Изучение влияния различных факторов на эффективность очистки нефтешлама от механических примесей

Механические примеси в основном состоят из песка, глины, мельчайших частиц железа и минеральных солей. В готовых очищенных нефтепродуктах механическими примесями могут быть частицы адсорбента (белая глина), железной окалины, минеральных солей и других веществ. Светлые маловязкие нефтепродукты почти не содержат механических примесей вследствие их быстрого оседания. Твердые механические примеси (песок и др.) в смазочных маслах очень вредны, так как царапают и истирают трущиеся поверхности машин и оборудования, вследствие чего остро стоит проблема очистки нефтепродуктов от механических примесей. Существует ряд технологий по очистке нефтепродуктов. Нами был рассмотрен способ очистки, при котором нефтепродукт смешивали с различными разбавителями, которые позволяют уменьшить содержание механических примесей в составе нефтешлама.

Исходя из вышеизложенного, нами собрана экспериментальная гидроциклонная установка для очистки нефтешламов от механических примесей, имеющая производительность по сырью 25,2 л/мин. Геометрические размеры лабораторного гидроциклона следующие: диаметр цилиндрической части D = 100 мм, высота конической части Н = 200 мм, высота цилиндрической части h₁ = 100 мм, диаметр входного (питающего) патрубка для суспензии d₁ = 15 мм и диаметр патрубка для слива (выхода) очищенного сырья d₂, d₃ = 20 мм.

Расход через питающее отверстие определяли по формуле

                                                                   (1)

где ₁ – коэффициент расхода через питающий патрубок аппарата; d_в – диаметр верхнего (сливного) отверстия, м; g – ускорение свободного падения, равное 9,81 м/с²; Р_вх – давление аппарата, Па; _с – плотность разделяемой смеси кг/м³.

Расход выходящих материальных потоков рассчитывали по аналогичным зависимостям:

– расход сливного потока

                                                                           (2)

– расход сливного потока

                                                                                           (3)

где _в и _н – коэффициенты расхода соответственно через верхнее и нижнее отверстия аппарата; d_в – диаметр верхнего (сливного) отверстия, м²; d_н – диаметр нижнего (шламового) отверстия, м; Р_вх – давление аппарата, Па; _с – плотность разделяемой смеси кг/м³.

Суммарная производительность по балансовому соотношению записывали уравнением:

                                                            (4)

где Q – производительность аппарата, м³/с.

Скорость потока определяли как:

,                                                                            (5)

где Q – производительность аппарата, м³/с; S – поверхность трубопровода, м².

Массовую долю механических примесей, %, рассчитывали по формуле:

М= [(m₁ - m₂)/m₃] • 100,                                                                 (6)

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

Содержание механических примесей вычисляли как среднее арифметическое из результатов двух параллельных определений. Если механических примесей содержится не более 0,005%, то данный случай рассматривается как отсутствие механических примесей.

В первую очередь определяли исходное содержание механических примесей в составе нефтешлама без добавления разбавителя. Для этого была использована методика (ГОСТ 6370-83), согласно которой бумажный фильтр был высушен до постоянной массы при 105^оС. Навеска нефтяного шлама была предварительно нагрета на водяной бане до 40^оС, так как анализируемый нефтяной шлам высоковязкий. 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 течение 1 часа, после чего был перенесен в эксикатор для доведения до постоянной массы и взвешен, масса стаканчика с фильтром после фильтрования составила 19,6400 г. Перед фильтрованием закрытый стаканчик с фильтром сушился в термостате в течение 1 часа. После сушки стакан был охлажден в эксикаторе в течение 30 мин., затем взвешен на аналитических весах, масса стаканчика с чистым фильтром составила 19,5498 г [1].

После этого была рассчитана массовая доля механических примесей в шламе:

М = [(19,6400-19,5498)/2]·100 = 4,5%

Массовая доля углеводородов нефти

М₁=100-38-4,51=57,5%

Содержание воды в нефтешламе – 38 %.

Из проведенных расчетов следует, что анализируемый нефтяной шлам содержит большое количество механических примесей.

Затем мы определяли содержание массовой доли механических примесей в нефтешламе экстрагированием в аппарате Сокслета.

Экстрактор Сокслета был установлен на круглодонную колбу, в которой находился экстрагирующий растворитель, и снабжался обратным холодильником. В центре аппарата находится резервуар, в который помещается гильза, сделанная из бумаги и заполненная твердым 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 [3].

Эффективность экстракции дополнительно увеличивается за счет того, что гильза находится непосредственно над колбой и нагревается парами кипящего растворителя.

Навеску нефтешлама и фильтр высушивали в течение 1 часа в сушильном шкафу при температуре 105^оС. Выдерживали в эксикаторе в течение 30 минут для доведения до постоянной массы. В капсулу помещали взвешенный на аналитических весах фильтр с 1 г нефтешлама.

Экстракцию заканчивали после того, как фильтр становился совершенно чистым, а промывные воды – прозрачными.

Результаты экспериментальных исследований по определению содержания механических примесей в составе нефтешлама и промывке нефтешлама с реформатом приведены в табл. 1. 

Таблица 1.

Результаты промывки нефтешлама с реформатом

Примечание: содержание механических примесей составило 7,2%

Для уменьшения содержания механических примесей нефтешлам перемешивали с разбавителями (реформат, легкая и тяжелая нафта), используя соотношение «разбавитель – 30% и нефтешлам – 70%», в течение 30÷60 мин. при температуре 60ºС. Затем с помощью насоса подавали в гидроциклон для очистки разбавленного шлама от механических примесей. При проведении опытов по определению оптимальной скорости потока нефтешлама внутри гидроциклона она варьировалась в пределах 10÷20 м/с. Результаты экспериментальных исследований по очистке нефтешлама от механических примесей в гидроциклоне приведены в табл. 2.

Таблица 2.

Результаты по очистке нефтешлама от механических примесей при скорости потока 20 м/с внутри гидроциклона.
(Содержание механических примесей в исходном сырье 7,2%)

Из табл. 1 видно, что при очистке нефтешлама, разбавленного 30%-ной легкой нафтой (время перемешивания в гидроциклоне составило 30 мин.), содержание механических примесей в составе нефтешлама уменьшается от 7,2% до 0,132%; с увеличением температуры до 60ºС этот показатель уменьшается до 0,12%; а с 30%-ным реформатом содержание механических примесей в составе нефтяного шлама заметно уменьшается, т. е. этот показатель достигает своего максимума 0,06%.

Таким образом, на основании проведенных экспериментальных исследований по определению самого подходящего углеводородного сырья для разбавления нефтешлама и изучения содержания в нем механических примесей до и после очистки в гидроциклоне нами определены оптимальные режимные параметры: скорость потока нефтешлама в гидроциклоне – 20 м/с, соотношение разбавителя – 30% реформата и 70% нефтешлама, время перемешивания – 30 мин., при этом содержание механических примесей после очистки в гидроциклоне составило 0,06%.