Оптимизация систем очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов с целью использования воды для поддержания внутрипластового давления ОАО "Татнефть" им. В.Д. Шашина г. Альметьевск, республика Татарстан

Размещено на http://www.allbest.ru/

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра экологии и охраны окружающей среды

ДИПЛОМНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

на тему: "Оптимизация систем очистки сточных вод от нефти и нефтепродуктов с целью использования воды для поддержания внутрипластового давления ОАО "Татнефть" им. В.Д. Шашина г. Альметьевск, республика Татарстан"

Выполнила: Воронкова Елена Михайловна

2012

Содержание

Аннотация

Введение

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика нефтепромысловых сточных вод

1.2 Классификация методов очистки закачиваемых вод

1.3 Методы очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов

1.3.1 Механическая очистка

1.3.2 Физико-химическая очистка

2. Патентный поиск

3. Аналитическая часть

3.1 Структура водоносного района в зоне деятельности интенсивной нефтедобычи

3.2 Состав и физико-химические свойства пластовых и нефтепромысловых вод

3.3 Требования к качеству сточных вод, закачиваемых в нагнетательные скважины

3.4 Контроль за качеством подготовки воды

4. Инженерная часть

4.1 Обоснования по совершенствованию системы ППД

4.2 Разработка технологической схемы каскадной очистки воды для Южно-Ромашкинской площади

4.3 Подбор оборудования для каскадной очистки сточных вод

4.4 Расчет требуемого качества закачиваемых вод

5. Экономическая часть

5.1 Методика расчета экономической эффективности от внедрения новой техники и технологии

5.2 Расчет экономической эффективности от внедрения каскадной технологии очистки и закачки воды

6. Безопасность жизнедеятельности

Общие выводы

Список использованной литературы

Аннотация

Дипломный проект посвящен анализу существующей технологии каскадной очистки сточных вод и выработке предложений по ее усовершенствованию, повышению качества сточной воды для закачки в нагнетательные скважины в зоне питания родников.

Работа содержит 102 страницу, 8 таблиц, 17 рисунков, список использованной литературы из 54 источников.

В литературном обзоре рассмотрены существующие методы очистки нефтесодержащих сточных вод, применяемые на производстве.

В разделе тематического патентного поиска указаны наиболее значимые изобретения, которые могут быть использования при разработке новых способов очистки сточных вод.

В аналитической части дипломного проекта рассмотрены структура водоносного района, физико-химический состав пластовых сточных вод, требования и контроль за качеством нефтесодержащих сточных вод.

В инженерной части диплома подробно проанализирована существующая схема трехступенчатой каскадной очистки нефтесодержащих сточных вод, обеспечивающее высокое качество воды для закачки в пласт. Предложен аппарат "Коалесцент".

Экономическая эффективность предложения подтверждена расчетами. Срок окупаемости оборудования менее года.

В разделе посвященном безопасности жизнедеятельности рассмотрены различные опасные и вредные факторы появляющейся в процессе производственного цикла.

Дипломный проект представляет интерес с точки зрения проведенного анализа существующей каскадной технологии, соответствия требованиям нормативных документов по качеству подготовки сточной воды для закачки в продуктивные пласты, в том числе и в зоне питания родников Верхнеказанской свиты.

Annotation

Thesis is devoted to the analysis of existing technology cascade of wastewater treatment and the development of proposals on its improvement, improvement of quality of waste water for pumping into the injection wells in the zone of the power of the springs.

In the work of the used table 8, 17 figures, list of the used literature 54 contains sources. The total volume of the thesis is the 102 pages.

In the literary review includes analysis of the existing methods of cleaning of oily waste water used in the production.

In section thematic patent search are listed the most important inventions, which can be used in the development of new methods of treatment of wastewater.

In the analytical part of the thesis examined the structure of the water district, the physico-chemical composition formation of wastewater, requirements, and quality control of oil-containing waste water.

In the engineering part of the diploma analyzed in detail the current scheme of the three-stage cascade cleaning of oily waste water, providing high quality of water for injection into the reservoir. A new machine "Коалесцент".

The economic efficiency of proposals confirmed by the calculations. Payback period of the equipment for less than a year.

In the section dedicated to safety of life addressed a variety of hazardous and harmful factors appearing in the process of the production cycle.

Diploma work is of interest from the point of view of the analysis of the existing cascade technology, compliance with the requirements of normative documents on quality of preparation of water for injection into reservoirs, including in the zone of the power of the springs Верхнеказанской suites.

Введение

Возросшие за последние десятилетия темпы и масштабы воздействия производственной деятельности человека на окружающую среду выдвинули проблему охраны природы в число первоочередных. Особенно это актуально для старых нефтедобывающих районов, к которым относится и Татарстан, где воздействие на геологическую и окружающую среду существенно и многообразно.

Разработка нефтяных месторождений является сложным технологическим процессом, сопровождающимся техногенным воздействием на окружающую и геологическую среду. Наиболее чувствительны к этому воздействию поверхностные и подземные воды [1].

На протяжении многих лет изучение гидрогеологических условий на территории нефтедобывающих предприятий Татарстана проводилось по двум направлениям. Первое связано с поисками, разведкой и разработкой залежей нефти, второе - с выявлением условий формирования пресных подземных вод, подсчетом их ресурсов в связи с решением вопросов промышленного и бытового водоснабжения, а также с использованием подземных вод в качестве источников минеральных вод и гидроминерального сырья.

К этим двум направлениям в последние годы добавилось третье -оценка степени влияния техногенных факторов на изменение состава и качества подземных вод, особенно в зоне свободного водообмена, прогнозирование гидрогеологических обстановок перспективных на нефть горизонтов и площадей в зонах замедленного и весьма затрудненного водообмена. С появлением этого направления обозначился круг задач, которые можно было решить только на стыке двух наук - экологии и геологии или геоэкологии [2].

Среди первоочередных проблем, требующих решения, ставилась задача организации и проведения мониторинга различных водоносных комплексов на территории деятельности ОАО "Татнефть".

