РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ РАЗДЕЛЕНИЯ НЕФТЯНОГО ШЛАМА

АННОТАЦИЯ

В этой статье подробно описаны механические добавки, количество воды и органических компонентов в нефтяном шламе и методы их анализа. В связи с этим были проведены лабораторные исследования для определения физико-химических свойств исходного сырья. В качестве материала для извлечения органической части были выбраны образцы нефтяного шлама, поставленные с Бухарского нефтеперерабатывающего завода. На основе анализа нефтешламов установлено, что они содержат значительное количество нефтепродуктов, представляющих собой в основном тяжелые фракции нефти. Исходя из результатов исследования группового состава и физико-химических характеристик, нами выбраны нефтешламы Бухарского НПЗ в качестве перспективного сырья для получения органической части.

ABSTRCAT

 This paper details the mechanical additives, the amount of water and organic components in oil sludge and the methods of analyzing them. In this regard, laboratory studies were carried out to determine the physicochemical properties of the feedstock. Samples of oil sludge supplied from Bukhara oil refinery were chosen as material for extraction of organic part. On the basis of oil sludge analysis it was found that they contain a significant amount of petroleum products, which are mainly heavy fractions of oil. Based on the results of the study of group composition and physicochemical characteristics, we selected oil sludge from Bukhara oil refinery as a promising raw material for the production of organic part.

Ключевые слова: нефтепродукты, нефтешлам, механические примеси, коллоидная система, дина и старка, сокслет.

Keywords: oil products, oil sludge, mechanical impurities, colloidal system, dyna and starka, soxhlet.

1. Введение.

Проблема остаточных продуктов нефтяной промышленности, в том числе нефтяного шлама, является важной на мировом уровне. Переработка этих отходов позволяет не только улучшить экологическую обстановку, но и повысить их экономическую ценность. В процессе извлечения органических компонентов из нефтяного шлама ключевое значение имеет точное определение содержания механических примесей и воды. В условиях истощения запасов нефти становится актуальным поиск альтернативных источников углеводородного сырья. В зарубежных странах данному направлению уделяется значительное внимание. Одновременно с этим серьезной проблемой остается утилизация разнообразных органических отходов. В связи с этим важным является разработка технологий, которые обеспечивают эффективную и экономичную переработку различных видов отходов [1].

Современные нефтеперерабатывающие заводы представляют собой постоянные крупные источники загрязнения, которые приводят к образованию значительных объемов нефтяных шламов [2].

Нефтяные шламы образуются в результате процессов отстаивания сырой нефти в резервуарах, обессоливания и обезвоживания нефти на производственных предприятиях, очистки сточных вод промышленной канализации, а также из-за наличия механических примесей в свежей воде (до 100 мг/л в период паводка), поступающей на предприятия из природных водоемов [3].

Недостаточно эффективные системы обработки стоков и оборотного водоснабжения на нефтеперерабатывающих заводах приводят к сбросу значительных объемов продуктов переработки нефти в шламонакопители, которые, в идеале, должны задерживаться нефтеловушками [4].

Таблица 1.

Источники загрязнения нефтепродуктами [5]

Анализ данных исследований [6] показывает, что при переработке на нефтеперерабатывающих заводах каждой тысячи тонн нефти образуется от 1 до 5 тонн нефтяного шлама. Поскольку существующие технологии утилизации нефтяных отходов остаются недостаточно эффективными, предприятия вынуждены накапливать шламы и увеличивать объемы шламонакопителей.

Хотя качественные характеристики нефтяных шламов различаются в зависимости от предприятия, их компонентный состав обычно находится в следующих пределах: органические вещества составляют от 10% до 25% массы, механические примеси — от 5% до 30%, а содержание воды — от 50% до 70% массы [7].

Проведенный патентно-информационный анализ зарубежных источников, посвященных методам обезвреживания и переработки нефтесодержащих отходов, позволил обобщить изученный материал и представить его в таблице 2 [8;9,10, 11,12,13].

Помимо методов утилизации нефтяных шламов, указанных в таблице 2, существуют и другие способы, которые на данный момент не получили широкого применения в мировой практике. К ним относятся захоронение отходов, отвердение, перегонка с водяным паром, использование шламов в качестве удобрений и несколько других методов [14].

Таблица 2.

Сравнительные характеристики основных методов утилизации и переработки нефтесодержащих отходов [15].

