ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОЧИСТКИ НЕФТЕШЛАМА ОТ МЕХАНИЧЕСКИХ ПРИМЕСЕЙ В ЦЕНТРОБЕЖНОМ ПОЛЕ

АННОТАЦИЯ

Сегодня в мире проводится ряд работ по очистке нефтешламов, включая такие научные исследования, как нефтепереработка, центрифугирование и экстракция. В данной научной работе также представлены лабораторное оборудование и математические расчеты очистки нефтешламов центрифугированием.

ABSTRACT

Today, a number of works on cleaning oil sludge are carried out in the world, including such scientific research as oil refining, centrifugation and extraction. This scientific work also presents laboratory equipment and mathematical calculations for cleaning oil sludge by centrifugation.

Ключевые слова: нефтяного шлам, механических примесей, минеральные соли, смолисто-асфальтеновых.

Keywords: oil sludge, mechanical impurities, mineral salts, resinous-asphaltene.

Механические примеси содержатся в сырой нефти в виде песка, глинистых минералов и различных солей, которые находятся во взвешенном состоянии. При исследованиях нефтей большое содержание механических примесей может в значительной степени повлиять на правильность определения таких показателей, как плотность, молекулярная масса, коксуемость, содержание серы, азота, смолисто-асфальтеновых веществ и микроэлементов. Поэтому нефть перед поступлением на анализ необходимо освободить от них отстаиванием или фильтрованием. В процессе переработки нефти в нефтепродукты могут попасть про­дукты коррозии аппаратов и трубопроводов, катализаторная пыль, мельчайшие частицы отбеливающей глины, минеральные соли. Загрязнение нефти и нефтепродуктов может происходить также при хранении и транс­портировке [1].

Накопленные в значительном количестве нефтешламы являются одним из наиболее опасных загрязнителей практически всех компонентов природной среды - поверхностных и подземных вод, почвеннорастительного покрова и атмосферного воздуха. Из-за значительного содержания нефти в составе нефтешлама последнего можно отнести к вторичным материальным ресурсам. Поэтому поиск технологических способов переработки (утилизации) нефтешлама в готовую продукции (например, в качестве сырья для выработки битумов, гидроизоляционных материалов, компонентов котельного топлива и товарной нефти) способствуют увеличению глубины переработки углеводородного сырья, внедрению малоотходных технологических процессов и повышению эффективности мер по охране окружающей среды, так как при этом несомненно достигается определенный экологический и экономический эффект [2].

Технологическая линия состоит из емкости для подачи разбавляющего агента 1, ёмкоста для перемешивания нефтешлама с разбавителям 2, гидроциклонов для разделения механических примесей 3,4, насосами для подачи жидкого потока 7,8. С целью определения давления и температуры процесса технологическая линия снабжена манометрами 5 и термометрами 6, задвижками для регулировки потока 11, после очистки нефтешламной смеси от различных примесей установлены бункера для уловленной массы 13,14, для выгрузки уловленной массы установлены шлюзовые затворы 12.

В ходе проведения экспериментов ёмкость 2 с мешалкой 9 заполняли нефтешламом, из емкости 1 наливали разбавитель в ёмкость 2 для растворения нефтешлама (бензин, риформат, газовый конденсат и т.д.) в соотношениях 10÷60 %, затем перемешивали в течение от 10 мин до 60 мин. Температуру изменяли в пределах 40÷80 ⁰С, после того с помощью насоса 7 разбавленную фракцию подавали в гидроциклон 3 с целью глубокой очистки разбавленного нефтяного шлама от механических примесей в центробежном поле подавали на второй гидроциклон 4 через насос 8. Образованную в ходе процесса сгущенную фазу (шлам) непрерывно выгружали в бункеры 12,13. Кроме того, технологическая линия снабжена контрольно-измерительными приборами. При этом, расход исходного сырья измеряли с помощью расходомера, а гидравлическое сопротивление гидроциклона и гидравлический напор жидкости в нем определяли манометрами 6.

Рисунок 1. Экспериментальная установка для подготовки нефтяного шлама к переработке:

1- ёмкость для подачи растворителя; 2- ёмкость нефтяного шлама с мешалкой; 3,4- гидроциклоны; 5- термометр для определения температуры процесса; 6-манометр для определения давления процесса; 7,8-насосы для подачи разбавленного нефтяного шлама; 9-мешалка; 10-коническая часть гидроциклона; 11- задвижка; 12- шлюзовой затвор; 13,14- бункеры для уловленной массы

Определение фактора разделения при очистке разбавленного нефтешлама от механических примесей в центробежном поле.Для большинства центрифуг фактор разделения не превышает 3500 и составляет в среднем 500-1000 [3]. Чем больше фактор разделения, тем выше разделяющая способность центрифуги. Фактор разделения Ф может быть повышен путем увеличения радиуса барабана и в еще большей степени – увеличением числа оборотов (), поскольку величина Ф пропорциональна квадрату числа оборотов [4].

