЦЕВ Константин Валентинович.

доктор технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Автоматизация и управление» ФГБОУ ВПО «Пензенская государственная технологическая академия» ПРОШИН Иван Александрович; доктор химических наук, профессор, заведующая кафедрой «Экология и охрана окружающей среды» Энгельсе ко го технологического института (филиала) ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю. А.» ОЛЬШАНСКАЯ Любовь Николаевна

ОАО «Научно-исследовательский и проектно-технологический институт химического машиностроения» (ОАО «НИИПТХиммаш»), г. Пенза

Защита состоится 21 марта 2012 г., в 11 часов, на заседании диссертационного совета ДМ 212.337.02 при Пензенской государственной технологической академии по адресу: 440039, г. Пенза, пр. Байдукова / ул. Гагарина, д. 1а/11, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО "Пензенская государственная технологическая академия".

Автореферат разослан "20" февраля 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ф7 2

Яхкинд Михаил Ильич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследований. В процессе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов образуется большое количество водонефтяных эмульсий. Попадая в окружающую среду, они загрязняют поверхностные и подземные воды, изменяют состав почв.

После разделения водонефтяных эмульсий на воду и нефтепродукты, вода может быть использована для технологических нужд, а нефтепродукты после их дегидратации вторично использованы. Это позволит добиться существенной экономии водных ресурсов и снизить антропогенное воздействие объектов нефтехимических отраслей промышленности на окружающую среду. В связи с этим актуальна разработка эффективных технологий разделения водонефтяных эмульсий и извлечения из них нефтепродуктов с разработкой соответствующих инженерных решений по защите окружающей среды.

Существующие механические, термические и физико-химические способы разрушения водонефтяных эмульсий являются затратными и не всегда позволяют достичь необходимого качества очищаемой воды и извлекаемых нефтепродуктов.

Перспективным методом разделения водонефтяных эмульсий является разрушение их в электрическом поле. Исследованиям в данном направлении посвящены работы Frederick G. Cottrell, Harmon F. Fisher, Гуреева A.A., Левченко Д.Н., Мартыненко А.Г., Панченкова Г.М., Цабека Л.К., Гершуни С.Ш., Проскурякова В .А., Смирнова О.В., Апфельбаума М.С., Буткова В.В., Дритова Л.А., Таранцева К.В.

Параметрами, влияющими на разделение водонефтяных эмульсий, являются: скорость и режим течения эмульсии, дисперсный состав, напряженность электрического поля, электропроводность, вязкость, плотность, поверхностное натяжение на границе раздела жидкостей, форма и размеры электродов и рабочей зоны и др.

Для повышения эффективности разделения водонефтяных эмульсий необходимо проведение исследований по определению степени влияния гидродинамических и электрофизических факторов на эффективность процесса электродегидратации с целью разработки электродегидраторов (аппаратов для разделения водонефтяных эмульсий) и совершенствования методов проектирования технологических систем разделения водонефтяных эмульсий.

Цель работы: установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации с разработкой на их основе технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.

Для достижения цели в работе решались следующие задачи:

1. Анализ существующих методов разделения водонефтяных эмульсий для выбора эффективного метода разрушения эмульсий и разработки инженерных решений по защите окружающей среды на его основе.

2. Установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации.

3. Моделирование процесса электрогидродинамического разрушения эмульсий с целью выбора оптимальных инженерных решений по схеме разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.

4. Разработка технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле.

5. Разработка электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами.

Объект исследования: водонефтяные эмульсии, образующиеся в ходе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов.

Предмет исследования: электрогидродинамический метод разделения водонефтяных эмульсий и инженерные решения на его основе по конструктивному оформлению процесса и технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий.

Методы исследования: в ходе работы над диссертацией были использованы натурные испытания, численное моделирование с использованием пакета СОМБОЬ, регрессионный анализ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.

2. Впервые создана математическая модель слияния капель в электрическом поле, позволяющая определить зависимость времени от гидродинамических (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) параметров рабочих сред.

3. Созданы математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих электродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

Практическую значимость работы составляют:

1. Результаты моделирования процесса слияния капель воды в электрическом поле, позволяющие определять оптимальные параметры процесса электродегидратации водонефтяных эмульсий.

2. Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.

3. Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами

4. Рекомендации по организации процессов в электродегидраторах с целью повышения степени разделения эмульсий в электрическом поле без дополнительных затрат.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты экспериментальных исследований и численного моделирования процесса слияния капель воды, позволяющие определить степень влияния на процесс электродегидратации следующих параметров: формы; размеров рабочей зоны; скорости течения эмульсии; напряженности электрического поля; частоты приложенного тока и разработать новые конструкции элекгродегидраторов.

2. Установленные закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.

3. Математические модели, описывающие влияние гидродинамических параметров и электрофизических свойств эмульсий на процесс их разрушения в электрическом поле, и позволяющие моделировать происходящие в электродегидраго-рах процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

4. Инженерные решения по изменению гидродинамических условий и структуры электромагнитного поля в аппаратах для разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле с учетом результатов моделирования.

5. Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.

6. Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами и рекомендации по выбору режимов их работы.

7. Регрессионная модель, описывающая влияние гидродинамических (формы и размеров рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) параметров эмульсий на процесс их электродегидратации.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы диссертации используются: в ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке" при проведении экспериментальных исследований, конструкторских и технологических расчетов; в ООО "Агентство инженерно-экологического проектирования" для моделирования процессов в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств с помощью численных методов и математических моделей; в учебном процессе Пензенской государственной технологической академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов исследования, результатами практического использования предложенных в диссертации методов и устройств, актами об использовании и внедрении результатов работы, а также апробацией работы на конференциях различного уровня.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (2008, Пенза); VII Всероссийской научно-мегодичес-

5

кой конференции "Инновации в науке, образовании и бизнесе: Технические науки, экология и защита в ЧС" (2009 г., Пенза); II Всероссийской научно-практической конференции "Безопасность в чрезвычайных ситуациях" (2010 г., Санкт-Петербург); Международной научно-практической конференции "Молодёжь. Наука. Инновации" (2010 г., Пенза); IV Научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Актуальные проблемы науки и образования" (2011 г., Пенза).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 - в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 134 наименований. Основное содержание диссертации включает 125 страниц машинописного текста, 64 рисунка, 7 таблиц, 4 приложения на 5 с.

