CC BY
84
Ар. М. Гарифуллин, Ам. М. Гарифуллин, М. В. Клыков, Б. С. Жирнов
Механическое и химическое воздействие на перегрев нефтешлама при испарении воды
Филиал Уфимского государственного нефтяного технического университета в г. Салавате
453262 РБ г. Салават ул. Губкина 22а/67
Термическая обработка является одним из наиболее часто применяемых способов обезвоживания нефтешламов. В данной работе рассмотрен перегрев нефтешлама при испарении воды. Исследовано влияние ультразвука и химического воздействия на снижение температуры перегрева. Выявлено восстановление со временем физических свойств нефтешлама после предварительной их обработки ультразвуковым полем.
Ключевые слова: нефтешлам, водонефтяная эмульсия, сольватная оболочка.
Длительное хранение нефтешламов в шла-мохранилищах приводит к образованию стойких водонефтяных эмульсий, представляющие собой дисперсные системы сложного состава. Устойчивость обводненных нефтешламов обусловлена наличием поверхностно-активных веществ — как поступивших с исходным продуктом, так и образовавшихся в результате хранения нефтешлама. Эти вещества, адсорбируясь на границе раздела фаз, образуют на каплях дисперсной фазы адсорбционные оболочки, препятствующие коалесценции.
Процессы обезвоживания стойких водонефтяных эмульсий предполагают разрушение бронирующих оболочек капель диспергированной воды. При обычной температуре эти слои создают прочную структурную оболочку, которая препятствует слиянию капель. При повышении температуры вязкость веществ, составляющих защитные оболочки, значительно уменьшается. Это приводит
к снижению прочности таких оболочек, что облегчает слияние глобул воды 1 2.
Экспериментальная часть
Цель работы состояла в исследовании перегрева нефтешлама при испарении воды и влияние предварительного механического и химического воздействия на снижение температуры перегрева.
Исследованию подвергался поверхностный слой застарелого нефтешлама из шламох-ранилищ очистных сооружений ОАО «Салаватнефтеоргсинтез», основу которого составляют сбросы тяжелых фракций нефти не подлежащие дальнейшей переработке.
Содержание воды в исходном продукте определялось методом Дина-Старка 3. Начало кипения обезвоженного нефтешлама 170—180 оС.
Перегрев нефтешлама исследовали на лабораторной установке, представленной на рис. 1. Образец нефтешлама заливался в колбу 3, обогреваемую колбонагревателем 2. Интенсивность нагрева регулировалась с помощью ЛАТРа 1. Образующийся в холодильнике 4 конденсат измерялся мерным цилин-дром 5.
Во всех опытах использовался нефтешлам одного и того же состава. Исследовались образцы в исходном состоянии, образцы нагретые до температуры 60 оС с выдержкой 6 ч, а также образцы, обработанные ультразвуком в течение часа и образцы с введенными в исходный нефтешлам КОН и Ыа2С03. В процес-
Рис. 1. Схема лабораторной установки: 1 — ЛАТР; 2 — колбонагреватель; 3 — трехгорлая колба; 4 — холодильник; 5 — мерный цилиндр
Дата поступления 14.10.08
Объем испарившейся воды, %
Рис. 2. Перегрев нефтешлама при испарении воды: 1 — без предварительной обработки; 2 — подогрев в течение 5 ч при 60 °С; 3 — обработка ультразвуком; 4 — одни сутки после обработки ультразвуком; 5 —10 сут после обработки ультразвуком; содержание воды в исходном нефтешламе30% мас.
Объем испарившейся воды, %
Рис. 3. Перегрев нефтешлама с химической обработкой при испарении воды: 1 — без предварительной обработки; 2, 4 — добавка 0,1 г безводного Ма2СОз; 3 — добавка раствора 0,05 г Ма2СОз в 1,5 мл воды; 5 — добавка 0,1 г КОН; 1, 2 и 3—5 — содержание воды в исходном нефтешламе 30 и 12 % соответственно.
се опытов измерялась температура нагрева жидкого нефтешлама в колбе и температура паров воды над нефтешламом. Результаты опыта представлены на рис. 2 и З.
