Разработка технологии для очистки сточных нефтяных вод методом жидкофазной экстракции

УДК 628.31

Разработка технологии для очистки сточных нефтяных вод методом

жидкофазной экстракции

, , , ,

Институт катализа и неорганической химии Национальной АН Азербайджана, Азербайджанская Нефтяная Академия, Институт систем управления Национальной АН Азербайджана

Рассматриваются проблемы, связанные с очисткой сточных нефтяных вод жидкофазной экстракцией с использованием толуола в качестве растворителя. Анализируются массоперенос между каплями толуола и изотропным турбулентным потоком, условия дробления растворителя, коалесценция капель и расслоение эмульсии. Предложена технологическая схема и аппаратурное оформление процесса жидкофазной экстракции.

Ключевые слова: жидкофазная экстракция, дробление, коалесценция, расслоение, изотропная турбулентность, технология.

Введение. Очистка сточных вод от асфальтосмолистых веществ является важной экологической и экономической проблемой, в связи с чем, выбор метода реализации процесса разделения нефтяных эмульсий, очистки сточных вод и утилизация отходов, разработка технологии и их аппаратурное оформление являются необходимыми проблемами современного производства. Решение указанных проблем связано с выбором типа растворителя, метода и характерного процесса утилизации, среди которых можно отметить процессы адсорбции и абсорбции, экстракции, использование мембранной и плазмохимической технологий . Асфальтены в нефти это твердые частицы размером 1–1.5 нм, которые при определенной концентрации, в результате коагуляции и агломерации, образуют наноагрегаты, кластеры наноагрегатов и вязкоупругий каркас, придающий нефтям определенные реологические свойства и характеризующие неньютоновские жидкости (рис.1) . Как следует из рис.1, в присутствии толуола в водной среде такие комбинации не образуются и система представляется в виде устойчивой эмульсии.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Рис.1.

Это условие можно использовать для разработки процессов очистки сточных вод от асфальтосмолистых соединений и других нефтепродуктов.

Целью данного исследования является разработка. расчет и выбор соответствующего аппаратурного оформления процессов очистки и утилизации отходов промышленных нефтяных вод от асфальтосмолистых веществ.

1. Жидкофазная экстракция асфальтосмолистых соединений

из сточной воды толуолом

Жидкостная экстракция асфальтосмолистых соединений из сточных нефтяных вод является массообменным процессом, протекающей в межфазной пленке и осуществляется следующими этапами:

а) диспергирование растворителя в водной среде и экстракцией в межфазной пленке, характеризующейся диффузионными переносами соответствующих компонентов к межфазной поверхности . Эффективность массопереноса в экстракторах определяется размерами капель растворителя, полученных в результате дробления в условиях перемешивания. Дробление жидких капель с целью увеличения межфазной поверхности контакта осуществляется при относительно больших скоростях вращения 1500-2000 об/мин, что обеспечивает высокую частоту дробления . Как отмечено в работе , частота дробления капель пропорциональна скорости вращения и диаметру мешали , , а минимальный размер капель , т. е. с увеличением частоты дробления средний размер капель уменьшается. Процесс жидкофазной экстракции асфальтосмолистых веществ из сточной воды ароматическими углеводородами протекает в условиях интенсивного перемешивания и диспергирования, за счет чего достигаются условия изотропности турбулентного потока в экстракторе. В работах приведены уравнения для расчета коэффициента массоотдачи между потоком и каплями в виде: . Здесь число Шервуда, число Шмидта. Коэффициент турбулентной диффузии частиц в изотропном турбулентном потоке может быть определен в виде: , где – коэффициент сопротивления капель, зависящий от числа . Как следует из этого уравнения, коэффициент турбулентной диффузии прямо пропорциональна числу вращений и диаметру мешалки, обратно пропорциональна вязкости среды , т. е. с увеличением вязкости толуола (при низких температурах) коэффициент турбулентной диффузии уменьшается. В принципе эффективный коэффициент диффузии определяется в виде , причем в условиях интенсивного перемешивания имеем , т. е. коэффициент турбулентной диффузии намного (на несколько порядков) более коэффициента молекулярной диффузии;