Благодарность. Автор и научный руководитель выражают благодарность Стишкову Юрию Константиновичу, доктору физико-математических наук, профессору физического факультета, заведующему лабораторией электрогидродинамики Научно-исследовательского института радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета и его сотрудникам за консультации в процессе создания математических моделей и предоставленную возможность проведения расчетов в среде COMSOL.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований, сформулирована цель работы, поставлены задачи, решение которых позволяет достичь цели исследования, определены новизна и практическая значимость результатов исследования.

В первой главе проанализированы источники образования водонефтя-ных эмульсий и наносимый ими вред окружающей среде.

Рассмотрены виды и свойства водонефтяных эмульсий, способы их разделения. Показано, что на практике используются десять способов обезвоживания нефтепродуктов: отстаивание, центрифугирование, термообработка, химическая обработка, промывка в водном слое, обработка в электрическом поле, фильтрация в пористых средах, импульсные воздействия, вымораживание, выпаривание.

Эти методы основаны на трех основных принципах: использования естественного расслоения эмульсии на нефтепродукт и воду в поле сил гравитации; снижения вязкости нефтепродуктов нагревом или добавлением деэмульсаторов; интенсификации расслоения эмульсии за счет применения гидродинамических коалесценторов или электрического поля.

Показано, что перспективным методом является электрический способ разрушения водонефтяных эмульсий. Однако, для оптимизации данного процесса и разработки инженерных решений по защите окружающей среды необходимо исследовать влияние различных гидродинамических (формы и размеров рабочей зоны, скорости течения эмульсии) параметров, электрофизических

(напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) свойств на процесс разрушения водонефтяной эмульсии в электрическом поле.

Проведен анализ электродегидраторов и элементов их конструкций. Элект-родегидраторы проклассифицированы по типу применяемого электрического поля, способу ввода нефти в электродегидратор, конструктивным особенностям.

Представлен анализ производительности и эффективности электродегидраторов различных форм: вертикальных цилиндрических, шаровых, горизонтальных цилиндрических. Показано, что наибольшую производительность можно получить, используя горизонтальные электродегидраторы.

На основании проведенного анализа выделены основные направления способов повышения эффективности горизонтальных электродегидраторов:

- оптимизация формы и размеров электродов, создающих электрическое поле, для интенсификации процессов коалесценции в рабочей зоне;

- создание благоприятных гидродинамических условий, способствующих отстаиванию воды;

- оптимизация структуры потоков в рабочей зоне с целью увеличения напряженности электрического поля, без возникновения условий для короткого замыкания, через водяные цепочки.

В настоящее время система разработки промышленных аппаратов состоит из нескольких этапов: накопления эмпирических данных; создания лабораторной, пилотной установки, промышленного образца. Существующий подход увеличивает затраты, сроки проектирования и модернизации аппаратов, кроме того, не всегда учитывает изменения параметров входных потоков (состава, свойств и др.) и непостоянство технологических режимов в промышленных аппаратах. Это является причиной снижения мощности и эффективности процесса, и выбранные решения зачастую являются не рациональными.

В связи с этим, исследование процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле для определения оптимальных параметров процесса электродегидратации целесообразно проводить в лабораторных условиях (на макетах), а для разработки инженерных решений по конструктивному оформлению процесса электродегидратации применять методы математического моделирования. Это позволит на стадии предпроектной разработки определять оптимальные конструкции электродегидраторов, обеспечивающих необходимую эффективность процесса при изменении параметров входных потоков и технологических режимов.

Вторая глава посвящена вопросам исследования процессов разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле.

Рассмотрены численные методы расчета потенциала электрического поля, создаваемого различными по форме и размерам электродами, с последующим определением распределения напряженности электрического поля.

В результате решения уравнения Пуассона численным методом был определен потенциал электрического поля <р(лсоздаваемого заданным распре-

делением электрических зарядов р(х,у,г) в пространстве. Значение напряженности в каждой точке рабочей зоны рассчитано по уравнению £ =-¿/Ы (<р). На основании полученных результатов был проведен предварительный анализ структуры электрического поля в рабочем пространстве в зависимости от формы и размеров электродов, позволивший определить дальнейшее направление исследований.

В третьей главе проведено исследование воздействия электрического поля на гидродинамические характеристики процесса разрушения эмульсии в зависимости от напряженности электрического поля, формы, размеров электродов, расположения их в рабочей зоне, на лабораторной установке и методами компьютерного моделирования.

Исследования процесса слияния капель в электрическом поле проводились в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, размеров капель, угла раскрытия рабочей зоны и скорости течения жидкости.

Исследования проводились с целью получения данных об интенсивности процесса слияния капель в зависимости от гидродинамических параметров и электрофизических свойств жидкостей, составляющих эмульсию.

В качестве основного критерия интенсивности процесса было выбрано время слияния капель воды в нефтепродуктах, так как именно оно позволяет комплексно оценить протекающие процессы и эффективность работы оборудования.

В состав экспериментальной установки входили: стеклянная ячейка, система электродов, высоковольтный трансформатор, контрольно-измерительные приборы (микроамперметр, киловольтметр), позволяющие регистрировать параметры электрического поля, средства визуализации (кинокамера) для регистрации протекающих процессов. Регистрация проводилась с частотой 100 с"1 (рис. 1).

-220 в

э

Рис. 1. Экспериментальная установка: 1 - источник питания; 2 - преобразователь высокого напряжения; 3 - микроамперметр; 4 - кювета; 5 - электроды; 6 - кинокамера; 7 - источник света; В - киловольтметр

При исследовании процесса разрушения эмульсий в электрическом поле в качестве рабочих сред использовали нефть, касторовое и трансформаторное масла. Физико-химические свойства рабочих сред приведены в табл. 1.

