Mazlova_E.A._i_dr._Ochistka_stochnyh_vod_na_predpriyatiyah_neftegazovogo_kompleksa

федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Российский государственный университет нефти и газа (национальный исследовательский университет) имени И.М. Губкина»

Кафедра промышленной экологии

Мазлова Е.А., Гонопольский А.М.

ОЧИСТКА СТОЧНЫХ ВОД НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НЕФТЕГАЗОВОГО КОМПЛЕКСА

практикум

Рекомендовано кафедрой промышленной экологии РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина в качестве учебного пособия для студентов направления 18.04.02 Энерго- и ресурсосберегающий процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии.

Москва, РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина,

2021

УДК 628.3 ББК 38.761.2

М12

Мазлова Е.А. Очистка сточных вод на предприятиях нефтегазового комплекса

[Электронный ресурс]: практикум / Е.А. Мазлова, А.М. Гонопольский. – М.: РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2021. – 1,18 Мб – Электрон.дан. - 1 электрон.опт.диск (CD-ROM); 12 см. – Систем.требования: компьютер IBM-PC совместимый; монитор, видеокарта, поддерживающ. разреш.1024x768; привод CD-ROM; программа для чтения pdf-файлов. – Загл.с этикетки диска.

Рецензент: профессор департамента природно-технических систем и техносферной безопасности Политехнического института Дальневосточного федерального университета, д.т.н. Блиновская Я.Ю.

Приведены лабораторные работы очистки сточных вод от дисперсных и растворенных примесей химическими и физическими методами.

Учебное пособие предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению 18.04.02 Энерго- и ресурсосберегающий процессы в химической технологии, нефтехимии и биотехнологии, а также может быть полезно бакалаврам, магистрантам и аспирантам других специальностей.

Минимальные системные требования:

Тип компьютера, процессор, частота: IBM-PC совместимый

Видеосистема: монитор, видеокарта, поддерживающая разрешение1024x768 Дополнительное оборудование: привод CD-ROM

Дополнительное программное обеспечение: программа для чтения pdf-файлов.

© Е.А. Мазлова, А.М. Гонопольский, 2021

4

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №1 ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА

ПРОЦЕССЫ РЕАГЕНТНОЙ ЧИСТКИ МОДЕЛЬНЫХ СТОЧНЫХ ВОД

Цель работы. Определить рациональные режимные и технологические параметры реагентной очистки сточных вод с использованием ультразвукового воздействия.

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Процессы коагуляции и флокуляции

После проведения механической очистки сточных вод, для удаления эмульгированных нефтепродуктов, коллоидных частиц частично растворенных органических загрязнений с размерами частиц от 0,1 до 100 мкм используют физико-

химические методы. К физико-химическим методам относят: коагуляция-флокуляция,

флотация (электрофлотация), электрокоагуляция, гальванохимия, сорбция, экстракция,

электромагнитная сепарация и др.

Коагуляцией называется процесс укрупнения частиц коллоидной системы при их столкновениях в результате теплового движения, перемешивания или направленного перемещения во внешнем силовом поле. Методы коагуляции чаще всего применяют в процессах очистки сточных вод от коллоидных (0,001–0,1 мкм) и мелкодисперсных (0,1– 10 мкм) твердых и жидких (нефтепродукты, смолы) включений.

Как известно, при контакте коллоидно-дисперсных частиц с жидкостью, стремясь понизить поверхностную энергию, частицы ориентируются на поверхности раздела фаз особым образом, что контактирующие фазы приобретают заряды противоположного знака

(равной величины), что приводит к образованию двойного электрического слоя, где частицы. имеют отрицательный заряд. Для дестабилизации коллоидных частиц добавляют ионы, имеющие положительный заряд (коагулянты), и хлопья коагулянтов притягивают частицы образуя агрегаты, которые оседают в гравитационном поле.

Аппаратурное оформление для проведения процессов коагуляции и флокуляции включает реакторы-смесители или камеры хлопьеобразования имеющие различные конструкции, ёмкости для реагентов, оснащённые насосами-дозаторами и др.