Хозяйственно-питьевое водоснабжение юго-востока Татарстана издавна базировалось на местных ресурсах подземных вод (родники, колодцы, скважины). В настоящее время доля подземных вод в общем балансе хозяйственно-питьевого водоснабжения населения увеличилась. Причем объем потребления подземных вод городским населением особенно на юго-востоке увеличился вдвое.

Пресные подземные воды для хозяйственно питьевого водоснабжения распространены в четвертичных аллювиальных отложениях речных и плиоценовых отложениях погребенных долин, в верхнеказанских и нижнеказанских горизонтах верхнепермских пород и частично в нижнепермских образованиях. Эти водоносные горизонты на отдельных участках характеризуются слабой естественной защищенностью.

Подземные воды глубоких горизонтов, очень разнообразных по величине минерализации и по составу растворенных солей. Это относится, прежде всего, к средней и нижней гидрохимическим зонам, представленными в основном сульфатными и хлоридными водами. При разработке нефтяных месторождений эти воды могут попасть в интервалы залегания пресных подземных вод как "сверху" (за счет утечек при нарушении герметичности наземных нефтепромысловых сооружений), так и "снизу" (за счет перетоков по затрубному пространству скважин при отсутствии цемента за колонной). В настоящее время межпластовые заколонные перетоки жидкости, по данным геологических служб ОАО "Татнефть", выявляются в среднем до 4-6 скважинах в год [3].

За контуром нефтеносности некоторых разрабатываемых залежей отмечаются повышенные пластовые давления (по сравнению с естественными), главным образом из-за наличия значительных оттоков жидкости вследствие непроизводительной закачки воды. Это создает предпосылки не только для загрязнения верхних водоносных горизонтов, содержащих пресные воды, но и для разрушения или смещения существующих залежей нефти.

Наиболее серьезная ситуация сложилась в местах интенсивной и продолжительной нефтедобычи, где размещено значительное число потенциальных источников загрязнения. Запасы пресных подземных вод здесь ограничены. Отсюда становится актуальной возрастающая роль подземных вод в экономическом развитии региона и необходимость их охраны и комплексного использования.

Целью моей дипломной работы было проведение анализа существующей технологии каскадной очистки сточных вод и выработка предложении по ее усовершенствованию.

Выражаю благодарность специалистам ТатНИПинефть, НГДУ "Лениногорскнефть" исполнительного аппарата ГК ОАО "Татнефть" и лично начальнику отдела по борьбе с коррозией и охраны природы ОАО "Татнефть" Р.М. Гарееву за предоставленные материалы [4].

1. Литературный обзор

1.1 Характеристика нефтепромысловых сточных вод

Нефтепромысловые сточные воды представляют собой разбавленные дисперсные системы плотностью 1040-1180 кг/м ³, дисперсионные среды которых - высокоминерализованные рассолы хлоркальциевого типа (хлорид натрия, хлорид кальция). Дисперсные фазы сточных вод - капельки нефти и твердые взвеси. При извлечении из недр продукции скважин пластовая вода, находящаяся в эмульгированном состоянии, практически не содержит каких-либо загрязнений: примеси не превышают 10-20 мг/л, но после расслоения эмульсии на нефть и воду содержание диспергированных частиц в отделяемой воде сильно растет:

ь нефти - до 4-5 г/л,

ь механических примесей - до 0,2 г/л [5].

Объясняется это тем, что в результате снижения межфазного натяжения на границе нефть-вода вследствие введения в систему реагента-деэмульгатора и турбулизации расслоенного потока интенсифицируется диспергирование нефти в воде, а также отмыв и пептизация различных шламовых отложений (продуктов коррозии, глинистых частиц) с внутренней поверхности трубопроводов. Кроме того, в аппаратах-водоотделителях накапливается промежуточный слой, состоящий из капель воды с не разрушенными бронирующими оболочками, агломератов твердых частиц, механических примесей, асфальтосмолистых веществ и высокоплавких парафинов, микрокристаллов солей и других загрязнителей. По мере накопления часть промежуточного слоя сбрасывается с водой, и значительное количество загрязняющих примесей переходит в водную среду. В результате смешения вод различного химического состава происходит нарушение сульфатного равновесия, что тоже приводит к увеличению твердого осадка [6].

Сточные воды содержат растворенные газы: кислород, сероводород, углекислый газ, которые интенсифицируют их коррозионную активность, что приводит к быстрому износу нефтепромыслового оборудования и трубопроводов и, следовательно, ко вторичному загрязнению сточных вод продуктами коррозии.

В сточных водах содержится закисное железо - до 0,2 г/л, окисление которого приводит к образованию осадка и углекислого газа. Нефтепромысловые сточные воды могут быть заражены сульфато-восстанавливающими бактериями, поступающими с ливневыми водами, способствующими выпадению осадков карбоната кальция и сульфида железа.

Наличие в сточной воде капелек нефти и механических примесей приводит к резкому снижению приемистости продуктивных и поглощающих пластов. Поэтому перед закачкой сточных вод в продуктивные или поглощающие пласты требуется их очистка. Основными качественными показателями вод, делающими возможным их применение, являются:

1) содержание взвешенных частиц: оценивается характеристикой заводняемого пласта и регламентируется величиной 40…50 мг/л и размером 5…10 мкм;

2) содержание кислорода - до 1,0 мг/л;

3) содержание железа - до 0,5 мг/л;

4) концентрация водородных ионов (рН) - 8,5…9,5;

5) содержание нефти - до 30 мг/л [7].

1.2 Классификация методов очистки закачиваемых вод

Ввиду относительной простоты разделения органической и водной фаз положение с очисткой сточных вод (СВ) в нефтяной промышленности можно признать достаточно благополучным. 90 % всех СВ утилизируют путем использования в системах заводнения выработанных и частично выработанных скважин. Благодаря этому обеспечивается замкнутый цикл водоснабжения, поддерживается чистота водоисточников, снижается объем потребления пресной воды и увеличивается нефтеотдача месторождений.

