Технология магнитно-фильтровальной очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК

Голубев, Иван Андреевич

Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему
Технология магнитно-фильтровальной очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК
ВАК РФ 25.00.36, Геоэкология

Автореферат диссертации по теме "Технология магнитно-фильтровальной очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК"

На правах рукописи

ГОЛУБЕВ Иван Андреевич

ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТНО-ФИЛЬТРОВАЛЬНОЙ ОЧИСТКИ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК

у \

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей промышленности)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

005551587

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет Горный».

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор

Пашкевич Мария Анатольевна

Официальные оппоненты:

Лаптев Анатолий Борисович доктор технических наук, ООО «Раилан-Кеми», главный инженер

Синькова Елена Алексеевна кандидат технических наук, Центр научно-методичского обеспечения геологического картографирования ФГУП «ВСЕГЕИ» им. А.П. Карпинского, старший научный сотрудник

Ведущая организация - ФГБОУ ВПО «ТюмГНГУ».

Защита диссертации состоится 18 июня 2014 г. в 14 ч. на заседании диссертационного совета Д.212.224.06 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106,Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2, ауд. №1303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте www.spmi.ru.

Автореферат разослан 18 апреля 2014 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ ^ СИДОРОВ

диссертационного совета Дмитрий Владимирович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Наиболее широко

распространенными загрязнителями сточных вод предприятий топливно-энергетического комплекса (ТЭК) являются нефтепродукты - неидентифицированная группа углеводородов нефти, мазута, керосина, масел и их примесей, которые вследствие их высокой токсичности, принадлежат, согласно данным ЮНЕСКО, к числу десяти наиболее опасных загрязнителей окружающей среды. В сбрасываемых сточных водах предприятий ТЭК наблюдаются, в ряде случаев, тысячекратные превышения нормативов.

Основными источниками загрязнения нефтепродуктами являются предприятия по добыче полезных ископаемых (объекты очистки карьерных, шахтных и хвостовых вод). Как правило, очистные сооружения предприятий ТЭК не справляются со значительными объемами нефтезагрязненных сточных вод, что приводит на горных предприятиях к загрязнению подземных и поверхностных вод.

Важнейшим вопросом, в решении проблемы снижения загрязнения водных объектов сточными водами горнодобывающих предприятий, является разработка рациональных технических и технологических решений, обеспечивающих повышение степени очистки воды. Традиционные методы механической очистки зачастую не обеспечивают современные высокие требования к качеству очищенных сточных вод при их сбросе в водные объекты. Использование методов физико-химической и химической очистки вод сопряжено с одной стороны с расходом дорогостоящих реагентов, с другой стороны - с формированием вторичного загрязнения сбрасываемых вод и образованием значительных количеств неутилизируемых осадков.

В этой связи на предприятиях ТЭК становится актуальным включение в технологическую схему очистки сточных вод новых этапов, которые должны обеспечивать глубокое и эффективное удаление нефтепродуктов различного генезиса. Одной из наиболее перспективных технологий очистки сточных вод является технология обработки водонефтяных сред магнитным полем,

разработкой которой в разное время занимались такие ученые, как Бахтизин Р.Н., Валеев М.Д., Голубев М.В., Инюшин Н.В., Лесин В.И., Мирзаджанзаде А.Х., внесшие значительный вклад в решение вопросов деэмульсации нефти. Вместе с тем, предшествующими работами далеко не исчерпан круг проблем, касающихся очистки сточных вот от нефтепродуктов, разработки технологических решений и подбора оборудования.

Цель работы: Снижение техногенной нагрузки предприятий ТЭК на поверхностные и подземные воды путем внедрения комплекса технологических решений, направленных на очистку стоков от нефтепродуктов.

Идея работы: Очистку нефтезагрязненных сточных вод следует осуществлять с применением двухступенчатой технологии очистки, основанной на последовательном применении магнитной обработки и разделения жидкости в отстойнике с гидрофобным слоем.

Основные задачи исследований:

1. Анализ воздействия предприятий ТЭК на поверхностные и подземные воды, а так же методов по его снижению;

2. Экспериментальные исследования механизма воздействия импульсных магнитных полей на стабильность водонефтяных эмульсий;

3. Разработка двухступенчатой технологии очистки на основе совместного использования аппарата магнитной обработки и отстойника с гидрофобным слоем;

4. Оценка эколого-экономической эффективности применения предложенной технологии на объектах ТЭК.