Нефтяные шламы в своем наиболее простом виде представляют собой многокомпонентные, устойчивые агрегативные физико-химические системы, в составе которых преобладают нефтепродукты, вода и минеральные добавки (песок, глина, оксиды металлов и т.д.). Основной причиной образования нефтяных шламов в резервуарах является физико-химическое взаимодействие нефтепродуктов с влагой, кислородом воздуха, механическими примесями, а также с материалом стенок резервуара. В процессе этих взаимодействий происходит частичное окисление нефтепродуктов с образованием смолоподобных веществ и ржавление стенок резервуара. Одновременно проникновение влаги и механических загрязнений в нефтепродукт ведет к формированию водно-масляных эмульсий и минеральных дисперсий. Поскольку каждый шлам образуется в результате воздействия специфической окружающей среды и в определенные временные рамки, одинаковых по составу и физико-химическим характеристикам шламов в природе не существует. По данным многочисленных исследований, в нефтяных шламах резервуарного типа соотношение нефтепродуктов, воды и механических примесей (песок, глина, ржавчина и т.д.) варьируется в широких пределах: углеводороды составляют от 5% до 90%, вода — от 1% до 52%, твердые примеси — от 0,8% до 65%. Вследствие таких значительных изменений состава, физико-химические характеристики нефтяных шламов также имеют широкий диапазон. Плотность шламов варьируется от 830 до 1700 кг/м³, температура застывания — от -30°C до +80°C, а температура вспышки находится в пределах от 35°C до 120°C [16].

2. Методы и материалы

Для получения органической части ключевым оспектом является состав исходного сырья. В связи с этим были проведены лабораторные эксперименты по определению физико-химических свойств исходного материала. В качестве сырья для извлечения органической части были выбраны образцы нефтяных шламов, привезенные с Бухарского нефтеперерабатывающего завода.

Определение количество содержания воды. Проведена серия опытов по определению количества воды по методу Дина и Старка. Эксперимент длился в течение 45 минут. Сконденсированный растворитель и вода непрерывно отделялись друг от друга в ловушке до прекращения увеличения объема воды, при этом вода остаётся в градуированном отсеке ловушки, а растворитель возвращается в дистилляционную емкость. Пробу тщательно перемешивали встряхиванием в склянке в течение 5 мин. Высоковязкие продукты предварительно нагревали до 40-50⁰ C. Из перемешанной пробы взяли навеску 100г в чистую сухую. Предварительно взвешенную стеклянную колбу затем в колбу переливали 100мл растворителя и содержимое перемешивали. Для равномерного кипения в колбу бросали несколько стеклянных капилляров или несколько кусочков пемзы или фарфора. Колбу при помощи шлифа присоединяли к отводной трубке приемника – ловушки, а к верхней части приемника – ловушки на шлифе присоединяли холодильник, приемник - ловушка и холодильник должны быть чистимы и сухими. Во избежание конденсации паров воды и воздуха верхний конец холодильника необходимо закрыть ватой. Содержимое колбы нагревали с помощью электрической плитки. Перегонку вели так, чтобы из трубки холодильника в приемник – ловушку падали 2-4 капли в секунд. Нагрев прекращали после того, как объем воды в приемнике – ловушке перестали увеличиваться и верхний слой растворителя стал совершенно прозрачным. После охлаждения испытуемого продукта до комнатной температуры прибор разбирали. Если количество воды в приемнике – ловушке не более 0,3 мл и растворитель мутный, то приемник помещают на 20-30 мин в горячую воду для осветления и снова охлаждают до комнатной температуры. После охлаждения определяли объем воды в приемнике – ловушке с точностью до одного верхнего деления [17].

Массовую долю воды V_вес , %, рассчитывали по формуле [18]:

,                                                                (1)

где  V – объем воды, собравшейся в приемнике – ловушке, мл; G – навеска нефтяного шлама, взятая для испытания, г.

В приемнике количество воды – ловушке 0,1 мл и меньше считается следами. Расхождения между двумя параллельными определениями содержания воды не должны превышать одного верхнего деления занимаемой водой части приемника – ловушки.

Определение содержания механических примесей. Механические примеси в составе нефтяного шлама негативно влияет на качество полученного продукта. Нами проведены серии опытов по определению содержания механических примесей в составе нефтяного шлама после разведения фракциями нефти при перемешивании в течение 30÷60 минут [19].