б) коалесценция, укрупнение капель, расслоение фаз экстракта и воды за счет разницы плотностей контактирующих фаз. Как отмечено в работе , средний размер капель пропорционален , а частота коалесценции в жидкой среде зависит от концентрации капель и вязкости среды в виде . Коалесценция капель энергетически выгодно происходит до тех пор, пока образуются два слоя несмешивающихся жидкостей, что способствует эффективному расслоению фаз. В этом определяющем процессе основную роль играют минимальные размеры капель, которые зависят от условий перемешивания и физико-химических свойств сред (плотности, вязкости, поверхностного натяжения, удельной энергии диссипации);

в) регенерация (ректификация) экстракта для получения свободного растворителя для дополнительного его использования в качестве растворителя и рафината в виде гидрофобных органических соединений и пигментного типа красильных материалов.

Растворимость асфальтенов в растворителях связана с их предварительным набуханием при котором твердая фаза асфальтенов превращается в клейкую массу, постепенно растворяющуюся в растворителе, образуя в воде эмульсию. Вместе с тем, растворимость асфальтенов в растворителях различна, что приведена в работе. На рис. 2 представлена интерпретация растворимости асфальтенов в различных растворителях. Как следует из этого рис.1 и 2, для практических целей, хорошая растворимость асфальтенов наблюдается в толуоле, бензоле и ксилоле.

Рис.2.

Как следует из рисунков 1 и 2 наиболее эффективным растворителем асфальтенов в практическом смысле являются ароматические углеводороды (толуол, ксилол и бензол).

2. Разработка технологической схемы очистки сточных нефтяных вод

методом жидкофазной экстракции

На основе вышеприведенных исследований разработана и предложена технологическая схема очистки сточных нефтяных вод от асфальтосмолистых соединений и твердой примеси с использованием жидкофазной экстракции. Причем узел экстракции предложен в виде трех экстракторов, работающих в режиме последовательной подачи сточной воды и перекрестной подачи растворителя экстрагента. На рис. 3 представлена такая технологическая схема, описание которой следующее: сточная вода насосом 8 прокачивается через последовательно– соединенные три экстрактора 1,2,3. В каждый экстрактор подается растворитель– толуол, которая в результате интенсивного перемешивания диспергируется в виде капель, размерами 10-100 мкм, для увеличения межфазной поверхности. Диспергирования осуществляется за счет изменения оборотов мешалки в пределах 1500–2500 об./мин, поскольку размер капель пропорционален числу оборотов мешалки.