Научная новизна работы:

1. Установлены закономерности изменения остаточной концентрации нефтепродуктов в сточной воде от частоты следования импульсов магнитного поля, выбираемые в пределах 550 Гц.

глобул нефти, а так же снижение поверхностного натяжения на границе раздела фаз (нефть-вода).

Основные защищаемые положения:

1. Интенсификация очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК достигается с применением низкочастотной импульсной магнитной установки, основные технические параметры которой выбираются в зависимости от пропускной способности соленоида.

2. Снижение экологической опасности нефтезагрязненных сточных вод достигается обработкой их магнитным полем, частота следования импульсов которого выбирается, предварительно или непосредственно в ходе обработки, в пределах 5 - 50 Гц для стоков конкретных предприятий.

3. Достижение гарантированной глубины очистки нефтезагрязненных сточных вод должно производиться применением двухэтапной технологии: 1) обработки водонефтяной эмульсии низкочастотным импульсным магнитным полем, 2) удалении из сточной воды нефтепродуктов и механических примесей в отстойнике с жидкостным гидрофобным слоем.

Методы исследований.

В качестве основных методов исследования применялись:

системно-структурный анализ воздействия нефтепродуктов на природные воды;

аналитические, экспериментальные и

гидрогеохимические работы в лабораторных и полевых условиях;

методы физического и численного моделирования; экспериментальные исследования и опытно-промышленные испытания технологии очистки сточных вод от нефтепродуктов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается использованием большого количества исходных данных; использованием для анализов современного лабораторного оборудования. Приведенные в работе аналитические и экспериментальные результаты согласуются и дополняют новейшие данные, опубликованные другими авторами.

Практическая значимость работы:

1. Разработана импульсная магнитная установка (ИМУ) для очистки сточных вод от нефтепродуктов.

2. Подобраны оптимальные параметры работы ИМУ для очистки модельной водонефтяной среды с заданными характеристиками.

3. Разработана двухступенчатая технология очистки нефтезагрязненных сточных вод состоящая из узла магнитной обработки и отстойника с жидкостным гидрофобным слоем.

4. Произведено эколого-экономическое обоснование предлагаемой технологии очистки нефтезагрязненных сточных вод.

Личный вклад автора работы состоит в постановке цели, задач и методов исследования; в конструировании лабораторной установки ИМУ; в проведении и дальнейшем анализе лабораторных экспериментов.

Реализация работы:

¡.Технология двухступенчатой очистки нефтезагрязненных сточных вод предложена для использования в ОАО «Татойлгаз» при подготовке сточных вод к закачке в систему ППД;

2. Научные и практические результаты работы предложены к использованию в учебном процессе при подготовке специалистов горно-геологического профиля в Горном Университете, в частности, при проведении занятий по дисциплине «Основы экологии и природопользования», «Горное дело и окружающая среда», «Экология».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на международных и российских научных конференциях и симпозиумах, в том числе: «Неделя горняка 2012» (Москва); Международном форуме-конкурсе «Проблемы недропользования» (Санкт-Петербург, 2012); «Высокие интеллектуальные технологии и инновации в национальных исследовательских университетах» (Москва, 2013); 17 Международной экологической конференции студентов и молодых ученых «Горное дело и окружающая среда. Инновации и высокие технологии 21 века» (Москва, 2013); конференции БРЕ (Москва,

2013). Работа удостоена «Национальной экологической премией 2012».

Публикации. По теме работы опубликовано 4 печатных труда, в том числе 2 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК Министерства образования и науки Российской Федерации.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 153 страниц машинописного текста, 46 рисунков, 25 таблиц и список литературы из 78 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы, поставлены основные задачи исследований, описывается научная новизна и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе рассматриваются современные проблемы деятельности предприятий ТЭК в сфере очистки сточных вод от нефтепродуктов и механических примесей. Проведен аналитический обзор современных методов очистки, обоснована необходимость внедрения в производство новой технологии подготовки сточных вод.

Во второй главе обосновывается идея очистки сточных вод с применением импульсного магнитного поля. Произведен расчет и проектирование предлагаемой установки.

Третья глава посвящена проведению экспериментальных исследований на сконструированном лабораторном стенде, анализу полученных результатов.