В процессе всех опытов температура паров воды над нефтешламом составляла около 1GG оС, с повышением ее на 2-3 оС в конце опыта. Температура перегрева жидкого нефте-шлама в колбе значительно превышает температуру пара над ним, причем на перегрев неф-тешлама влияют различные факторы. Этот перегрев не может быть вызван образованием в системе азеотропов, так как пар и жидкость не находятся в состоянии температурного равновесия. Таким образом, при нагреве нефтешла-ма происходит испарение воды.
Вода в нефтешламе находится в виде капель, окруженных сольватной оболочкой, состоящей из поверхностно-активных веществ, адсорбированных на поверхности раздела фаз. Обладая высокой структурной вязкостью, сольватная оболочка препятствует слиянию капель воды, повышая устойчивость системы.
На каплю воды в нефтешламе действует сумма давлений:
2а
P = P вн. + Рст.н. + —
где рвн. - внешнее давление на нефтешлам, Па; рстн. - давление столба нефтешлама, Па; а - поверхностное натяжение, Н/м;
R - радиус капли, м.
Вода в капле начинает кипеть при такой температуре, при которой давление ее насыщенных паров становится равным внешнему давлению, оказываемую на нее. Увеличение температуры повышает давление паров воды и приводит к вскипанию все более мелких капель.
Так, к примеру при температуре кипения 125 оС давление насыщенных паров, а соответственно и давление сольватной оболочки на каплю, составит G.2367 МПа, а при температуре 16g оС - G.63G3 МПа.
Испарение в образцах в исходном состоянии, и нагретых до температуры 60 оС с выдержкой б ч начинается при температуре 124 оС и происходит с дальнейшим перегревом нефте-шлама. По перегреву образцов можно судить о нецелесообразности использования только термического метода обезвоживания и предварительной выдержки в нагретом состоянии стойких водонефтяных эмульсий.
В ряде экспериментов (рис. 2) было рассмотрено влияние механического разрушения сольватной оболочки, воздействием на нефте-
шлам ультразвуковым полем. Для этого образец нефтешлама предварительно в течение получаса пропускали через кавитационный смеситель, в котором за счет частого резкого перепада давлений между зубьями ротора и статора возбуждается и распространяется ультразвуковое поле.
Результаты показали, что сразу после воздействия ультразвука не было значительных изменений. После выдержки нефтешлама в течение одних и более суток наблюдается резкое снижение перегрева при испарении воды от 30 до 50 % от ее первоначального содержания в нефтешламе.
Возможно, под воздействием ультразвука происходило диспергирование капель воды с частичным разрушением сольватных оболочек. За счет интенсивного перемешивания в ультразвуковом поле сформировалась гомогенизированная водонефтяная эмульсия с гораздо большей дисперсностью капель воды. Таким образом, перегрев сразу же после воздействия ультразвука связан с высоким давлением поверхностного натяжения измельченных капель воды.
Затем под воздействием теплового движения капли слились друг с другом, укрупнились и вследствие этого с течением времени температура кипения такого нефтешлама снизилась. По истечению более длительного времени наблюдается восстановление свойств нефтешлама, т.е. образуется достаточно прочная сольватная оболочка.
Были проведены ряд экспериментов по химическому воздействию на сольватную оболочку (рис. 3). Присутствие деэмульсаторов существенно влияет на снижение защитного действия сольватных оболочек на глобулах воды. Используемые в качестве деэмульсаторов щелочи и соли могут образовывать нерас-твори-мые осадки с солями эмульсии, снижать стабильность бронирующей оболочки или способствовать разрушению эмульгаторов бронирующей пленки. Результаты показали разрушение сольватной оболочки, но полностью ее разрушить не удается. Кроме того, применение щелочей и солей как деэмульсаторов невыгодно вследствие их высокой стоимости или коррозионной активности к металлу оборудования.
Литература
1. Тронов В. П. Промысловая подготовка нефти.-М.: Недра, 1977.- 271 с.
2. Позднышев Г. Н. Стабилизация и разрушение эмульсий.- М.: Недра, 1982.- 222 с.
3. Рыбак М.А. Анализ нефти и нефтепродуктов.-Л.: «Красный печатник», 1961.- 889 с.
4. Богословский С.В. Физические свойства газов и жидкостей: Уч. пособие. - СПб.: СПбГАУП., 2001.- 73 с.