Таблица 1

Физико-химические свойства рабочих сред при температуре 20 °С

Жидюсть Электропроводность ст, (Омхсм)"' Относительная диэлектрическая проницаемость среды £ Плотность У. кг/м3 Динамическая ВЯЗКОСТЬ Г), мПа-с

Вода 1,5-10"5 80,08 1000 1,01

Касторовое масло 4,0-10'" 4,50 951 1252,16

Трансформаторное масло 5,010 м 2,20 881 21,71

Нефть 1,010 ю 2,2 884 474

Выбор данных рабочих сред обусловлен тем, что гидродинамические и электрофизические свойства нефти и нефтепродуктов сильно зависят от их состава и степени обводненности, а свойства модельных жидкостей позволяют моделировать данный диапазон. Кроме того, модельные жидкости прозрачны и позволяют проводить кино- и фоторегистрацию протекающих процессов слияния капель воды.

По результатам теоретических и экспериментальных исследований были определены диапазоны: изменения вязкости, поверхностного натяжения на границе раздела жидкостей, образующих эмульсию, электропроводности нефти и воды, диэлектрической проницаемости нефти и нефтепродуктов для последующего моделирования процесса слияния капель воды под действием сил электрического поля.

Компьютерное моделирование процесса слияния капель воды в нефтепродукте под воздействием электрического поля проводилось на модели, созданной в среде COMSOL Multiphysics, включающей в себя 2 модуля: AC/DC Module и Microfluidics Module. AC/DC Module предназначен для моделирования электромагнитных процессов как постоянного, так и переменного тока. Он позволяет моделировать постоянное и переменное электрическое поле в рабочей зоне различной формы и размеров, определять распределение в пространстве и времени таких параметров, как электропроводность и диэлектрическая проницаемость. Microfluidics Module содержит приложения, описывающие динамику потока, как в однородной, так и в многофазной жидкости в рабочей зоне под действием различных объемных сил.

Моделирование процесса слияния капель воды в нефти проведено в пакете COMSOL на основании уравнений Навье-Стокса и неразрывности потока:

Р~ + р(и' v)u = v[- pi + T](Vu + (V»)r)]+ F„ + pg + F V-a = 0 ' 0)

где и - скорость потока (м/с); р - плотность (кг/м3); х\ - динамическая вязкость (Па-с); р - давление (Па); г - ускорение свободного падения (м/с2); /•; - силы поверхностного натяжения (Н/м3); р - дополнительные силы в объеме (Н/м3).

. Для отслеживания движения фаз на границе раздела нефть-вода, использована система уравнений:

\д( 2^2

[х|/ = -У-Е2Уф + (ф2-1)ф (2)

где с - коэффициент поверхностного натяжения (Н/м); г - числовой параметр (м), который определяет толщину границы раздела между жидкостями, то есть область, где фазовая переменная ср изменяется от -1 (вода) до +1 (нефть); % -числовой параметр, характеризующий подвижность границы раздела. Электрический потенциал V рассчитывали как:

-У-(Б„е,УК) = 0, (3)

где е0 - диэлектрическая постоянная вакуума; е, - относительная диэлектрическая проницаемость среды.

Электрическую силу, входящую в уравнение Навье-Стокса, определяли дивергенцией тензора напряжений Максвелла

/г = УГ- (4)

Тензор напряжений Максвелла Т определяли по формуле:

Т = Ей7-—(Е -Т)1 2

(5)

где Е - напряженность электрического поля; О - электрическая индукция поля:

£ = -У-к; (6)

о = Е0ег£. (7)

В двухмерных моделях, рассчитанных в ходе математического эксперимента, тензор Максвелл определялся в следующем виде:

Т =

Т„

т.

е„£ £Е,

Е„Е

гЯ;-1еоЕг(Е,2 + £;)

(8)

Относительную диэлектрическую проницаемость определяли в зависимости от внутренних объемных долей каждой жидкости:

гг =ег1У/1 + ег,У/2, (9)

здесь Ег| и £,, - относительные диэлектрические проницаемости нефти и воды соответственно; У/1 - объемная доля первой жидкости (вода); У/2 - объемная

доля второй жидкости (нефть).

В результате численного моделирования процессов слияния капель воды в нефти с различной системой электродов, было установлено, что на процесс

слияния капель влияют: скорость движения эмульсии в рабочей зоне, геометрия рабочей зоны, угол раскрытия и напряженность электрического поля.

На рис. 2 представлено влияние напряженности электрического поля и формы канала на среднее время до касания капель.

Выявлено, что в постоянном электрическом поле, при напряженности поля до 4 кВ/см2 процесс идет медленнее, чем в его отсутствии. Лишь при превышении некоторого критического значения порядка 5 кВ/см2 наблюдается ускорение процесса слияния капель. Это объясняется тем, что разрушение адсорбционных слоев на поверхности капель требует превышения некоторой критической величины энергии.

.0,6 Г 0,5

■ °'3 : о.2

Напряженность электрического поля кВ/см

- Постоянного сечен!

Диффузор

0,6

|

! 0.5

Напряженность электрического поля кВ/см

Постоянного

—Конфузор

а) б)

Рис. 2. Влияние напряженности электрического поля и формы канала на среднее время до касания капель а) постоянное электрическое поле; б) переменное электрическое поле

Влияние напряженности постоянного электрического поля и формы канала на среднее время до касания капель описывается уравнениями (табл. 2).

Таблица 2

Тип сечения Уравнение Коэффициент корреляции

Постоянное сечение у = 0,6937е~и'5|/г Я =0,8564

Конфузор у=0,5798е"и'4^ Я = 0,8289

Диффузор у = 1,7047е"и'"/* Я= 0,9213

Влияние напряженности переменного электрического поля и формы канала на среднее время сближения капель описывается уравнениями (табл. 3)

Таблица 3

Тип сечения Уравнение Коэффициент корреляции

Постоянное сечение у = 0,222е~и'1 0,8825

Конфузор V = 0,1811 (у1-'"'* Я = 0,9286

Диффузор у= 1,6619еи'44" Я= 0,8169

Результаты моделирования показывают, что при напряженности переменного электрического поля до 4 кВ/см2 в диффузоре процесс слияния капель протекает медленнее, чем в отсутствии электрического поля, а в конфузоре и в канале постоянного сечения увеличения времени слияния капель не наблюдается, а происходит монотонное постоянное ускорение процесса слияния капель по мере роста напряженности электрического поля. Это указывает на преимущество, в случае применения переменного электрического поля, каналов постоянного сечения и сужающихся каналов.