Массовую долю механических примесей, %, рассчитывали по формуле:

                                                                         (2)

где m₁ – масса стаканчика с фильтром после фильтрования, г; m₂ – масса стаканчика с чистым фильтром, г; m₃ – масса навески нефти.

Содержание механических примесей вычисляли как среднее арифметическое из результатов двух параллельных определений. Если механических примесей содержится не более 0,05%, то данный случай рассматривается как отсутствие механических примесей. В первую очередь, определяли исходное содержание механических примесей в составе нефтяного шлама. Бумажный фильтр был высушен, до постоянной массы при 105°C. Навеска нефтяного шлама была предварительно нагрета на водяной бане до 40°С, так как анализируемый нефтяной шлам был высоковязким. Далее навеску нефтяного шлама массой 2 г разбавили бензином массой 25 г. Горячий раствор навески был профильтрован через высушенный бумажный фильтр, помещенный в стеклянную воронку. После фильтрования фильтр был перенесен в бюкс, сушился в термостате в течении 1 часа. После сушки стакан был охлажден в эксикаторе в течение 30 минут [20].

Содержание массовой доли механических примесей в нефтяном шламе определяли экстрагированием шлама в аппарате Сокслета. В экстрактор Сокслета была установлена круглодонная колба, в которой находился экстрагирующий растворитель, и снабжался обратным холодильником. В центре аппарата находился резервуар, в который помещалась гильза, сделанная из бумаги и заполненная твёрдым образцом, из которого производилась экстракция. Растворитель нагревался до температуры кипения, испарялся и, проходя по боковому отводу, попадал в обратный холодильник, где конденсировался и стекал в гильзу. Пока гильза заполнялась растворителем, происходила экстракция целевого вещества в этот растворитель. Как только уровень жидкости в гильзе достигал верхнего уровня сифона, гильза опустошалась: раствор вещества сливался в исходную колбу, и цикл повторялся  снова. Таким образом, прибор позволяет производить многократную экстракцию за счет повторного использования относительно небольшого объема растворителя, при этом экстрагируемое вещество накапливается в основной колбе. Эффективность экстракции дополнительно увеличивается за счет того, что гильза находится непосредственно над колбой и нагревается парами кипящего растворителя [ГОСТу 6370-83].

Результаты и обсуждения

Результаты анализа показали, что массовое содержание механических примесей, воды и органических компонентов в образце составляет 25,6%, 38,2% и 36,2% соответственно. Наличие солей в составе нефтешламов вызывает серьезные осложнения при переработке, так как соли приводят к засорению оборудования, особенно в горячих устройствах. При испарении воды растворенные соли выделяются, и часть из них кристаллизуется, прилипая к поверхностям и образуя на них прочную корку.

Результаты компонентов исследуемых нефтяных шламов представлены на рисунке.

Нефтяной шлам представляет собой сложную многокомпонентную систему, содержащую большое количество воды (28,2%), механических примесей (25,6%) и органической части (46,2), что указывает на необходимость предварительной обработки органического компонента перед его извлечением.

Таким образом, для рационального использования нефтяного шлама необходимо разрабатывать технологии, которые позволят эффективно разделять воду, механические примеси и органическую фазу, минимизируя при этом потери углеводородов и вредное воздействие на окружающую среду.

Определение количества механических примесей и воды в нефтяном шламе очень важно для создания возможностей эффективного использования органической части шлама. Потому что этот процесс не только обеспечивает чистую и качественную переработку шлама, но и помогает оптимизировать его потребности в энергии и ресурсах. Таким образом, точное определение количества механических примесей и воды необходимо для максимального увеличения потенциала нефтяного шлама.

Заключение

Анализ нефтяных шламов показал, что в их составе много органических частиц.По результатам проведенных экспериментов установлено, что в составе нефтяного шлама содержится 28,2% воды и 25,6% механических примесей. Также было обнаружено, что шлам содержит 46,2% органической части. В условиях сокращения запасов нефтепродуктов процесс переработки очищенной органической части нефтешлама, включающий отделение воды и механических примесей, добавление в состав нефти и получение необходимых продуктов, приобретает особую актуальность. Такой подход позволяет не только повысить эффективность переработки нефти, но и оптимизировать использование ресурсов, минимизировать их потери. Кроме того, переработка органической части нефтешлама для получения новых нефтепродуктов играет значительную роль в сохранении существующих запасов и обеспечении энергетической безопасности. Учитывая ограниченность ресурсов и экологические вызовы, данный процесс становится одним из ключевых направлений для устойчивого развития нефтяной промышленности в будущем.