Однако и здесь не все так просто, как может показаться. Дело в том, что с возрастанием цен на нефть и нефтепродукты, увеличением дефицита пресной воды и возрастанием штрафов за сброс неочищенных стоков все более актуальными становятся разработка и внедрение методов глубокой очистки СВ от нефтепродуктов. Поэтому предприятия все чаще предпочитают выделять ценные составляющие нефтестоков, очищать СВ и сбрасывать их в водоемы, а заводнение выработанных пластов осуществлять за счет использования СВ соседних предприятий неорганического профиля [8].

Применяемые на отечественных и зарубежных промыслах методы очистки и получения чистых сточных вод в условиях дожимных насосных станциях (ДНС), на групповых установках и крупных товарных парках по уровню средств интенсификации процессов могут быть классифицированы в группы шести уровней.

Первый уровень - превентивные методы, направленные на сохранение естественной высокой чистоты капель воды в нефти (за счет исключения излишней турбулизации потока, возникновения промежуточных слоев и т.д.).

Второй уровень - очистка сточных вод в поле естественной или наведенной гравитации (отстаивание, гидроциклоны, центрифугирование).

Третий уровень - механическое разделение фильтрацией в пористых средах (фильтры).

Четвертый уровень - очистка сточных вод с использованием средств укрупнения и псевдоукрупнения капель (коалесцирующие фильтры, гидродинамические каплеобразователи, электрофлотация, флотация, электрокоагуляция, коагулянты).

Пятый уровень - очистка сточных вод абсорбцией загрязнений жидкостными фильтрами углеводородной или иной основы с использованием различных наполнителей (например, нефть, углеводородные слои, полиэтиленовые шарики) или без них.

Шестой уровень - очистка воды с использованием поверхностных эффектов, автофлотационных и микротурбофлотационных процессов [8].

Методы первого уровня заложены в основу варианта технологии совместной подготовки нефти и воды. В качестве обязательного условия реализации этой технологии предполагается исключение промежуточного слоя в технологических аппаратах, исключение интенсивного эмульгирования нефти в системе нефтегазосбора, поддержание определенного уровня удельных нагрузок на межфазную поверхность, раздельного сбора химически совместимых жидкостей.

Перечисление только основных требований, соблюдение которых необходимо для реализации технологии, свидетельствует сложности ее реализации в связи с необходимостью поддержания определенных параметров в длинной цепочке сборных коммуникаций и оборудования различного технологического назначения, эксплуатируемых различными цехами НГДУ.

Естественно, что стремиться к этому необходимо, но нужно иметь ввиду и тот факт, что хорошая технология - это такая технология, которая позволяет надежно, дешево и просто нейтрализовать в самой конечной точке процесса возможность многочисленных сбоев в предыдущей цепи и не накладывать ограничений на другие основные технологические процессы (сепарация, подготовка нефти и т.д.) [9].

В связи с вышеизложенным и отсутствием эффективных технологических приемов воздействия на саму воду это направление отнесено к первому уровню, но может быть весьма полезным в сочетании с другими.

Методы второго уровня. Очистка сточных вод отстаиванием хронологически появилась раньше методов первого уровня и хотя она более дорогостояща, но и более надежна. Повышение эффективности процесса отстаиванием достигается применением в них принципа тонкослойного отстаивания. Для этого рабочий объем аппаратов разделяют наклонными параллельными пластинами, объединенными в блоки. Это позволяет увеличить производительность аппаратов в 1,5-2 раза. Однако, остаточное содержание нефтепродуктов в сточной воде является высоким и колеблется от 70 до 100 мг/л.

Применение гидроциклонов также не решает проблемы глубокой очистки, так как остаточное содержание загрязнений в воде нередко достигает 100 мг/л. Применение мультигидроциклонов типа "Динаклин" и "Кребс" с трубками малого диаметра позволяет существенно повысить качество очищаемой воды. Но при этом имеются ограничения по содержанию нефти и механических примесей в воде на входе в аппараты. При наличии в воде загрязнений равной с ней плотности, аппараты вообще не эффективны [10].

Необходимость поддержания высокого напора очищаемой жидкости на входе в аппараты и потребность в электроэнергии не позволяют отнести его к энергосберегающим и делают это направление в сочетании с высокой стоимостью аппаратов только альтернативным. Это же относится к разработкам, предусматривающим применение для очистки воды тихоходных осадительных центрифуг.

Методы третьего уровня. Механическое разделение водной и загрязняющих фаз с помощью фильтров получило широкое распространение, особенно после внедрения скоростных фильтров и разработки технологии обратной их промывки. Вместе с тем, использование фильтрующих материалов песка и других наполнителей создало проблему их регенерации и утилизации обогащенного нефтью огромных объемов замазученного песка, стекловолокна и т.д. Это же относится и к быстродействующим фильтрам, разработанным в США на основе диатомовых земель, наносимых на пористую тканевую или металлическую основу и удаляемых с нее режущими элементами по мере их загрязнения [11].

Последние получили применение при очистке морской воды на платформах шельфовой зоны.

Высокая стоимость, металлоемкость и энергоемкость процесса, а также проблема регенерации или утилизации фильтрующего материала делает это направление эффективным только при необходимости осуществления тонкой очистки небольших объемов воды на II или III ступенях после удаления из воды основной массы загрязнений, а также при использовании губчатых фильтров, очищаемых периодическим отжатием.

Методы четвертого уровня. Предварительная коалесценция капель, увеличение размеров всплывающих частиц за счет внешних источников, изменение подъемной силы капель (загрязнений) значительно ускоряют процессы очистки сточных вод, что позволяет отнести эти методы (включая коалесцирующие фильтры, гидродинамические коалесценторы, электрокоагуляцию, флотацию, применение коагулянтов и т.д.) к более высокому уровню технологии очистки пластовых вод [12].

Технологические процессы четвертого уровня позволяют более быстро и надежно повышать качество очищенной воды, но требует в традиционном исполнении больших капиталовложений, применения сложной техники, затрат дефицитной электроэнергии.