На рис. 3 показано влияние угла раскрытия электродов на среднее время сближения капель.

Видно, что при напряженности электрического поля 5 кВ/см с увеличением угла раскрытия рабочей зоны электродегидратора (от конфузора с углом раскрытия 20° до диффузора с углом сужения 10°) время на слияние капель сокращается.

Рис. 3. Влияние угла раскрытия электродов на среднее время сближения капель

Среднее время сближения капель при различных углах раскрытия электродов при напряженности поля 5 кВ/см описывается уравнением регрессии у = -0,Ю6х + 4,207, коэффициент корреляции Я= 0,986.

Влияние скорости течения эмульсии на среднее время сближения капель в конфузоре показано на рисунке 4,а. Из представленных данных видно, что в постоянном электрическом поле для сужающейся рабочей зоны электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии в рабочей зоне выше 5 кВ/см время монотонно увеличивается, т.е. обычно применяемая в электроде-гидраторах скорость течения 5 мм/с является оптимальной.

а) б)

Рис. 4. Влияиие скорости течения эмульсии на среднее время сближения капель а) конфузор; б) диффузор

Влияние скорости течения эмульсии в конфузоре на среднее время сближения капель описывается уравнением у = 0,04+ 4,736, коэффициент корреляции К =0,951.

Влияние скорости течения эмульсии на среднее время сближения капель в диффузоре представлено на рисунке 4,6, из которого видно, что в постоянном электрическом поле в расширяющейся рабочей зоне электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии до 18 мм/с наблюдается уменьшение времени, необходимого для слияния капель. При скорости протекания эмульсии большей 18 мм/с, время для слияния капель больше, т.е. процесс протекает менее эффективно. То есть в случае прохождения эмульсии по конфузору, оптимальной является скорость протекания порядка 18 мм/с.

Влияние скорости течения эмульсии на среднее время сближения капель в диффузоре описывается уравнением у = 0,0002*2-0,0104* + 3,2069 , коэффициент

корреляции Я = 0,8018.

В результате проведенного исследования получена регрессионная модель

описываемая уравнением:

у = 33,212 - 6,325х, + 4,687*,*, + 5,587*,*,

Выявлено, что наибольшее влияние на время сближения капель оказывает напряженность переменного электрического поля.

Таким образом, в результате проведенных исследований были получены зависимости интенсивности разрушения эмульсий от напряженности и частоты электрического поля, скорости течения слабопроводящей жидкости, а также угла раскрытия, формы и размеров электродов.

В четвертой главе на основе проведенных расчетов были предложены способы модернизации существующих горизонтальных электродегидраторов и разработана новая конструкция электродегидратора с двумя зонами контакта фаз, которые предлагается внедрить в уже существующую технологическую схему обезвоживания (обессоливания) нефти (рис. 5).

Рис. 5. Аппаратурно-технологическая схема электрообессоливающей установки (ЭЛОУ) 1,7,8,13,14 - насосы; 2 - теплообменники; 3,9 - подог реватели; 4,11 - электродегидраторы; 5-смеситель; 12 - отстойник; 15 - смотровой фонарь. Устройство электродегидратора: 16 - подвесные изоляторы; 17 - шины подвода электрического тока; 18 - трансформатор; 19 - коллектор обессоленной нефти; 20 - электроды; 21 - распределитель ввода сырья; 22 - коллектор соленой воды; 23 - модуль экологического мониторинга и контроля

На рис. 6 показана геометрия электродов для существующего электродегидратора (а); для модернизированною электродегидратора с дополнительной системой электродов (б).

а) б)

Рис. 6. Геометрия электродов в электодегидраторах: а) существующих гризонтальных; б) с дополнительной системой электродов в виде конфузора и диффузора

На рис. 7 показано распределение электрического потенциала для существующего электродегидратора.

БНсе: £1есЛнс р<ие»Ыа1 (V» БНсе: Е1есгг!с рсЛеп^а! (V) ЬИсс: ЕкчЛпс рЫепЙа! (V)

ч ........... ' ..

МННМШйМ

и?4

Т 1.5965И1СГ

Рис. 7. Распределение электрического потенциала в существующей конструкции электродегидратора

Практика показывает, что в существующих конструкциях электродегидра-торов после прохождения зоны разрушения в эмульсии все еще остается большое количество воды, т.е. не всегда достигается требуемая степень обезвоживания. Кроме того, в данных аппаратах сложно поддерживать характеристики электрического поля, в связи с непостоянством свойств поступающей в аппарат нефти, связанным с различной степенью ее обводненности.

При высокой обводненности нефти первичное обезвоживание рационально произвести другим способом, а затем, используя несколько ступеней электрогидродинамической обработки с промежуточным отстаиванием добиться требуемой степени обезвоживания, меняя от ступени к ступени расстояние между электродами и напряженность в зоне электрокоалесцирования.

Анализ используемых в мировой практике для разделения водонефтя-ных эмульсий форм и размеров электродов, позволил выбрать для конструктивного воплощения электрокоалесценторы с системой электродов, подобной трубе Вентури.

На основе произведенных расчетов предложено в существующих элект-родегидраторах в дополнение к плоской системе электродов установить электроды, образующие каналы для прохождения нефти вначале через конфузор, затем через зону постоянного сечения и, на последнем этапе, через диффузор, и организовать процесс с возвратом части выходящего потока сухого нефтепродукта. Это позволило изменить структуру потоков в электродегид-раторе и увеличить степень обезвоживания нефтепродукта. Результаты проведенных расчетов для модернизированной конструкции электродегидратора представлены на рис. 8.