В четвертой главе обосновывается целесообразность использования аппарата магнитной обработки водонефтяных сред совместно с отстойником. Уточнены и экспериментально проверены параметры и режимы работы отстойника с жидкостным гидрофобным слоем.

В пятой главе спрогнозировано изменение состояния природной среды после внедрения технологий. Произведена оценка экономической эффективности предлагаемой технологии.

В заключении приводятся общие выводы и рекомендации.

Основные результаты исследований отражены в защищаемых положениях.

Анализ опыта применения магнитной обработки нефтезагрязненных сточных вод позволяет разделить все известные установки на два основных типа:

с постоянными магнитами; с электромагнитами.

К первому типу относят установки выполненные в виде корпуса с вмонтированными в нем постоянными магнитами, установленными таким образом, что обрабатываемая жидкость проходя по внутреннему сечению аппарата подвергается воздействию магнитного поля заданных характеристик. Достоинством аппаратов на постоянных магнитах является простота обслуживания, относительная дешевизна и автономность (не требуют электропитания). Однако такие аппараты не позволяют регулировать параметры магнитного поля в рабочем зазоре. Так же в процессе эксплуатации в них происходит накопление ферромагнитных окислов железа, что заметно сокращает срок их службы.

Ко второму типу аппаратов относятся установки, состоящие из двух основных узлов: подготовительного (накопление энергии и формирование импульсного напряжения и тока) и узла накопительного-технологического. К первому узлу относятся генераторы импульсных токов, ко второму - соленоид и связанная с ним технологическая оснастка. Достоинством электромагнитных установок является возможность регулирования параметров магнитного поля в большом диапазоне значений. Внутри аппарата не

происходит отложения отделяемых из обрабатываемой эмульсии примесей, так как поверхность внутреннего сечения трубопровода, из которого выполнен соленоид, не содержит неровностей.

Анализ существующего опыта обработки водонефтяной эмульсии магнитным полем показал, что основным параметром, влияющим на изменение степени разрушения эмульсии, является частота магнитного поля. Воздействие низкочастотного магнитного поля с постоянной формой изменения тока на водонефтяные эмульсии не позволяет добиться одинакового результата разрушения бронирующих оболочек глобул нефти различных размеров. После проведенных исследований, для конструирования лабораторной модели, была выбрана импульсная электромагнитная установка. В импульсном режиме проще всего достигается высокая напряженность магнитного поля, позволяющая оказывать максимальное воздействие на структуру бронирующих оболочек эмульгированных глобул нефти во всем объеме транспортируемой среды.

Для исследования воздействия магнитного поля на водонефтяную среду была разработана и изготовлена лабораторная установка, включающая в себя блок управления (генератор импульсов) и соленоид с патрубками для ввода и вывода обрабатываемой жидкости (рисунок 1).

Функционирование лабораторной установки осуществляется следующим образом: поток жидкости подвергается обработке низкочастотным импульсным магнитным полем заданной частоты при протекании через соленоид. Соленоид представляет собой участок трубопровода, выполненный из немагнитного материала с медной обмоткой на корпусе. Для лабораторных условий диаметр проходного сечения устанавливался 16 - мм, длина 750 мм.

Рег частоты

Рисунок 1 - Принципиальная схема лабораторной установки 1 - емкость с исследуемой нефтезагрязенной жидкостью; 2 - соединительные трубки; 3 -соленоид; 4 - емкость для разделения на водную и нефтяную фазы; 5 -импульсный генератор низкой частоты с блоком управления.

По результатам расчета рассматриваемая установка имеет следующие технические характеристики: Частота следования импульсов Максимальное напряжение на разрядном конденсаторе Форма импульса тока

5-50 Гц с шагом 5 Гц 1000 В

Общая длительность колебаний Напряженность магнитного поля на оси соленоида

Максимальное значение амплитуды тока при импульсном разряде на соленоид

затухающие колебания 1-2 мс 7-12 кЭ

1,4 кА

Пропускная способность сконструированного соленоида, с учетом выбранного по условию моделирования турбулентного режима течения жидкости (скорость 0,5 м/с) равна 0,7 м3/ч. Для создания аналогичного по характеристикам поля, способного оказывать положительное воздействие на водонефтяные эмульсии в соленоиде большего диаметра, требуется увеличение мощности установки.