Методы пятого уровня. Наиболее эффективным направлением очистки промысловых сточных вод, свободным от недостатков методов рассмотренных выше уровней, является применение комплекса технологических схем и процессов, связанных с предварительным сбросом чистых пластовых вод в условиях ДНС, сборных пунктов и УКПН с использованием гидродинамических эффектов и гидрофобных жидкостных фильтров, предусматривающих использование в качестве абсорбционной среды нефть (эмульсию). Направление разработано в ТатНИПИнефти и развивается в различных модификациях (резервуарные, трубчатые варианты, статические, динамические условия и т.д.) другими институтами, в частности, институтом СибНИИнефть и др. Основными достоинствами методов этой группы являются: высокая удельная производительность объектов, работоспособность в широком интервале содержания в очищаемой воде нефти и КВЧ (низкая чувствительность к высокой степени загрязнения сточной воды), эффективное решение проблемы регенерации абсорбирующего слоя, простота в обслуживании, низкие энергоемкость, капиталоемкость и металлоемкость [13].

К недостаткам технологии следует отнести: необходимость использования определенных объемов нефти или ее продуктов в качестве абсорбирующего слоя, трудность в обеспечении глубокой очистки воды (до 5-10 мг/л нефти и КВЧ) при необходимости их закачки в слабо проницаемые продуктивные горизонты.

Методы шестого уровня. Предусматривают использование для очистки пластовых вод изначально заложенные в ней возможности к самоочищению (автофлотация) за счет появления в загрязняющих воду каплях нефти газовых пузырьков из молекул изначально растворенного в них в пластовых условиях газа при сбросе давления в процессе сепарации; деформации капель нефти из шаровой в пленочную форму на чистой поверхности воды под действием молекулярных сил, что позволяет более легко удалить их из очищаемой воды (поверхностные эффекты); флотацию попутным нефтяным газом взвешенных в воде загрязнений; смешанные варианты, включая микротурбулентную флотацию в горизонтальной плоскости, позволяющую разделить общий поток на автономные слои, удлинить путь движения водогазовой эмульсии при турбулентном режиме, повысив тем самым эффективность извлечения загрязнений пузырьками газа, а также варианты одновременного проявления всех этих методов [14].

1.3 Методы очистки промышленных сточных вод от нефтепродуктов

Пластовые воды в процессе отделения от нефти смешиваются с пресными, с деэмульгаторами, а также с технологической водой установок по подготовке нефти. Именно эта вода, получившая название сточной, закачивается в пласт. Характерной особенностью сточной воды является содержание нефтепродуктов (до 100 г/л), углеводородных газов до 110 л/куб. м., взвешенных частиц - до 100 мг/л. Закачка в пласт такой воды не может проводиться без очистки до требуемых нормативов, которые устанавливаются по результатам опытной закачки. В настоящее время с целью сокращения потребления пресных вод и утилизации добываемых пластовых вод широко применяется использование для целей ППД сточных вод. Вода должна пройти предварительную очистку от мехпримесей (до 3- мг/л) и нефтепродуктов (до 25 мг/л).

Для очистки сточных вод от нефтепродуктов основное применение получили следующие методы:

Ш механические;

Ш физико-химические;

Из механических практическое значение имеют отстаивание, центрифугирование и фильтрование; из физико-механических - флотация, коагуляция и сорбция.

Из-за дороговизны и отсутствия обширного применения химические и биологические методы для очистки сточных ввод на объектах подготовки не применяются [15]. очистка нефтесодержащая сточная технология

1.3.1 Механическая очистка

Механическую очистку сточных вод от нефтепродуктов применяют преимущественно как предварительную. Механическая очистка обеспечивает удаление взвешенных веществ из бытовых сточных вод на 60-65 %, а из некоторых производственных сточных вод на 90-95 %. Задачи механической очистки заключаются в подготовке воды к физико-химической и биологической очисткам. Механическая очистка сточных вод является в известной степени самым дешевым методом их очистки, а поэтому всегда целесообразна наиболее глубокая очистка сточных вод механическими методами.

Механическую очистку как самостоятельный метод применяют тогда, когда осветленная вода после этого способа очистки может быть использована в технологических процессах производства или спущена в водоемы без нарушения их экологического состояния. Во всех других случаях механическая очистка служит первой ступенью очистки сточных вод.

Механическую очистку проводят для выделения из сточной воды находящихся в ней нерастворенных грубодисперсных примесей путем процеживания, отстаивания и фильтрования [16].

Для задержания крупных загрязнений и частично взвешенных веществ применяют процеживание воды через различные решетки и сита.

Для выделения из сточной воды взвешенных веществ, имеющих большую или меньшую плотность по отношению к плотности воды, используют отстаивание. При этом тяжелые частицы оседают, а легкие всплывают. Отстаивание является наиболее дешевым и наименее эффективным процессом очистки промышленных сточных вод от механических примесей. Отстаивание проводят в аппаратах, называемых отстойниками, или сгустителями (рис. 1.1) [17].

Рис. 1.1. Отстойники с наклонными перегородками (а); непрерывного действия с гребковой мешалкой

Сооружения, в которых при отстаивании сточных вод выпадают тяжелые частицы, называются песколовками. Сооружения, в которых при отстаивании загрязненных промышленных вод всплывают более легкие частицы, называются в зависимости от всплывающих веществ жироловками, маслоуловителями, нефтеловушками и другие [18].

Песколовки предназначены для выделения механических примесей с размером частиц 200-250 мкм. Необходимость предварительного выделения механических примесей (песка, окалины и др.) обуславливается тем, что при отсутствии песколовок эти примеси выделяются в других очистных сооружениях и тем самым усложняют эксплуатацию последних.

Принцип действия песколовки основан на изменении скорости движения твердых тяжелых частиц в потоке жидкости.

Песколовки делятся на горизонтальные, в которых жидкость движется в горизонтальном направлении, с прямолинейным или круговым движением воды, вертикальные, в которых жидкость движется вертикально вверх, и песколовки с винтовым (поступательно-вращательным) движением воды. Последние в зависимости от способа создания винтового движения разделяются на тангенциальные и аэрируемые.