*10

Рис. 8. Распределение электрического потенциала в модернизированном электродегидраторе с дополнительной системой электродов в виде конфузора и диффузора

В модернизированном электродегидраторе наблюдаются высокая напряженность электрического поля и благоприятные условия для слияния капель силами электрического поля, а возникающие при этом дополнительные электрогидродинамические течения существенно интенсифицируют процесс. Выявлено, что оптимальная структура потоков, необходимая для организации процесса, возникает при поступлении эмульсии через форсунки между электродами со скоростью, превышающей 50 мм/с.

Для повышения степени обезвоживания водонефтяной эмульсии в элект-родегидратор предложено дополнительно установить коалесцентор (рис. 9). Такая конструкция позволяет в одном рабочем объеме аппарата организовать две ступени контакта эмульсии с электрическим полем, что приведет к практически полному обезвоживанию обрабатываемого нефтепродукта.

а) б)

Рис. 9. Поле скоростей течения жидкости, рассчитанное для модернизированного варианта, с дополнительно установленным коалесцентором: а) поле скоростей течения жидкости; б) электрическое поле, расчитанное для модернизированного варианта с двумя системами электродов, базовым и дополнительным коалесцентором

Таким образом, рекомендовано существующие конструкции электродегид-раторов, в зависимости от степени обводненности нефтепродукта, оснастить дополнительной 3-х ступенчатой рабочей зоной, состоящей из: 1 - конфузора; 2 - зоны постоянного сечения; 3 - диффузора. Это позволит добиться обезвоживания нефтепродуктов без существенных дополнительных затрат.

Для вновь разрабатываемых конструкций предлагается учитывать возможность первичной обработки нефтепродукта в электрокоалесценторе с последующим отстаиванием для влажного нефтепродукта и электродегидраторе с двумя зонами контакта для сухого нефтепродукта, что позволит учесть механизм коалесценции капель в электрическом поле.

Разработанные модели могут быть рекомендованы для анализа существующих электродегидраторов с целью улучшения условий их работы, и для подбора оптимальной конструкции вновь проектируемых электродегидраторов с учетом физико-химических характеристик исходных эмульсий при проектировании.

Результаты работы внедрены в ООО "Агентство инженерно-экологического проектирования", г. Йошкар-Ола, и используются для моделирования процессов в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств с помощью численных методов и математических моделей. Данные методы и модели позволяют получать информацию, необходимую для улучшения конструкций электрогидродинамических устройств, сокращая, тем самым, время на разработку конструкции устройства.

Методика определения оптимальных размеров электродегидратора для обезвоживания нефтепродуктов под воздействием электрического поля внедрена в ОАО "Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке", г. Новокуйбышевск Самарской области, и используется при проведении экспериментальных исследований, конструкторских и технологических расчетов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ существующих методов разделения водонефтяных эмульсий, выбран электрогидродинамический метод интенсификации процесса разрушения водонефтяных эмульсий и разработаны инженерные решения на его основе - технологическая схема и аппарат для проведения процесса электрогидродинамической дегидратации.

2. Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии. Выявлено, что:

- при напряженности постоянного поля до 4 кВ/см2 процесс в электрическом поле идет медленнее, чем в отсутствии электрического поля. Лишь при превышении некоторого критического значения порядка 5 кВ/см2 наблюдается ускорение процесса слияния капель;

- при напряженности переменного электрического поля до 4 кВ/см2 в диффузоре процесс слияния капель протекает медленнее, чем в отсутствии электрического поля, а в конфузоре и в канале постоянного сечения увеличения времени слияния капель не наблюдается, а происходит монотонное постоянное ус-

корение процесса слияния капель по мере роста напряженности электрического поля. Это указывает на преимущество, в случае применения переменного электрического поля, каналов постоянного сечения и сужающихся каналов;

- при напряженности электрического поля 5 кВ/см с увеличением угла раскрытия рабочей зоны электродегидратора (от конфузора с углом раскрытия 20° до диффузора с углом сужения 10°) время на слияние капель сокращается;

- в постоянном электрическом поле для сужающейся рабочей зоны электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии в рабочей зоне выше 5 кВ/см время монотонно увеличивается, т.е. обычно применяемое в элек-тродегидраторах скорость течения 5 мм/с является оптимальной;

- в постоянном электрическом поле в расширяющейся рабочей зоне электродегидратора с увеличением скорости протекания эмульсии до 18 мм/с наблюдается уменьшение времени, необходимого для слияния капель. При скорости протекания эмульсии более 18 мм/с время для слияния капель возрастает и процесс протекает менее эффективно. То есть в случае прохождения эмульсии по конфузору - оптимальной является скорость протекания порядка 18 мм/с.

3. Разработаны математические модели описывающие влияние гидродинамических параметров (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических свойств (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) эмульсий на процесс их разрушения в электрическом поле.

4. Разработаны математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих элек-тродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

5. Получена регрессионная модель, описывающая влияние гидродинамических параметров и электрофизических свойств эмульсий на процесс их электродегидратации.

6. Предложены инженерные решения по изменению гидродинамических условий и структуры электромагнитного поля в электродегидраторах с учетом результатов моделирования.

7. Разработаны конструкции электродегидраторов для разделения водо-нефтяных эмульсий с заданными свойствами и рекомендации по выбору режимов их работы.

8. Предложена технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и схема включения в нее электродегидратора.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Публикации б журналах перечня ВАК:

1. Красная Е.Г. Расчет распределения потенциала в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств численными методами // Известия Пензенского государственного педагогического университета им. В.Г. Белинского. Серия: Физико-математические и технические науки. 2011. № 26. С. 550-555.

2. Таранцев К.В., Красная Е.Г., Коростелева A.B. Расчет распределения напряженности в межэлектродном пространстве электрогидродинамических устройств численными ме-

18

•годами // Известия Пензенского государственного педагогического уни^рситст^им^В^Г. Белинскош Серия: Физико-математические и технические науки. 2011. №26. С. 654-660.

З ванцев К В Красная Е.Г., Коростелева A.B. Моделирование процессов в межэ-лектродн^пртс^нствеэле устройств II Известия Пензенского

го^^^гаенношпедагогичес^о университета им. В.П Белинского. Серия: Физико-мате-

воздействия промышленных предприятий г. Пензы на гидросферу // Экология и промышленность России. 2010. № 12. С. 40-45.