Результаты расчета производительности магнитных установок в зависимости от диаметра и пропускной способности трубопровода приведены в таблице 1. Анализ данных таблицы 1 показал, что увеличение диаметра трубопровода и соответствующего соленоида установки, для использования в промышленных условиях, приводит к достижению наибольшей эффективности обработки, с точки зрения удельного расхода энергии.

Таблица 1 - Значение требуемой мощности установки для

различных диаметров трубопроводов

Диаметр трубопровода, мм Расход жидкости, м3/ч Мощность установки, кВт Удельный расход энергии, кВт/м3

16 0,7 1 1,42

100 28,2 6,5 0,23

200 113 13 0,11

300 254 19,6 0,007

Импульсная электромагнитная установка работает следующим образом: выпрямленное напряжение от выпрямителя сети (ВС) подается на накопительные емкости (Сн), которые выполняют функции фильтрующей емкости и основного накопителя энергии (рисунок 2). С фильтра энергия поступает на зарядно-разрядный модуль (ЗРМ) с емкостными накопителями энергии (ЕНЭ). Управляющие сигналы на ЗРМ поступают с системы управления (СУМ), которая формирует импульсы различной частоты следования, и далее на активный реактор (РА), представляющий собой соленоид.

СУМ

Рисунок 2 - Функциональная схема генератора 1 - выпрямитель напряжения сети, 2 - фильтрующие емкости, 3 - зарядно-разрядный модуль с емкостными накопителями энергии, 4 - система управления, 5

- индуктивный реактор.

Возможность применения магнитной обработки жидкости с целью интенсификации процесса очистки сточных вод подтверждена экспериментальным путем. В ходе эксперимента оценивалась степень очистки воды после магнитной обработки в сравнении с водой не подвергавшейся воздействию магнитного поля. Замер концентрации нефти в сточной воде проводился через 15, 30 и 60 минут статического отстоя. Такие временные отрезки выбирались на основе данных о работе реальных промысловых отстойников (таблица 2, 3)

Таблица 2 - Значение измерения концентрации нефтепродуктов в воде без обработки магнитным полем, с течением времени_

Время, мин 15 30 60

С, мг/л 33 25,3 15,7

Таблица 3 - Значение концентрации нефтепродуктов в воде после обработки магнитным полем частотой 15 Гц, с течением времени

Время, мин 15 30 60

С, мг/л 13,2 7,2 5,5

Полученные результаты экспериментов (таблица 2, 3) показали, что магнитное поле ускоряет естественное разделение водонефтяной эмульсии после обработки при отстое.

2. Снижение экологической опасности

нефтезагрязненных сточных вод достигается обработкой их магнитным полем, частота следования импульсов которого выбирается, предварительно или непосредственно в ходе обработки, в пределах 5-50 Гц для стоков конкретных предприятий.

Загрязнение окружающей среды нефтепродуктами занимает одно из первых мест в общем техногенном загрязнении природой среды из-за возрастающих масштабов их использования.

Значительное загрязнение нефтепродуктами связано с производственными стоками от горных предприятий. Объемы сбрасываемых производственными объектами ТЭК нефтезагрязненных сточных вод колеблются от 200 до 500 м3/сут, а с учетом автотранспортных цехов, использующих воду для мойки горных машин, это значение увеличивается до 2500 м3/сут. По своему составу эти воды содержат от 50 до 250 мг/л нефтепродуктов.

Из-за систематических утечек из резервуаров для хранения нефтепродуктов или несоблюдения технологических процессов их налива происходит загрязнение почв, грунтов, поверхностных, внутрипочвенных и подземных вод. Дождевые воды, стекающие с промышленных площадок, загрязненных нефтью, содержат 40-100 мг/л эмульгированной нефти. Содержащиеся в сточных водах вещества, попадая в водные объекты ухудшают их санитарное состояние и гидробиологический режим.

На сегодняшний день существует несколько вариантов очистки нефтегазрязненных сточных вод. Выбор метода определяется объемом сточных вод, их физико-химической характеристикой и требованием к качеству очищаемой воды. Анализ деятельности предприятий ТЭК показал, что в настоящее время более 50% нефтезагрязненных сточных вод сбрасываются недоочищенными. В связи с этим, одной из самых актуальных проблем на предприятиях ТЭК является повышение качества очистки сточных вод путем модернизации уже имеющихся очистных сооружений.