Список литературы:

1. Двоскин Г.И., Гришин А.А., Молчанова И.В. и другие Энергия из отходов // Экология и промышленность России. - 2000. - № 10. – C.15.
2. Пауков А.Н. Разработка технологии переработки нефтяных шламов, промышленных и бытовых отходов. дисc.канд.техн.наук. тюмень. 2010. 147 c.
3. Справочник современных природоохранных процессов/ Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1994, N10, C. 28.
4. Физико-химические основы технологии строительных материалов: Учебно-методическое пособие / Я.Н. Ковалев. - М.: НИЦ Инфра-М; Мн.: Нов. знание, 2012. - 285 c.
5. Шпербер Д.Р. Разработка ресурсосберегающих технологий переработки нефтешлама. Краснодар, 2014. C. 23-25.
6. Расветалов В.А., Брондз Б.И., Тяжкороб Л.А. Физико-химические свойства нефтешламов, активных илов и их смесей // В сборнике научных трудов: Разработки в области защиты окружающей среды. – М.: ЦЫИИТЭ – нефтехим, 1985, c.83-977.
7. Бибиков Г.Г., Бердин Ю.C., Немченко А.Г. Переработка и обезвреживание нефтешламов НПЗ и НХК // В сборнике научных трудов: Современное состояние и методы защиты окружающей среды на нефтеперерабатывающих и сланцеперерабатывающих производствах.- М.:ЦНИИТЭ нефтехим, 1984, c. 52.
8. Бердин Ю. С, Красненко А.Ф. Модернизация центрифуг для разделения нефтяных шламов/ ХТТМ, 1993, N4, c. 16.
9. Минтон Р.К. и др. Система очистки загрязненного нефтью шлама /Нефть, газ и нефтехимия за рубежом, 1992, N4, c.43-47.
10.  Аграноник Р.Я. Сгущение и обезвоживание осадков сточных вод на центрифугах. /Технология обработки осадков городских СВ. М, 1985, c.88-97.
11.  Тамбурано Ф. Удаление тяжёлых нефтяных остатков/ Нефтегазовые технологии, 1995, № 6, c.47-53.
12.  Новые технологии в решении проблем экологической безопасности на НПЗ США/ Экспресс информация, ЦНИИТЭнефтехим, М., 1994, c.34-45.
13.  Очистка отходов методом центрифугирования/ Экспресс информация, ЦНИИТЭ нефтехим, М., 1995, c.31-33.
14.  Левицкий О.Ю. Опытно-промышленная установка сжигания нефтешлама./ Нефтепереработка и нефтехимия, 1987, 7, c. 11-12.
15.  Розенталь Д.А., Корнилова Л.А. Химический состав гудронов смолистых нефтей // Нефтехимия. 1984. Т. 24. N 3. C. 319-325.
16.  Нурабаев Б.К. Исследование состава нефтешламов // Вестник КазНТУ им. К.И. Сатпаева. 2010. N 4 (80). C. 229-230.
17. . Imran Hafeez Performance Prediction of Hot Mix Asphalt from Asphalt Binders / Imran Hafeez, Mumtaz Ahmed Kamal, Muhammad Reza Ahadi, Qamar Shahzad, Nadia Bashir// Pak. J. Engg. & Appl. Sci. Vol. 11, July., 2012 - P. 104-113
18. . Хурмаматов А.М., Юсупова Н.К., Хаметов З.М. Битум ишлаб чиқариш жараёнлари гидродинамикасини ўрганиш натижалари// Научно-технический журнал ФерПИ-Фергана, 2021. №1. Том 24.спец.вып. –С. 184-188.
19. . Xurmamatov A.M., Yusupova N. K., Boymirzaev T. T. Intensification of the Bitumen Production Process // IJIAET. International Journal of Innovative Analyses and Emerging Technology. Indonesia. e-ISSN: 2792-4025 |  http://openaccessjournals.eu Volume: 1 Issue: 5. –P. 65-69.
20. . Edwards, Y. Effects of commercial waxes on asphalt concrete mixtures performance at low and medium temperatures / Y. Edwards, Y. Tasdemir, U. Isacsson // Cold Regions Sciense and Technology Volume 45, 2006. - P. 31-41.