бильного машиностроения на примере ОАО "Автовазтранс" //

и образования: сборник материалов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Ч 3 Пенза: Изд-воПГТА, 2008. С. 169-170.

У 6 Красная Е.Г., Сорокина В.В., Таранцев К.В. Анализ техногенной нагрузки 11 юдстваОАО ПО "Пензтсксгильмаш" // Актуальные проблемы науки ^rj^^"

ник материалов научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч. 3. Пенза.

Изд-во П^А, М^С Л69-170^ ^ Першина А.Е. Техногенная нагрузка на примере ОАО "Пенэтжшюмармагура" с разработкой природоохранных мероприятий // Инновации в на-уте,^>бр^вдаии и^бизнесе^Сборник статей научю^летодическои кон-

те лы юсти пртдТриятияна примере тО'Пензмаш" // Инновации внауке, образованиии ^нес&^борник статей VII Всероссийской научно-методической конференции. Пенза. Изд-

ленными предприятиями г. Пензы и Пензенской области // Безопасность в ■^атясСборшк научных трудов П Всероссийской научно-пракгическои конференции. СПб.

ИЗД"ТтГ—^ ИбВ„ першина А.Е., Красная Е.Г. Анализ техногенной

нагоузга (^0^1ен^нс!^^ма1урньш завод" на гидросферу с разработкой природоохранных жр//Молодёжь. НаукаИнновации: ^^Р™1"!^^^!0^^^^^1^01111011 практической Интернет-конференции. Пенза: РГУИТП, 2010. С. 280-285. пракгачесшиш^ ¡ф^ад Е.Г., Таранцев К.В. Влияние ^

кого поля на интенсивность обезвоживания нефти //Молодежь. Международной научно-практической Итернет-юнференции ^^^iT'Î^ Андрее^В А Казакова Пенза: Изд-во Пензенского филиалаРГУИТП,2010. С. 287 29L Андреем, A.B., Красггая Е.Г., Таранцев К.В. Применение выносных метроко-

алесце^МобезвоживаЕие нефти // Молодежь. Наука. Инновации ТрудыИМеж^-

тартдноТг^ВДО-практической Интернет-конференции / ^^ рг~у ИТП^ 2 О* Ю ^^^ 2 98 Андреева, В А Казакова. Пенза: Изд-во Пензенского филиала РГУИТП, 2010. С. ai ■»». Андреем, BvA Стяжкова Е.В., Красная Е.Г. Анализ техногенной нагруби

ппомьшшенньк предприятий г. Пензы на состав сточных вод // Актуальные проблемы науки и^ршманм^СЁ^ршк материалов IV научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Ч. З.-Пенза: Изд-воПГТА, 2011. С. 182-185.

м

КРАСНАЯ Елена Геннадьевна

ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ДЕГИДРАТАЦИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Специальность 03.02.08 - экология (в химии и нефтехимии)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Редактор Л.Ю. Горюнова Компьютерная верстка Д.Б. Фатеева, Е.В. Рязановой

Сдано в производство 17.02.12. Формат 60x84 Ч16 Бумага типогр. №1. Печать трафаретная. Шрифт Times New Roman Суг. Усл. печ. л. 1,16. Уч.-изд. л. 1,18. Заказ № 2134. Тираж 110.

Пензенская государственная технологическая академия. 440605, Россия, г. Пенза, пр. Байдукова/ ул. Гагарина, 1а/11.

Текст научной работыДиссертация по биологии, кандидата технических наук, Красная, Елена Геннадьевна, Пенза

61 12-5/2024

ФГБОУ ВПО «ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ»

КРАСНАЯ ЕЛЕНА ГЕННАДЬЕВНА

ЭЛЕКТРОГИДРОДИНАМИЧЕСКАЯ ДЕГИДРАТАЦИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ДЛЯ ВТОРИЧНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ ОТХОДОВ

Специальность 03.02.08 - Экология (в химии и нефтехимии)

На писи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент ТАРАНЦЕВ К.В.

ПЕНЗА 2012

Содержание

Введение......................................................................................................................................................4

Глава 1 Литературный обзор............................................................................................3

1.1. Нефтесодержащие отходы и загрязнение окружающей среды... 8

1.2. Способы разделения водонефтяных эмульсий..............................................12

1.3. Принцип работы устройств для разделения водонефтяных эмульсий с применением электрических полей....................................................................18

1.3.1. Классификация аппаратов для электрического

обезвоживания воды..........................................................................................................................19

1.3.2. Конструкция, эксплуатация и перспективы применения электрокоалесценторов..................................................................................................................21

1.3.3. Конструкция и эксплуатация вертикальных

электродегидраторов............................................................................................................................31

1.3.4. Конструкция и эксплуатация шаровых электродегидраторов с электродами типа концентрических колец......................................................................44

1.3.5. Конструкция и эксплуатация горизонтальных

электродегидраторов......................................................................................................................45

1.3.6. Пути повышения эффективности горизонтальных

электродегидраторов........................................................................................................................52

1.4. Физические основы процесса дегидратации нефтяных эмульсий 54 Выводы по главе и постановка задач исследования..............................................62

Глава 2. Математическая модель электрогидродинамических

65

течении в слабопроводящих средах.................................

2.1. Решение уравнений Лапласа и Пуассона............................................................68

2.2. Основы метода конечных разностей....................................................................69

2.3. Модель распределения потенциала.......................................................71

Выводы по главе 2..............................................................................................................................78

Глава 3. Исследование воздействия электрического поля на гидродинамические характеристики процесса разрушения эмульсии....................................................................................................................................................Y9

3.1. Методика проведения расчетов..................................................................................79

3.2. Моделирование процесса электрокоалесценции капель воды в

нефти при различной геометрии электродов..........................................................g2

3.3. Влияние гидродинамических параметров на процесс слияния

капель воды в нефти..........................................................................................................................93

Выводы по главе 3............................................................................................................................99

Глава 4. Практические рекомендации по внедрению результатов исследования..........................................................................................................................................jqq

Выводы по главе 4..............................................................................................................................107

108

Основные выводы и практические результаты работы.............