Наиболее эффективной (по соотношению стоимости капитальных и текущих затрат к достигаемому результату) является разрабатываемая технология обработки сточных вод магнитным полем. До настоящего времени метод магнитной обработки на предприятиях ТЭК использовался для решения следующих задач: ликвидация парафиноотложений; деэмульсация нефти;

снижение коррозионной активности среды.

Возможность регулирования частоты изменения импульсов в сконструированной лабораторной установке (рисунок 1) в диапазоне 5 - 50 Гц (с шагом 5 Гц) обуславливается необходимостью проведения подбора оптимальных параметров магнитного поля для каждого типа сточных вод. Повышение частоты выше 50 Гц снижает эффективность обработки ввиду уменьшения напряженности магнитного поля и необходимости увеличения потребляемой мощности установки.

Для подтверждения того, что исследуемый частотный диапазон выбран верно, а так же с целью изучения воздействия различных частот следования импульсов на характер изменения степени очистки воды после магнитной обработки были проведены эксперименты по замеру остаточной концентрации нефтепродуктов в воде.

Для проведения исследований готовились модельные растворы воды с содержанием нефтепродуктов 250 мг/л. Свойства используемой для моделирования загрязнения нефти принимались следующие: вязкость 87 мПас (при температуре 23 °С), плотность 930 кг/м . Измерения проводились в соответствии с методикой ОСТ 39-133-81 «Вода для заводнения пластов. Определение содержания нефти в промысловой сточной воде» на приборе НопЬа ОСМА-350 спектро-фотометрическим методом. В ходе анализа десять проб воды подвергались магнитной обработке. Каждой пробе соответствовало свое значение частоты из исследуемого диапазона. Скорость прохождения жидкости через соленоид не изменялась, и составляла 0,5 м/с. Обработанная вода сливалась в делительную воронку и ставилась на отстой. Замер остаточной концентрации проводился через 15, 30 минут, поскольку последующую доочистку

Таблица 4 - Результаты экспериментов при 15 минутах статического отстоя

№ опыта Частота, Гц

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

с, мг/л 1 22,4 17,5 13,2 5,2 5,4 5,8 6,2 8,3 12,2 17,5

2 23,1 18,2 13,9 4,9 4,9 6,2 6,7 7,7 11,8 17,9

3 22,2 17,1 14,2 5,8 5,7 5,3 6,2 8,6 12,5 16,9

4 21,6 16,6 12,7 6,1 6,1 5,5 5,5 7,5 12,1 18,2

С 22,3 17,3 13,5 5,5 5,52 5,7 6,1 8,02 12,1 17,6

АС 2,06 2,07 2,07 2,04 2,04 2,02 2,03 2,04 2,01 2,04

Таблица 5 - Результаты экспериментов при 30 минутах

статического отстоя

№ опыта Частота, Гц

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

С, мг/л 1 16,7 12,2 7,2 4,1 4,4 4,6 5,3 6,2 9,5 15,3

2 17,8 12,8 7,6 4,9 4,9 4,7 5,5 5,9 9,7 15

3 16,5 11,5 7,1 4,8 4,5 4,1 4,7 6,4 8,9 14,9

4 16,1 13,1 6,8 3,9 3,8 5,1 5,8 5,8 9,2 15,8

С 16,7 12,4 7,1 4,4 4,4 4,6 5,3 6,07 9,3 15,2

АС 2,08 2,07 2,01 2,03 2,02 2,03 2,01 2,01 2,02 2,02

где С - среднее арифмитическое из четырех одинаковых измерений;

Д С - абсолютная погрешность измерений.

рч 20

3 15

и 10

Частот;

Рисунок 3 - График зависимости концент] I от частоты магнитного поля

для 15 минут (я

.я 15

и 10

_______ Т^Ч Т I

Часто'

Рисунок 4

- График зависимости концент: от частоты магнитного поля для 30 минут я

обработанной магнитным полем воды предполагается осуществлять проточным способом в динамическом отстойнике. Каждый замер производился 4 раза для установления абсолютной погрешности измерений. После проведения экспериментов и сведения всех полученных данных в таблицы 4 и 5 было обнаружено, что при обработке магнитным полем с частотой выше 20 Гц наблюдается постепенное увеличение концентрации нефтепродуктов и к 50 Гц значения перестают удовлетворять требованиям, предъявляемым к сточной воде (рисунок 3 и 4). Снижение эффективности обработки объясняется уменьшением энергии магнитного поля с увеличением частоты следования импульсов. Следовательно, эффективной с точки зрения достижения высокой степени очистки для данной конкретной нефтезагрязненной сточной воды является частота 20 Гц. С учетом абсолютной погрешности это значение равно 5,5 ± 2,04 мг/л - для 15 минут отстоя и 4,4 ± 2,03 мг/л - для 30 минут отстоя.