Самые простейшие горизонтальные песколовки представляют собой резервуары с треугольным или трапецеидальным поперечным сечением. Глубина песколовок 0,25-1 м. Скорость движения воды в них не превышает 0,3 м/с. Песколовки с круговым движением воды изготавливаются в виде круглого резервуара конической формы с периферийным лотком для протекания сточной воды. Осадок собирается в коническом днище, откуда его направляют на переработку или отвал. Применяются при расходах до 7000 м ³/сут. Вертикальные песколовки имеют прямоугольную или круглую форму, в них сточные воды движутся с вертикальным восходящим потоком со скоростью 0,05 м/с [19].

Конструкцию песколовки выбирают в зависимости от количества сточных вод, концентрации взвешенных веществ. Наиболее часто используют горизонтальные песколовки. Из опыта работы нефтебаз следует, что горизонтальные песколовки необходимо очищать не реже одного раза в 2-3 суток. При очистке песколовок обычно применяют переносный или стационарный гидроэлеватор [20].

Отстаивание (рис. 1.2) - наиболее простой и часто применяемый способ выделения из сточных вод грубо дисперсных примесей, которые под действием гравитационной силы оседают на дне отстойника или всплывают на его поверхности.

Нефтетранспортные предприятия (нефтебазы, нефтеперекачивающие станции) оборудуют различными отстойниками для сбора и очистки воды от нефти и нефтепродуктов. Для этой цели обычно используют стандартные стальные или железобетонные резервуары, которые могут работать в режиме резервуара-накопителя, резервуара-отстойника или буферного резервуара в зависимости от технологической схемы очистки сточных вод [21].

Исходя из технологического процесса, загрязненные воды нефтебаз и нефтеперекачивающих станций неравномерно поступают на очистные сооружения.

Для более равномерной подачи загрязненных вод на очистные сооружения служат буферные резервуары, которые оборудуют водораспределительными и нефтесборными устройствами, трубами для подачи и выпуска сточной воды и нефти, уровнемером, дыхательной аппаратурой и т.д. Так как нефть в воде находится в трех состояниях (легко-, трудноотделимая и растворенная), то попав в буферный резервуар, легко- и частично трудноотделимая нефть всплывает на поверхность воды. В этих резервуарах отделяют до 90-95 % легко отделимых нефтей.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1.2. Отстойник (a): 1-корпус ОГ-200; 2-водовод; 3-водораспределительный коллектор; 4-нефтеотводной коллектор; 5-газоуравнительная линия; 6-гидрозатвор; 7-задвижка для опорожнения булита; а- фильтрующий слой нефти; б -очищенная вода; Нефтеловушки (нефтеуловители) типа ЭКО-Н (б)

Для этого в схему очистных сооружений устанавливают два и более буферных резервуара, которые работают периодически: заполнение, отстой, выкачка. Объем резервуара выбирают из расчета времени заполнения, выкачки и отстоя, причем время отстоя принимают от 6 до 24 ч. Таким образом, буферные резервуары (резервуары-отстойники) не только сглаживают неравномерность подачи сточных вод на очистные сооружения, но и значительно снижают концентрацию нефти в воде [22].

Перед откачкой отстоявшейся воды из резервуара сначала отводят всплывшую нефть и выпавший осадок, после чего откачивают осветленную воду. Для удаления осадка на дне резервуара устраивают дренаж из перфорированных труб.

Отличительная особенность динамических отстойников заключается в отделении примеси, находящейся в воде, при движении жидкости.

В динамических отстойниках или отстойниках непрерывного действия жидкость движется в горизонтальном или вертикальном направлении, отсюда и отстойники подразделяются на вертикальные и горизонтальные.

Вертикальный отстойник представляет собой цилиндрический или квадратный (в плане) резервуар с коническим днищем для удобства сбора и откачки осаждающегося осадка. Движение воды в вертикальном отстойнике происходит снизу-вверх (для осаждающихся частиц) [23].

Горизонтальный отстойник представляет собой прямоугольный резервуар (в плане) высотой 1,5-4 м, шириной 3-6 м и длиной до 48 м. Выпавший на дне осадок специальными скребками передвигают к приямку, а из него гидроэлеватором, насосами или другими приспособлениями удаляют из отстойника. Всплывшие примеси выводят с помощью скребков и поперечных лотков, установленных на определенном уровне. Некоторые типы нефтеловушек представлены на рис. 1.3.

В радиальных отстойниках круглой формы вода движется от центра к периферии или наоборот. Радиальные отстойники большой производительности, применяемые для очистки сточных вод, имеют диаметр до 100 м и глубину до 5 м.

Радиальные отстойники с центральным впуском сточной воды имеют повышенные скорости впуска, что обуславливает менее эффективное использование значительной части объема отстойника по отношению к радиальным отстойникам с периферийным впуском сточных вод и отбором очищенной воды в центре.

Чем больше высота отстойника, тем больше необходимо времени для всплытия частицы на поверхности воды. А это, в свою очередь, связано с увеличением длины отстойника. Следовательно, интенсифицировать процесс отстаивания в нефтеловушках обычных конструкций сложно. С увеличением размеров отстойников гидродинамические характеристики отстаивания ухудшаются [24].

Рис. 1.3. Типы нефтеловушек [10]:

а - Схема многоярусного отстойника нефтеловушки;

б - Схема многоярусного отстойника нефтеловушки с противоточным движением воды и выделенной нефти: 1 - гидроэлеватор для удаления осадка; 2 - заглубленный трубопровод для подачи загрязненной жидкости; 3 - параллельные пластины; 4 - скребковый транспортер; 5 - насадки; 6 - лоток для приема очищенной жидкости; 7 - шарнирное соединение; 8 - нефтесборная труба; 9 - перегородка;

в - Схема многоярусного отстойника нефтеловушки: 1 - патрубок ввода сточной воды; 2, 8, 10 - перегородки; 3 - пластина; 4 - штуцер для выпуска воздуха; 5 - предохранительный клапан; 6 - нефтесборник; 7 - штуцер для выпуска уловленных нефтепродуктов; 9 - штуцер вакуум-клапана; 11 - штуцер для вывода осветленной воды; 12 - труба для смыва осадка; 13 - штуцер для вывода шлама

Чем тоньше слой жидкости, тем процесс всплытия (оседания) происходит быстрее при прочих равных условиях. Это положение привело к созданию тонкослойных отстойников, которые по конструкции можно разделить на трубчатые и пластинчатые.