Список использованной литературы........................................................................110

Приложение 1. Акт внедрения в ОАО «Средневолжский научно-

исследовательский институт по нефтепереработке»..........................................121

Приложение 2. Акт внедрения в ООО «Агентство инженерно-

экологического проектирования»..........................................................................................122

Приложение 3. Акт о внедрении в учебный процесс........................................123

Приложение 4. Справка об использовании результатов НИР....................125

Введение

В результате производственной деятельности человека образуется большое количество водонефтяных эмульсий, возникающих в процессе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов. Попадая в окружающую среду, они загрязняют поверхностные и подземные воды, изменяют состав почв.

После разделения водонефтяных эмульсий на воду и нефтепродукты, и вода и нефть могут быть повторно использованы. При этом решается проблема не только утилизации нефтесодержащих отходов, но и экономии водных ресурсов за счет повторного возвращения в технологический цикл очищенной воды. Немаловажной является возможность вторичного использования очищенных нефтепродуктов.

В связи с этим актуальны поиск и разработка эффективных технологий разделения водонефтяных эмульсий.

Существующие механические, термические и физико-химические способы разрушения нефтяных эмульсий обладают малой производительностью, являются затратными и не всегда позволяют достичь необходимого качества извлекаемых нефтепродуктов и очищаемой воды.

Перспективным методом разделения водонефтяных эмульсий является обработка ее в постоянном или переменном электрическом поле. Исследованиям в данном направлении посвящены работы Frederick G. Cottrell, Harmon F. Fisher, J.R. Melcher, Л.И. Слонима, Г.Н. Позднышева, A.A. Гуреева, Д.Н. Левченко, А.Г. Мартыненко, Г.М. Панченкова, Л.К. Цабека, С.Ш. Гершуни, В.А. Проскурякова, М.С. Апфельбаума, В.В. Буткова, К.В. Таранцева.

Эффективность разделения водонефтяных эмульсий определяется многими факторами: скоростью и режимом течения эмульсии, ее дисперсным составом, напряженностью электрического поля, электропроводностью, вязкостью, плотностью, поверхностным натяжением на границе раздела жидкости, формой и размерами рабочих зон электродов и др.

В связи с этим необходимо проведение исследований для определения степени влияния перечисленных факторов на эффективность процесса разделения водонефтяных эмульсий с целью разработки оптимальной конструкции электродегидраторов, позволяющих при минимальных затратах добиться максимальной степени извлечения нефтепродуктов и качества очищаемой воды.

Целью работы является установление закономерностей процесса разрушения водонефтяных эмульсий в электрическом поле и определение оптимальных параметров процесса электродегидратации с разработкой на их основе технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий и конструкции электродегидратора.

Объект исследования: водонефтяные эмульсии, образующиеся в ходе добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов.

Предмет исследования: электрогидродинамический метод разделения водонефтяных эмульсий и инженерные решения на его основе по конструктивному оформлению процесса и технологической схемы разделения водонефтяных эмульсий.

Методы исследования: в ходе работы над диссертацией были использованы натурные испытания, численное моделирование с использованием пакета СОМБОЬ, регрессионный анализ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Установлены закономерности времени разрушения эмульсии в зависимости от напряженности и частоты электрического поля, конфигурации рабочей зоны и скорости протекания эмульсии.

2. Впервые создана математическая модель слияния капель в электрическом поле, позволяющая определить зависимость времени от гидродинамических (формы и размеров электродов, конфигурации рабочей зоны, скорости течения эмульсии) и электрофизических (напряженности электрического поля, частоты приложенного тока) параметров рабочих сред.

3. Созданы математические модели для определения оптимальных режимов электродегидратации как вновь создаваемых, так и существующих элек-тродегидраторов, позволяющие моделировать происходящие в них процессы и выявлять оптимальные технологические параметры их работы.

Практическую значимость работы составляют:

1. Результаты моделирования процесса слияния капель воды в электрическом поле, позволяющие определять оптимальные параметры процесса электродегидратации водонефтяных эмульсий.

2. Технологическая схема разделения водонефтяных эмульсий в электрическом поле на основе полученных закономерностей.

3. Разработанные конструкции электродегидраторов для разделения водонефтяных эмульсий с заданными свойствами

4. Рекомендации по организации процессов в электродегидраторах, с целью повышения степени разделения эмульсий в электрическом поле без дополнительных затрат.

Реализация результатов работы.

Теоретические и практические результаты работы диссертации используются: в ОАО «Средневолжский научно-исследовательский институт по нефтепереработке» при проведении экспериментальных исследований, конструкторских и технологических расчетов; в ООО «Агентство инженерно-экологического проектирования» для моделирования процессов в межэлек-

тродном пространстве электрогидродинамических устройств с помощью численных методов и математических моделей; в учебном процессе Пензенской государственной технологической академии, что подтверждено соответствующими актами о внедрении.

Достоверность научных положений, выводов и практических рекомендаций, сформулированных в диссертации, обеспечивается использованием современных методов исследования, результатами практического использования предложенных в диссертации методов и устройств, актами об использовании и внедрении результатов работы, а также апробацией работы на конференциях различного уровня.

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались на научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (2008, Пенза); VII Всероссийской научно-методической конференции «Инновации в науке, образовании и бизнесе: Технические науки, экология и защита в ЧС» (2009 г., Пенза); II Всероссийской научно-практической конференции «Безопасность в чрезвычайных ситуациях» (2010 г., Санкт-Петербург); Международной научно-практической конференции «Молодёжь. Наука. Инновации» (2010 г., Пенза); IV Научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Актуальные проблемы науки и образования» (2011 г., Пенза).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, из них 4 - в журналах, входящих в перечень ВАК.

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Нефтесодержащие отходы и загрязнение окружающей среды

Нефть представляет собой смесь приблизительно из 1000 соединений, большая часть которых это жидкие углеводороды, гетероатомные органические соединения и металлоорганические соединения.