Таким образом, применение низкочастотного импульсного магнитного поля, для обработки нефтезагрязненных сточных вод, позволит снизить экологическую опасность от воздействия на компоненты природной среды путем повышения степени очистки.

Для объяснения механизма воздействии магнитного поля на водонефтяные системы был проведен комплекс лабораторных исследований, включавший:

визуальное наблюдение за изменением размеров

глобул нефти;

исследование межфазного натяжения на границе раздела фаз нефть-вода.

Эксперимент по изучению поведения водонефтяной эмульсии после обработки ее магнитным полем, показал способность данного рода воздействия усиливать коалесценцию

(рисунок 5), и позволил выявить закономерность изменения поведения капель нефти в водной среде при увеличении частоты следования импульсов, в исследуемом диапазоне (5 - 50 Гц). В ходе опыта анализировались четыре пробы с равным значением начальной концентрации нефтепродуктов 250 мг/л, обработанных определенной частотой (10, 20, 40 и 50 Гц соответственно). Наблюдение с использованием микроскопа (200 кратное увеличение) позволило установить повышение активности движения дисперсной нефтяной фазы в водной среде при частотах 10 и 20 Гц и снижение этой активности при частотах 40 и 50 Гц. Полученная закономерность в полной мере подтверждается результатами экспериментов по изучению влияния различных частот на степень очистки воды.

а)

б)

* ' *

Рисунок 5 - Водонефтяная эмульсия под микроскопом а) до обработки, размер капель не больше 15 мкм; б) после обработки магнитным полем, наблюдается коалесценция, размер

капель до 60 мкм

Основным способом интенсификации очистки сточных вод от нефтепродуктов на сегодняшний день остается «реагентный» метод, заключающийся в добавлении на определенной стадии технологического процесса подготовки реагента деэмульгатора, подобранного в зависимости от физико-химических свойств нефти. Поверхностно активные вещества адсорбируются на поверхности раздела фаз, уменьшают межфазное натяжение, тем самым ускоряют

процесс коагуляции и как следствие, снижают стабильность водонефтяной эмульсии. Проведенные исследования процесса очистки сточных вод путем магнитной обработки показали, что достигается данный эффект так же ускорением коагуляции.

Для определения влияния магнитного поля на изменение межфазного натяжения, а так же связи между снижением этого значения и усилением коагуляции глобул нефти в воде после обработки, были проведены эксперименты по сравнению значений в подготовленных пробах воды. Измерения проводились на приборе ЕавуБгор методом «всплывающей» капли. Результаты замеров в системе нефть - вода (таблица 6) показали уменьшение межфазного натяжения после обработки нефти магнитным полем с частотой 5 Гц со значения 35,7±0,33 (для нефти не подверженной воздействию) до 29,5±0,31 мЫ/ш.

№ опыта Частота, Гц

Без частоты 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

о, мН/м 1 35,9 29,2 25,5 22,3 21,2 21,4 21,3 21,4 21,2 21,4 21,2

2 35,8 30,1 25,2 22,7 21,7 21,5 21,5 21,6 21,5 21,2 21,4

3 35,2 29,5 25,9 21,8 20,8 20,8 21,7 20,9 20,8 20,9 21,5

4 36,2 29,4 24,9 22,6 21,5 21,4 21,2 21,4 21,3 21,2 21,6

а 35,7 29,5 25,3 22,3 21,3 21,2 21,4 21,3 21,2 21,1 21,4

До 0,33 0,31 0,34 0,32 0,31 0,21 0,17 0,23 0,23 0,16 0,13

где а - среднее арифмитическое из четырех одинаковых измерений; До- абсолютная погрешность измерений.