Рабочий элемент трубчатого отстойника - труба диаметром 2,5-5 см и длиной около 1 м. Длина зависит от характеристики загрязнения и гидродинамических параметров потока. Применяют трубчатые отстойники с малым 10⁰ и большим до 60⁰ наклоном труб.

Отстойники с малым наклоном трубы работают по периодическому циклу: осветление воды и промывка трубок. Эти отстойники целесообразно применять для осветления сточных вод с небольшим количеством механических примесей. Эффективность осветления составляет 80-85 % [25].

В круто наклонных трубчатых отстойниках расположение трубок приводит к сползанию осадка вниз по трубкам, и в связи с этим отпадает необходимость их промывки.

Продолжительность работы отстойников практически не зависит от диаметра трубок, но возрастает с увеличением их длины.

Стандартные трубчатые блоки изготовляют из поливинилового или полистирольного пластика. Обычно применяют блоки длиной около 3 м, шириной 0,75 м и высотой 0,5 м. Размер трубчатого элемента в поперечном сечении составляет 5х 5 см. Конструкции этих блоков позволяют монтировать из них секции на любую производительность; секции или отдельные блоки легко можно устанавливать в вертикальных или горизонтальных отстойниках [11].

Пластинчатые отстойники состоят из ряда параллельно установленных пластин, между которыми движется жидкость. В зависимости от направления движения воды и выпавшего (всплывшего) осадка, отстойники делятся на прямоточные, в которых направления движения воды и осадка совпадают; противоточные, в которых вода и осадок движутся навстречу друг другу; перекрестные, в которых вода движется перпендикулярно к направлению движения осадка. Наиболее широкое распространение получили пластинчатые противоточные отстойники.

Достоинства трубчатых и пластинчатых отстойников - их экономичность вследствие небольшого строительного объема, возможность применения пластмасс, которые легче металла и не корродируют в агрессивных средах [26].

Общий недостаток тонкослойных отстойников - необходимость создания емкости для предварительного отделения легко отделимых нефтяных частиц и больших сгустков нефти, окалины, песка и др. Сгустки имеют нулевую плавучесть, их диаметр может достигать 10-15 см при глубине в несколько сантиметров. Такие сгустки очень быстро выводят из строя тонкослойные отстойники. Если часть пластин или труб будет забита подобными сгустками, то в остальных повысится расход жидкости. Такое положение приведет к ухудшению работы отстойника [27].

Осаждение взвешенных частиц под действием центробежной силы проводят в гидроциклонах и центрифугах.

Для очистки сточных вод используют напорные и открытые (безнапорные) гидроциклоны рис. 1.3.

При вращении жидкости в гидроциклонах на частицы действуют центробежные силы, отбрасывающие тяжелые частицы к периферии потока, силы сопротивления движущегося потока, гравитационные силы и силы инерции. Силы инерции незначительны и ими можно пренебречь. При высоких скоростях вращения центробежные силы значительно больше сил тяжести [28].

Рис. 1.4. Гидроциклонная установка фирмы "Серк-Бейкер" [13]

В напорные гидроциклоны вода подается через тангенциально направленный патрубок в цилиндрическую часть. В гидроциклоне вода, двигаясь по винтовой спирали наружной стенки аппарата, направляется в коническую его часть. Здесь основной поток изменяет направление движения и перемещается к центральной части аппарата. Поток осветленной воды в центральной части аппарата по трубе выводится из гидроциклона, а тяжелые примеси вдоль конической части перемещаются вниз и выводятся через патрубок шлама.

Промышленность выпускает напорные гидроциклоны нескольких типоразмеров. Для грубой очистки применяют гидроциклоны больших диаметров. Эффективность гидроциклонов находится на уровне 70 %.

Гидроциклоны малого диаметра объединяют в общий агрегат, в котором они работают параллельно.

Одним из технических приспособлений для сбора нефтяной пленки с поверхности воды является безнапорный гидроциклон [29].

Если в предыдущих конструкциях для вращения жидкости в гидроциклоне применяли подачу воды в гидроциклон по патрубку, расположенному по касательной в цилиндрической части, то в данном случае проводят отсос воды из гидроциклона по патрубку, расположенному по касательной внизу конической части гидроциклона. Такое расположение патрубка дает возможность образовывать внутри гидроциклона вращение жидкости, причем поступление воды из водоема происходит в верхней части гидроциклона.

Собранная с поверхности воды пленка нефтепродуктов, попадая в гидроциклон как более легкая, собирается в центре гидроциклона. По мере увеличения количества нефтепродуктов в гидроциклоне внутри него образуется конус из нефтепродуктов, который, увеличиваясь в размере, достигает нефтяного отборного патрубка, расположенного в центре гидроциклона. Нефтепродукты по этому патрубку сбрасываются в специальные емкости на берегу водоема.

Для удаления осадков из сточных вод могут быть использованы фильтрующие или отстойные центрифуги [30].

Рис.1.5. Отстойная центрифуга с нижней выгрузкой осадка [14]

Центробежное фильтрование достигается вращением суспензии в перфорированном барабане, обтянутом сеткой или фильтровальной тканью.

Осадок остается на стенках барабана. Его удаляют вручную или ножевым съемом. Такое фильтрование наиболее эффективно, когда надо получать продукт наименьшей влажностью и требуется промывка осадка.

Центрифуги могут быть периодического или непрерывного действия; горизонтальными, вертикальными или наклонными; различаются по расположению вала в пространстве; по способу выгрузки осадка из ротора (с ручной, с ножевой, поршневой или центробежной выгрузкой). Они могут быть в герметизированном и негерметизированном исполнении [30].

Фильтрование применяют для задержания более мелких частиц. В фильтрах для этих целей используют фильтровальные материалы в виде тканей (сеток), слоя зернистого материала или химических материалов, имеющих определенную пористость. При прохождении сточных вод через фильтрующий материал на его поверхности или в поровом пространстве задерживается выделенная из сточной воды взвесь.