Рис. 3

Количество растворителя (толуола) по отношению к воде следует брать 1: 35–40, а ее распределение между экстракторами следующее: I–50%; II–30%%; III–20%. Таким образом, аппаратурное оформление узла перекрестной экстракции нефтяных сточных вод представляется в виде трех непрерывных экстракторов–мешалок с подачей толуола в каждый экстрактор. Важным фактором увеличения эффективности процесса жидкофазной экстракции является дробление растворителя. Как было отмечено выше, частота дробления зависит от диссипации энергии турбулентного потока в виде:. Диссипация энергии в перемешивающих устройствах зависит от числа оборотов мешалки. С увеличением числа оборотов мешалки происходит вторичное и третичное дробление капель растворителя вплоть до минимального размера капель. Таким образом, исходя из инженерной логики, растворитель следует подавать в область интенсивного перемешивания каждого экстрактора. Следует отметить, что с увеличением частоты дробления, растет с одной стороны скорость массообменного процесса экстракции за счет увеличения межфазной поверхности, с другой стороны, рост числа частиц в объеме потока способствует увеличению вероятности и числа столкновений капель растворителя с поглощенным веществом из сточной воды. Этот фактор приводит к росту скорости коалесценции капель и вероятности расслоения фаз экстракта и рафинада. После системы экстракторов смесь подается в отстойник 5, где за счет расширения потока происходит расслоение экстракта от основной воды, в котором остаются еще взвешенные частицы твердой фазы. Процессы расслоения продуктов после экстракции в отстойных аппаратах за счет гравитации или разницы плотностей между экстрагентом и водой () играют немаловажную роль для всей технологической схемы, поскольку качественное разделение этих несмешивающихся фаз может стать лимитирующим для всего процесса экстракционной очистки. Если жидкость– экстрагент находится в диспергированном виде, т. е. в виде капель, то для эффективного разделения этих фаз важно создать условия для столкновения, коалесценции и укрупнения капель. Следует отметить, что на эффективность расслоения капель существенное влияние оказывают скорость коалесценции, скорость их всплытия (размеры капель, вязкость и плотность среды) и коэффициент эффективной диффузии капель толуола в воде. Коалесценция капель в потоке зависит от частоты их столкновения, их концентрации, удельной энергии турбулентного потока и свойств капель экстрагента и свойств сточной воды . С верха отстойника 5 отбирается экстракт (толуол с растворенными в ней асфальтосмолистыми веществами), который нагревается в теплообменнике 12 до температуры 80–90 и подается в ректификационную колонну 4 для разделения нефтяного шлама от толуола. Предварительные расчеты по определению числа тарелок в ректификационной колонне 4, показали незначительное число тарелок в верхней части колонны, что было связано с малым содержанием асфальтосмолистых веществ в экстракте. Это позволил сделать вывод о том, что большую нагрузку в колонне несет ее нижняя часть, в связи с чем, предложена комбинированная ректификационная колонна, совмещенный с отстойником 13. Температура в отстойнику поддерживается порядка 180–200 за счет нагреваС верха колонны 4 отбирается чистый толуол, которая конденсируясь в конденсаторе 11, собирается в емкости 10. Из емкости 10 толуол, частично подается обратно в колонну на орошение, а основная часть выводится и подается в линию чистого растворителя II. Незначительное количество остаточной воды собирается на дне отстойника 10 и выводится из системы. Фактически осуществляется рециркуляция растворителя, что обеспечивает создание безотходной технологии. С низа отстойника 13 выводится нефтяной шлам. С низа отстойника 5 выводится сточная вода, содержащая лишь твердую фазу, и она поддается в фильтр 6 для улавливания твердых частиц. Очищенная техническая вода, которая выводится по линии IV, может быть использована для подачи в нефтяной пласт для поддержания пластового давления в скважине или же для других целей.

Таким образом, предложенная научно– обоснованная технология очистки сточных нефтяных вод от асфальтосмолистых соединений, с использованием рециркуляции растворителя, является экологически и экономически выгодной, поскольку происходит обезвреживание нефтяных отходов в воде, загрязняющих окружающую среду, а самое главное, предложенный процесс является безотходным и энергетически выгодным.

3. Анализ результатов и выводы

На основе анализа растворимости асфальтенов в различных растволрителях, предложено решение важной экологической задачи создания технологии и аппаратурного оформления процессов очистки и разделения сточных вод от асфальтенов и твердой фазы. С использованием экспериментальных исследований, предложен технология жидкофазной экстракции сточных вод толуолом. Причем реализация процесса может осуществляться в трех последовательно соединенных экстракторах с подачей толуола в каждый аппарат и выводом экстрагента из каждого отстойника (рис.3). Предложена оценка явлений массоотдачи в этих процессах, на основе чего получены критериальные зависимости числа от параметров процесса. Экстракт направляется в ректификационную колонну, где отделяется толуол и направляется обратно в начало схемы для дополнительного использования. Предварительный расчет ректификационной колонны по экспериментальным данным позволяет создать комбинированная ректификационная колонна, совмещенная с отстойником. Очевидно, эффективность этой технологии определяется степенями экстракции, расслоения фаз в отстойных системах и достаточной степенью разделения в ректификационной колонне.