Последующее увеличение частоты обработки продолжало уменьшать межфазное натяжение до определенного предела (рисунок 6). Достижение данного предела, полученное при обработке магнитным полем с частотой 20 Гц, означает, что система нефть-вода находится в состоянии равновесия и разделению фаз больше не препятствуют силы межмолекулярного взаимодействия. Эмульсия разрушается, и далее, за счет разности плотностей происходит окончательная деэмульсация с образованием пленки нефти на поверхности воды.

Частота, Гц

Рисунок 6 - Зависимость межфазного натяжения от частоты

обработки

Анализ полученных результатов показал, что после магнитной обработки процессы происходящие в эмульсии схожи с поведением ее после добавления деэмульгатора. Наблюдается заметное снижение межфазного натяжения, и как следствие, падение устойчивости дисперсной системы. Результатом является изменение полярности молекул на границе раздела фаз: гидрофильные группы нефти поворачиваются в сторону водной фазы, сближаются и коагулируют, всплывая на поверхность. Кроме того, данный эксперимент также подтверждает правильность выбранного диапазона работы установки (5 - 50 Гц) поскольку выше частоты 20 Гц значения поверхностного натяжения не изменяются в широком диапазоне.

В связи с повышенной активностью глобул нефти в воде после магнитной обработки применение динамических гравитационных отстойников не позволит довести воду до установленного нормативами качества. Таким образом, в технологическом этапе подготовки после магнитной обработки рекомендуется применять отстойник с жидкостным гидрофобным слоем, позволяющий улавливать отделившиеся в магнитном поле глобулы нефти сразу на входе в установку. Гидрофобная пленка в таком отстойнике выполняет функцию контактной массы, поглощающей содержащиеся в воде примеси.

В настоящее время в промышленности широко применяется отстойник с жидкостным гидрофобным слоем ОГВ-Г, позволяющий очищать воду до остаточного содержания нефтепродуктов 50 мг/л. Лабораторные эксперименты на сконструированной, в рамках диссертационного исследования, модели данного отстойника показали, что при фильтрации воды через гидрофобный слой лучше всего захватываются частицы нефтепродуктов крупнее 20 мкм. Следовательно, эффективность работы фильтра можно повысить предварительно укрупнив загрязняющие частицы. Данную роль в предлагаемом способе выполняет установка магнитной обработки, способствующая слипанию и укрупнению частиц нефтепродуктов до 60 мкм.

Процесс очистки в предлагаемой технологии осуществляется следующим образом: загрязненная нефтью и механическими примесями вода подвергается интенсивному импульсному магнитному воздействию, параметры которого устанавливаются опытным путем. Обработанная магнитным полем вода поступает в отстойник ОГВ-Г где она очищается, пройдя через гидрофобный слой нефти. Нефтяная пленка в таком отстойнике выполняет функцию контактной массы и за счет сорбционных процессов поглощает содержащиеся в воде загрязняющие вещества.

Проведенные исследования показали, что в результате внедрения предлагаемой двухступенчатой технологии содержание нефтепродуктов снижается в 45 раз, со значения 250 мг/л до 5,6 мг/л. Расчеты проведенные в программе НДС «Эколог» для различных водных объектов показали, что при сбросе сточной воды с концентрацией 5,6 мг/л будет обеспечиваться требуемый норматив качества воды в расчетном створе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-исследовательскую работу, в которой содержится новое решение актуальной научно-производственной задачи разработки технологии двухступенчатой очистки нефтезагрязненных сточных вод предприятий ТЭК.

Основные научные и практические выводы:

1. В результате анализа воздействия производственных объектов ТЭК на подземные и поверхностные воды выявлена проблема сброса недоочищенных сточных вод по нефтепродуктам и взвешенным веществам.

2. В результате лабораторных испытаний на сконструированной магнитной установке выявлена способность импульсного магнитного поля ускорять процесс разделения водонефтяной эмульсии посредством снижения межфазного натяжения на границе раздела фаз нефть-вода и ускорения процесса коагуляции.

3. На основании проведенных экспериментов выявлено, что магнитную обработку нефтезагрязненных сточных вод целесообразно проводить совместно с отстойником с жидкостным гидрофобным фильтром, поскольку гидрофобный слой, используемый в качестве сорбционного материала, повышает эффективность очистки сточных вод до требуемых нормативов.

4. Эколого-экономическими расчетами определен эффект применения установки двухступенчатой очистки нефтезагрязненной сточной воды на основе определения суммарной величины снижения экологических платежей и предотвращенных ущербов от воздействия на компоненты природной среды, составляющий более 132 млн. руб. в первый год внедрения.