Метод фильтрования приобретает все большее значение в связи с повышением требований к качеству очищенной воды. Фильтрование применяют после очистки сточных вод в отстойниках или после биологической очистки.

Процесс основан на прилипании грубодисперсных частиц нефти и нефтепродуктов к поверхности фильтрующего материала. Фильтры по виду фильтрующей среды делятся на тканевые или сетчатые, каркасные или намывные, зернистые или мембранные.

Фильтрование через различные сетки и ткани обычно применяют для удаления грубо дисперсных частиц. Более глубокую очистку нефтесодержащей воды можно осуществлять на каркасных фильтрах. Пленочные фильтры очищают воду на молекулярном уровне.

Микрофильтры представляют собой фильтровальные аппараты, в качестве фильтрующего элемента использующие металлические сетки, ткани и полимерные материалы. Микрофильтры обычно выпускают в виде вращающихся барабанов [15], на которых неподвижно закреплены или прижаты к барабану фильтрующие материалы. Барабаны выпускают диаметром 1,5-3 м и устанавливают горизонтально. Очищаемая вода поступает внутрь барабана и фильтруется через фильтр наружу. Микрофильтры широко используют для осветления природных вод.

В промышленности применяют микрофильтры различных конструкций. Процесс фильтрации происходит только за счет разности уровней воды внутри и снаружи барабана. Полотно сетки не закреплено, а лишь охватывает барабан в виде бесконечной ленты, натягиваемой с помощью натяжных роликов.

Микросетки изготовляют из различных материалов: капрона, латуни, никеля, нержавеющей стали, фосфористой бронзы, нейлона и др. [31].

Фильтровальные процессы на каркасных фильтрах можно разделить на три большие группы:

Ш фильтрование через пористые зернистые материалы, обладающие адгезионными свойствами (кварцевый песок, керамзит, антрацит, пенополистирол, котельные и металлургические шлаки и др.);

Ш фильтрование через волокнистые и эластичные материалы, обладающие сорбционными свойствами и высокой нефтеемкостью (нетканые синтетические материалы, пенополиуретан и др.);

Ш фильтрование через пористые зернистые и волокнистые материалы для укрупнения эмульгированных частиц нефтепродуктов (коалесцирующие фильтры (рис. 1.5)).

Рис. 1.6. Гидрофобно-коалесцирующий фильтр для очистки нефтесодержащих вод: 1 - цилиндрический корпус; 2 - крышки, 3 - патрубок подвода сточной воды; 4 - отвода очищенной воды, 5 - патрубок отвода нефти; 6 - осадка; 7 - верхняя горизонтальная перегородка; - нижняя горизонтальная перегородка; 9 - верхняя камера; 10 - средняя камера 11 -гидроциклоны; 12 - нижняя камера; 13 - распределительная система; 14 - гранулы полистирола; 15 - гранулами фторопласта 15 [16]

Два первых метода близки по основным технологическим принципам, лежащим в основе процесса изъятия нефтепродуктов из воды, и отличаются нефтеемкостью, регенерацией фильтрующей загрузки и конструктивным оформлением. По мере насыщения загрузки нефтепродуктами их фронт перемещается вглубь слоя к его нижней границе, и концентрация нефтепродуктов в фильтрате возрастает. При этом фильтр отключается и производится регенерация загрузочного материала. Имеются конструкции фильтров с непрерывной регенерацией загрузки.

Третий метод принципиально отличается от рассмотренных. Период фильтроцикла, характерный для первых двух методов, завершает этап "зарядки" коалесцирующего фильтра. После этого пленка нефтепродуктов отрывается от поверхности фильтрующего слоя в виде капель с диаметром несколько миллиметров. Капли быстро всплывают и легко отделяются от воды.

До недавнего времени в основном применяли каркасные фильтры с засыпкой из пористых материалов.

В качестве фильтрующего материала используют гравий, песок, дробленый антрацит, кварц, мрамор, керамическую крошку, хворост, древесный уголь, синтетические и полимерные материалы.

Фильтры разделяются по скорости движения воды в них на фильтры с постоянной и переменной скоростью.

При переменной скорости фильтрования (постоянной разности давления до и после фильтра) по мере увеличения объема фильтрата, т.е. продолжительности фильтрования, скорость фильтрования уменьшается.

При постоянной скорости фильтрования разность давления до и после фильтра увеличивается.

В нефтяной и нефтехимической промышленности обычно применяют фильтры с зернистой загрузкой, которые по скорости фильтрования делятся на медленные, скорые и сверхскоростные. Зернистую загрузку размещают в определенном порядке и во избежание выноса ее из фильтра применяют специальные дренажные системы и поддерживающие слои.

Для очистки нефтесодержащих сточных вод разработана новая технология с использованием эластичных полимерных материалов, в частности, эластичного пенополиуретана. Этот материал имеет открыто ячеистую структуру со средним размером пор 0,8-1,2 мм и кажущуюся плотность 25-60 кг/м³. Эластичный пенополиуретан характеризуется высокой пористостью, механической прочностью, химической стойкостью, гидрофобными свойствами, что обеспечивает значительную поглощающую способность по нефтепродуктам.

Технология работы фильтров следующая. Сточная вода по трубопроводу поступает в емкость фильтра, заполненную измельченным пенополиуретаном размером 15-20 мм. Пройдя через слой загрузки, сточные воды освобождаются от нефтепродуктов и механических примесей и через сетчатое днище отводятся по трубопроводу из установки. В процессе фильтрования загрузка насыщается нефтепродуктами и периодически цепным ковшовым элеватором подается на отжимные барабаны для регенерации. Регенерированная загрузка вновь поступает в емкость фильтра, а отжатые загрязнения по сборному желобу отводятся в разделочную емкость.

Такие фильтры целесообразно применять после предварительной очистки стоков в песколовках и нефтеловушках. Очищенную воду можно использовать в техническом водоснабжении промышленных предприятий.