Для определения фактора разделения нами проведены серия опытов в гравитационном и центробежном полях, также теоретическим путем осуществлены расчеты по определению скорости осаждения твердых частиц механических примесей в различных полях. С целью определения скорости свободного осаждения твердых частиц в гравитационном поле использовали формулы Стокса, в м/с (при Re<0,2) [80]:

                                                                  (1)

где: d_э – эквивалентный диаметр частицы, м; g – ускорение свободного падения, g=9,81 м/с²; r - плотность частицы, кг/м³; m - динамическая вязкость среды, Па*с.

Определение скорости осаждения шарообразной одиночной частицы в неподвижной неограниченной среде определяли с помощью критерия Архимеда:

                                           (2)

где: Ga=Re²/Fr – критерий Галилея.

Критерий Фруда рассчитывали по следующей формулой: 

                                                                     (3)

где: n-частота вращения потока, с^-1; d- диаметр гидроциклона, м; g=9,81 м/с² ускорение свободного падения.

Критерий Рейнольдса определяли:

                                                                     (4)

где: w - скорость потока, м/с; d – диаметр гидроциклона, м; r- плотность среды, кг/м³; m- динамический коэффициент вязкости среды, Па*с.

По найденному значению критерия Ar определяли критерий Ly:

.                                              (4)

Центробежная сила (в Н), действующая на частицу, составляет:

                                                        (5)

где: m - масса частицы, кг; w - угловая скорость вращения частицы, с^-1; n – окружная скорость вращения частицы, с^-1; R- радиус вращения частицы, м.

Сила тяжести:

                                                                   (6)

Решая уравнения (1) и (5), получим:

                                                  (7)

где, К_р – фактор разделения.

Для определения скорости осаждения твердых частиц механических примесей брали разных частицы (камень, песок, земля) различных размеров, т.е. от 10 мкм до 500 мкм.

Седиментационный диаметр твердых частиц (в мкм) вычисляли по следующей формуле:

                                                (8)

где, m - динамическая вязкость среды, Па·с; r₁ – плотность твердой частицы, г/см³; r₂ – плотность среды, г/см³; H – высота оседания частиц, см; g – ускорение силы тяжести, м/с²; t - время оседания, с.

Эквивалентный диаметр твердой частицы определен как диаметр условного шара:

                                                      (9)

где V – объем частицы, м³.

В составе уловленной массы содержатся различные примеси (песок, земля, камни) с различными размерами (в пределах 10÷500 мкм). Для определения размеры и масса частиц нами проведены серия опытов. Прежде чем определить размеры уловленных твердых частиц механических примесей их высушивали в печи марки – СНОЛ 1,6.2,5.1/11-И2 в течение 1-2 часов при температуре 100-150°С. Масса твердых частиц механических примесей взвешивали с помощью электронной весов марки – FA1004G. Размеры уловленной твердых частиц определяли с помощью вибрационного сита (механическая сита Шейкера). Размер ячейки сита составляет от 10 мкм до 500 мкм. Результаты проведенных исследований по определению размеров и массы частиц в составе уловленной массы приведены в таблице 1.

Таблица 1

Размеры и масса твердых частиц в составе уловленной массы

Из табл.1 видно, что в составе нефтяного шлама содержатся различные твердые примеси, такие как камень, земля, песок и т.д., масса мелких твердых частиц камня в составе нефтяного шлама с размером от 10 мкм до 500 мкм изменятся в пределах 0,0045÷0,000097 г, а земля составляет в пределах 0,00175÷0,000006 г, масса песка в пределах 0,0030÷0,000054 г. Результаты по определению массы твердых частиц одиночного камня в составе нефтяного шлама также приведен на рис.2.

Из рис.2 видно, что с увеличением размеров твердых частиц механических примесей их масса также увеличивается, т.е. масса 10 мкм частиц составляет 0,000097 г, масса 50 мкм частиц составляет 0,00011 г. Дальнейшее увеличение размеров твердых частиц до 500 мкм, их масса составляла 0,0045 г.

Рисунок 2. Определение массы твердых частиц в зависимости от их размера

После определения размеров и массы твердых частиц определяли фактор разделения и критерия Архимеда Ar. Результаты проведенных исследований по определению значения фактора разделения приведены в табл.2.