При переработке нефти получают большое количество нефтепродуктов, которые используют в различных отраслях.

Нефтепродукты подразделяются на топлива (попутный газ, бензин, керосин, дизельное топливо, мазут и др.); битумы (продукты, получаемые концентрацией и окислением остатков от перегонки нефти, содержащие большое количество асфальтово-смолистых и тяжёлых гетероциклических соединений); масла смазочные и не смазочные (получаемые вакуумной перегонкой мазута и деасфальтизацией масляных гудронов). К нефтепродуктам относятся также твердые углеводороды (разнообразные парафины, церезины и прочие) и продукты нефтепереработки (разнообразные полимеры и др.).

В результате добычи, переработки, транспортировки и использования нефтепродуктов образуется большое количество нефтесодержащих отходов. Нефтесодержащие отходы образуются в виде жидких загрязненных нефтепродуктов, в том числе эмульсий, нефтесодержащих осадков, шламов и подразделяются на следующие группы [109]:

- масла моторные отработанные (автотракторные, дизельные, авиационные и т.д.);

- масла индустриальные отработанные (турбинные, компрессорные, трансформаторные и т.д.);

- смеси нефтепродуктов отработанные (нефтепродукты, извлекаемые из нефтесодержащих сточных вод на очистных сооружениях; нефтепродукты, собранные при зачистке резервуаров, трубопроводов и т.д.).

Накопление нефтесодержащих отходов приводит к изменению состава почв, загрязнению поверхностных и подземных вод, атмосферы [109,45]. Попадая в природные водоемы при транспортировке водным транспортом, со сточными водами предприятий нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей, хи-

8

мической, металлургической и других отраслей промышленности, нефтепродукты оказывают неблагоприятное воздействие на организм человека, животный и растительный мир, изменяют физическое, химическое и биологическое состояние водоемов.

Основными источниками загрязнений нефтью и нефтепродуктами являются добывающие предприятия, системы перекачки и транспорта, нефтяные терминалы и нефтебазы, хранилища нефтепродуктов, железнодорожный транспорт, речные и морские нефтеналивные танкеры, автозаправочные комплексы и станции.

В связи с этим актуальны поиски способов снижения техногенной нагрузки на окружающую среду от нефтесодержащих отходов и разработка эффективных методов утилизации этих отходов.

Проанализируем виды и свойства водонефтяных эмульсий.

Нефтяные эмульсии - это система нефть - вода, в которой жидкости диспергированы одна в другой в виде мелких капель.

Водонефтяные эмульсии бывают двух видов: первого рода (прямые), когда нефть диспергирована в воде типа «масло в воде», и второго рода (обратные), когда вода диспергирована в нефти «вода в масле» [109,45].

По содержанию дисперсной фазы водонефтяные эмульсии делятся на разбавленные (до 0,2 % по объёму), концентрированные (до 74 %) и высококонцентрированные (свыше 74 %) [58].

Устойчивость нефтяных эмульсий превышает несколько месяцев, в течение которых они не претерпевают каких-либо изменений [68,70]. Не нарушается стабильность нефтяных эмульсий и при нагревании их до 90.. .92 °С, несмотря на то что вязкость при этих температурах значительно уменьшается. Однако при повышении температуры эмульсий свыше 92°С происходит их вспенивание и выброс из открытых емкостей.

Основными физико-химическими свойствами нефтяных эмульсий являются: вязкость, поверхностное натяжение, дисперсность, плотность, устойчивость к разрушению.

Вязкость нефтяных эмульсий зависит от вязкости исходных веществ. Вязкость эмульсий выше, чем вязкость исходных топлив (мазутов и смол) [55,14]. Чем выше содержание воды в эмульсии, тем выше её вязкость.

Величина поверхностного натяжения влияет на дисперсность и устойчивость эмульсий. Чем меньше величина поверхностного натяжения, тем легче получить качественную и стабильную эмульсию. Авторы [56], определяя поверхностное натяжение для высоковязких крекинг-остатков, установили, что при повышении температуры от 90 до 120 °С величина поверхностного натяжения уменьшается на 4,5 %, в то время как вязкость этих же продуктов уменьшается в 3...5 раз.

Дисперсность водонефтяных эмульсий характеризует равномерность распределения воды в массе нефтепродукта и влияет на ее устойчивость, вязкость, электропроводность и другие свойства. Чем выше дисперсность, тем устойчивее эмульсия и выше её качество.

Размер капель дисперсной фазы зависит от плотности, вязкости и поверхностного натяжения перемешиваемых жидкостей, а также от их количественного соотношения. Кроме того, дисперсность зависит от способа получения эмульсий.

Существующие способы разрушения нефтяных эмульсий можно подразделить на следующие виды: механические, термические, физико-химические, электрические.

К механическим методам разделения относятся фильтрация, центрифугирование, обработка ультразвуком.

Данные методы не получили широкого распространения в виду громоздкости оборудования, малой производительности, высокой стоимости и необходимости высококвалифицированного обслуживания.

Термические методы - это подогрев и отстаивание при атмосферном давлении и под избыточным давлением, промывка горячей водой.

Этот метод имеет один существенный недостаток, не все эмульсии могут быть разрушены с помощью нагревания. Данный метод подходит только для разложения малостойких эмульсий.

Физико-химические методы - это обработка эмульсии различными (чаще всего поверхностно-активными) реагентами (деэмульгаторами). Данный метод для разрушения эмульсий использует введения различных реагентов, и в результате происходит загрязнение нефти и снижение её качества.

Электрические методы заключаются в обработке эмульсии в постоянном или переменном электрическом поле. В этом случае водяные капли дисперсной фазы эмульсии, помещенной в электрическое поле, совершают колебательные движения между электродами, образующими поле. Перемещаясь, капли сталкиваются друг с другом и при этом увеличиваются в объеме. Укрупнившиеся капли при контакте с электродом получают еще больший заряд (величина заряда, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна квадрату радиуса капельки), а следовательно, и большую скорость, что, во-первых, увеличивает вероятность столкновений с другими каплями и, во-вторых, увеличивае