Общим недостатком всех рассмотренных фильтров (кроме пенополиуретановых) является то, что в результате их регенерации образуются высокоэмульгированные и весьма стойкие эмульсии, существенно затрудняющие утилизацию выделенных нефтепродуктов [17].

Кроме вышеупомянутых фильтров, существуют и другие типы:

Ш открытые - отфильтрованная вода, должна быть прозрачной, а концентрация нефтепродуктов в ней не должна превышать 10-15 мг/л;

Ш с плавающей загрузкой - в связи с высокой адгезионной способностью по отношению к нефтепродуктам их применяют и для разделения водонефтяных эмульсий;

Ш коалесцирующие - укрупнение мелких эмульгированных капель нефтепродуктов в более крупные [17].

1.3.2 Физико-химическая очистка

К физико-химическим методам очистки сточных вод от нефтепродуктов относят коагуляцию, флотацию и сорбцию.

Коагуляция - это процесс укрупнения дисперсных частиц в результате их взаимодействия и объединения в агрегаты. В очистке вод ее применяют для ускорения процесса осаждения тонкодисперсных примесей и эмульгированных веществ. Коагуляция наиболее эффективна для удаления из воды коллоидно-дисперсных частиц, то есть частиц размером 1-100 мкм. Коагуляция может происходить самопроизвольно или под влиянием химических и физических процессов.

Рис. 1.7. Аппараты для коагуляции [18]

В процессах очистки сточных вод коагуляция происходит под влиянием добавляемых к ним специальных веществ - коагулянтов. Коагулянты в воде образуют хлопья гидроксидов металлов, которые быстро оседают под действием силы тяжести. Хлопья обладают способностью улавливать коллоидные и взвешенные частицы и агрегировать их.

Так как коллоидные частицы имеют слабый отрицательный заряд, а хлопья коагулянтов слабый положительный заряд, то между ними возникает взаимное притяжение [18].

Флотация является сложным физико-химическим процессом, заключающимся в создании комплекса частица-пузырек воздуха или газа, всплывании этого комплекса и удалении образовавшегося пенного слоя. Процесс флотации широко применяют при обогащении полезных ископаемых, а также при очистке сточных вод [19].

Рис. 1.8. Установка флотационной очистки сточных нефтепромысловых вод -УФО 3/1 БН

В зависимости от способа получения пузырьков в воде существуют следующие способы флотационной очистки:

Ш флотация пузырьками, образующимися путем механического дробления воздуха (механическими турбинами-импеллерами, форсунками, с помощью пористых пластин и каскадными методами);

Ш флотация пузырьками, образующимися из пересыщенных растворов воздуха в воде (вакуумная, напорная).

Процесс образования комплекса пузырек - частица происходит в три стадии: сближение пузырька воздуха и частицы в жидкой фазе, контакт пузырька с частицей и прилипание пузырька к частице.

Прочность соединения пузырек - частица зависит от размеров пузырька и частицы, физико-химических свойств пузырька, частицы и жидкости, гидродинамических условий и других факторов. Процесс очистки стоков при флотации заключается в следующем: поток жидкости и поток воздуха (мелких пузырьков) в большинстве случаев движутся в одном направлении. Взвешенные частицы загрязнений находятся во всем объеме сточной воды и при совместном движении с пузырьками воздуха происходит агрегирование частицы с воздухом. Если пузырьки воздуха значительных размеров, то скорости воздушного пузырька и загрязненной частицы различаются так сильно, что частицы не могут закрепиться на поверхности воздушного пузырька. Кроме того, большие воздушные пузырьки при быстром движении сильно перемешивают воду, вызывая разъединение уже соединенных воздушных пузырьков и загрязненных частиц. Поэтому для нормальной работы флотатора во флотационную камеру не допускаются пузырьки более определенного размера [26].

Вакуумная флотация основана на понижении давления ниже атмосферного в камере флотатора. При этом происходит выделение воздуха, растворенного в воде. При таком процессе флотации образование пузырьков воздуха происходит в спокойной среде, в результате чего улучшается агрегирование комплексов частица-пузырек и не нарушается их целостность вплоть до достижения ими поверхности жидкости.

Напорная Флотация выполняется в две стадии: насыщение воды воздухом под давлением; выделение пузырьков воздуха соответствующего диаметра и всплытие взвешенных и эмульгированных частиц примесей вместе с пузырьками воздуха. Если флотация проводится без добавления реагентов, то такая флотация относится к физическим способам очистки сточных вод.

Флотаторы импеллерного типа применяют для очистки сточных вод нефтяных предприятий от нефти, нефтепродуктов и жиров. Их также можно использовать для очистки сточных вод других предприятий. Данный способ очистки в промышленности применяют редко из-за его небольшой эффективности, высокой турбулентности потоков во флотационной камере, приводящей к разрушению хлопьевидных частиц, и необходимости применять поверхностно-активные вещества [20].

Для получения пузырьков воздуха небольших размеров используют пористые материалы, которые должны иметь достаточное расстояние между отверстиями, чтобы не допустить срастания пузырьков воздуха над поверхностью материала. На размер пузырька большое влияние оказывает скорость истечения воздуха из отверстия. Для получения микропузырьков необходима относительно небольшая скорость истечения [20].

При электрофлотации в сточной жидкости при пропускании постоянного электрического тока образуются пузырьки водорода, выделяющиеся на катоде. Электрический ток, изменяет химический состав жидкости, свойства и состояние нерастворимых примесей. В одних случаях эти изменения положительно влияют на процесс очистки стоков, в других - ими надо управлять, чтобы получить максимальный эффект очистки.

В общем, достоинствами флотации являются непрерывность процесса, широкий диапазон применения, небольшие капитальные и эксплуатационные затраты, простая аппаратура, селективность выделения примесей, по сравнению с отстаиванием большая скорость процесса, а также возможность получения шлама более низкой влажности (90-95 %), высокая степень очистки (95-98 %), возможность рекуперации удаляемых веществ [21].

Среди физико-химических методов очистки сточных вод от нефтепродуктов лучший эффект дает сорбция на углях.

...