Таблица 2

Значения скорости свободного осаждения одиночных твердых частиц в центробежном и гравитационном полях

Из табл. 2 видно, что частиц 10 мкм в гравитационном поле осаждается  0,00095 м/с, а в центробежном поле составляло 1,55 м/с, скорость осаждения 50 мкм частиц в гравитационном поле составляет 0,001 м/с, а в центробежном поле 1,76 м/с, при дальнейшем увеличении размеров частиц до 500 мкм скорость его осаждения также ускоряется до 72 м/с. Фактор разделения К_р для таких частиц почти одинаковый, т.е. этот показатель составлял в среднем 1631,485. Критерий Архимеда Ar также изменяется в зависимости от массы частицы в пределах 18,1÷784,8. Это объясняется тем, что с увеличением массы твердых частиц механических примесей их скорость осаждения также ускоряется в гравитационном и центробежном полях. При этом, коэффициент фактора разделения К_р остается почти без изменений, а критерий Архимеда Ar изменяется в зависимости от размера твердых частиц.

Список литературы:

1. Иванова Ю.В., Кузьмина Р.И., Кожемякин И.В. Химия нефти: Учеб.-метод, пособие для студ. хим. фак. Ч. I. - Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 2010. – С.11.
2. Жумаев К.К., Рахимов Б.Б., Бакаев Б.Б. Многоступенчатые гидроциклонные установки для разделения нефтяных шламов // Молодой ученый. -2013. - №5. –С. 56-57. –URL https://moluch.ru/archive/52/6964.
3. Инженерная защита поверхностных вод от промышленных и 62 стоков: Учеб.пособие/Д.А.Кривошеин, П.П.Кукин, В.Л.Лапин и др. –М. Высшая школа, 2003. 344 с. –С.102.
4. В.И.Соколов. Современные промышленные центрифуги. МАШГИЗ. 1961. 325 с. –С.294.
5. Makhmudov, M.., Zamirovich, B.Z., Khuzjakulov, A.F., Saloydinov, A.A., Tukhtayev, N. N., & Khotamov, Q. S. (2024). METHOD FOR REDUCING AROMATIC HYDROCARBONS IN COMPOSITION OF GASOLINE. Processes of Petrochemistry and Oil Refining, 25(2).
6. Махмудов, М.Ж., & Салойдинов, А.А. (2022). Автотранспортларнинг экологик муаммолари ва автомобил бензинлари сифатига қўйилган замонавий экологик талаблар Илмий-техникавий журнал. Фан ва технологиялар тараққиёти. No2/2022 Бухоро.
7. Махмудов, М.Дж., Адизов, Б.З., Темиров, А.Х. и Салойдинов, А.А. (2020). Модификация низкооктанового бензина для улучшения его экологических и эксплуатационных характеристик. Международный журнал передовых исследований в области науки, техники и технологий , 7 (6), 14063-14063.
8. Махмудов, М. Ж., & Салойдинов, А. А. (2021). Турли функционал қўндирмалинг автомобил бензиновый экологический хоссаларига таъсири Илмий-технический журнал. Fan va technologylar tarakқққiyoti. №4/2021 Бухоро .
9. Saloydinov, A., Makhmudov, M., Usmonov, S., & Adizov, B. (2023). DETERMINATION OF THE QUANTITY OF WATER IN ETHANOL, GASOLINE AND ALCOHOL FUEL BY THE FISHER METHOD. Development of pedagogical technologies in modern sciences, 2(2), 64-67.
10. Махмудов, М.Ж., Тошев, М.С., Салойдинов, А.А. (2021). Усовершенствование процесса региз для производства бензина соответствующего нормам Евростандарта-5. Science and Education, 2(10), 141-152.
11. Махмудов, М.Ж., Тошев, М.С., Салойдинов, А.А. (2021). Гидроизомеризация бензолсодержащих бензиновых фракций на катализаторе NiW/Al2O3 с целью доведение автомобильного бензина АИ-80 до нормам Евростандарту-5. Science and Education, 2(10), 135-140.
12. Махмудов, М.Ж., Тошев, М.С., Салойдинов, А.А. (2021). Гидроизомеризация бензолсодержащей фракции в присутствии катализатора Ni/Al2O3 с целью доведения бензина до норм Евро-5. Science and Education, 2(10), 104-111.
13. Салойдинов, А.А., Жасур Ж.У. (2022). Альтернативные экологически чистые виды топлива для автомобилей. Science and Education, 3(4), 146-148.