НАИБОЛЕЕ ЗНАЧИМЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пашкевич М.А. Технология двухступенчатой очистки нефтесодержащих пластовых вод / М.А. Пашкевич, И.А. Голубев // Записки Горного университета, т. 203 «Проблемы рационального природопользования». - СПб.: Горный университет, 2013. - с. 83-85;

2. Голубев И.А. Пути и решения очистки промысловых вод для системы поддержания пластового давления / И.А. Голубев // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». 2013. №3 - с. 87 - 96.

РИЦ Горного университета. 17.04.2014. 3.316. Т. 100 экз. 199106 Санкт-Петербург, 21-я линия, д.2

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Голубев, Иван Андреевич, Санкт-Петербург

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение / высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

На правах рукописи ГОЛУБЕВ ИВАН АНДРЕЕВИЧ

V Т V I "Т -> !I '

ТЕХНОЛОГИЯ МАГНИТНО-ФИЛЬТРОВАЛЬНОИ очистки НЕФТЕЗАГРЯЗНЕИНЫХ СТОЧНЫХ ВОД ПРЕДПРИЯТИЙ ТЭК

Специальность 25.00.36 - Геоэкология (в горно-перерабатывающей

промышленности)

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Пашкевич Мария Анатольевная

доктор технических наук, профессор

Санкт-Петербург - 2014

2 \ ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................................................. 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................9

1.1 ИСТОЧНИКИ НЕФТЯНОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ОТРАСЛЯХ ПРОМЫШЛЕННОСТИ.....................................................................................................................9

1.2 ТРЕБОВАНИЕ К КАЧЕСТВУ СТОЧНЫХ ВОД....................................................................16

1.3 ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ПЛАСТОВЫХ СТОЧНЫХ ВОД............................................20

1.4 ВЫБОР СПОСОБА ОЧИСТКИ НЕФТЕСОДЕРЖАЩИХ СТОЧНЫХ ВОД......................27

1.4.1 ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ОТСТАИВАНИЕМ..........................................................................28

1.4.2 ФИЛЬТРОВАНИЕ..............................................................................................................................36

1.4.3 ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД ФЛОТАЦИОННЫМИ МЕТОДАМИ.............................................40

1.4.4 АБСОРБЦИЯ ЖИДКОСТНЫМИ ФИЛЬТРАМИ..........................................................................^44

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 1....................................................................................................................48

2 ОБОСНОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ СТОЧНЫХ ВОД.................49

2.1 АНАЛИЗ ОПЫТА ПРИМЕНЕНИЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ......................................49

2.1.1 БОРЬБА С СОЛЕОТЛОЖЕНИЕМ...................................................................................................50

2.1.2 ЛИКВИДАЦИЯ ПАРАФИНООТЛОЖЕНИЙ.................................................................................51

2.1.3 ДЕЭМУЛЬСАЦИЯ НЕФТИ..............................................................................................................52

2.2 АППАРАТЫ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ..................55

2.3 РАСЧЕТ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТАНОВКИ................................................................59

2.3.1 РАЗРЯДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЯЬС - ЦЕПИ.........................................................................64

2.3.2 УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ УСТАНОВКИ....................71

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 2.....................................................................................................................'74

3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ НА ВОДОНЕФТЯНЫЕ СРЕДЫ..................................................,.............................................................75

3.1 ВОДОНЕФТЯНЫЕ ЭМУЛЬСИИ. УСЛОВИЯ ОБРАЗОВАНИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ.......................................................................................................................75

3.1.1 УСТОЙЧИВОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ......................................................................................................77

3.2 ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.......................................................................................80

3.2.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ...........................................................................................................86

3.3 МЕХАНИЗМ РАЗРУШЕНИЯ ВОДОНЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ В РЕЗУЛЬТАТЕ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ..........................................................................................................91

3.3.1 РАЗРУШЕНИЕ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ ЗА СЧЕТ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОДЯ НА ПАРАМАГНИТНЫЕ СТРУКТУРЫ НЕФТИ..................................................................................,.95

3.3.2 УСИЛЕНИЕ КОАЛЕСЦЕНЦИИ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ВОДЕ ПОСЛЕ ОБРАБОТКИ.......101

ОГЛАВЛЕНИЕ