Способность коагулянта-электролита вызывать коагуляцию коллоидной системы возрастает с увеличением степени окисления коагулирующего иона, обладающего зарядом, который противоположен по знаку заряду коллоидных частиц. Поэтому в качестве коагулянтов обычно используют соли металлов(III): алюминия, железа или их смеси.

5

Коагулирующее действие солей есть результат гидролиза, который проходит вслед за растворением. Процесс гидролиза коагулянтов и образования хлопьев гидроксидов происходит по следующим стадиям:

Ме3+ + HOH ←→ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ←→ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ←→ Me(OH)3 + H+

__________________________________

Ме3+ + 3HOH ←→ Me(OH)3 + 3H+

В действительности процесс гидролиза протекает значительно сложнее. Ион металла образует ряд промежуточных соединений в результате реакций с гидроксид-

ионами и полимеризации. Образующиеся соединения имеют положительный заряд и легко адсорбируются отрицательно заряженными коллоидными частицами.

В качестве коагулянтов используют сульфат алюминия Al2(SO4)3·18Н2О; алюминат натрия NaAlO2; гидроксохлорид алюминия Al2(OH)5Cl; квасцы алюмокалиевые

KAl(SO4)2·12Н2О и аммиачные NH4KAl(SO4)2·12Н2О, сульфаты железа Fe2(SO4)3·2Н2О,

Fe2(SO4)3·3Н2О и FeSO4·7Н2О, а также хлорное железо FeCl3 [2].

Образующиеся в процессе гидролиза кислоты должны быть нейтрализованы, иначе равновесие реакции будет сдвинуто влево. Для подщелачивания сточных вод обычно используют известь Са(ОН)2 или гидроксид натрия NaOH. Нейтрализация образующихся кислот может также протекать за счет щелочного резерва сточной жидкости.

Вцелях уменьшения расхода реагентов процесс коагуляции следует осуществлять

воптимальном диапазоне рН: для Al(OH)3– от 4,5 до 7; для Fe(OH)2– от 8,5 до 10,5, а для

Fe(OH)3– от 4 до 6 и от 8 до 10.

Для интенсификации процесса коагуляции используют процесс флокуляции, при котором частицы молекул флокулянта образуют мостики между агрегатами (хлопья-

частица), что проводит повышению скорости образования хлопьев (уменьшить продолжительность процесса коагуляции), увеличение скорости их осаждения, снижению дозы коагулянтов, и повысить скорость осаждения образующихся хлопьев.

Эффективность очистки сточных вод при флокуляции зависит от количественного и качественного состава стока, его температуры, интенсивности перемешивания, дозы флокулянта (обычно в пределах 0,1-10 мг/л) и др. Для оптимизации режимных и технологических параметров гетерокоагуляции используют различные физические методы (механические, температурные, акустические, электрические, магнитные и др.).

6

Общее сведения об ультразвуке. Типовая блок-схема ультразвуковой установки

Ультразвук – это упругие колебания и волны частотой в диапазоне от 20 кГц до 1

ГГц. Эти границы условны. Так, распространяющиеся в воздухе колебания частотой 18

кГц и менее воспринимаются человеческим ухом как слышимые звуки. Верхняя граница в

1 ГГц обусловлена физической природой упругих волн: они распространяются лишь в такой материальной среде, когда их длина волны значительно больше длины свободного пробега молекул в газах или межатомных расстояний в жидкостях и твёрдых телах [1]. В

остальном распространение ультразвука подчиняется законам, общим для акустических волн любого диапазона частот.

Ультразвук вызывает ряд специфических явлений, обусловленных его относительно высокой частотой и мощностью, это ударные волны, радиационное давление, акустические течения, кавитация, сонолюминесценция и другие [2].

В жидких средах важнейший нелинейный эффект УЗ поля – это кавитация, когда возникает множество пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Сложное движение пузырьков, их схлопывание, слияние друг с другом и т. д.,

порождают в жидкости импульсы сжатия и микропотоки, вызывают локальное нагревание среды, ионизацию. Эти эффекты оказывают влияние на вещество жидкой дисперсной системы: разрушаются находящиеся в жидкости твёрдые тела, жидкости перемешиваются; инициируются или ускоряются различные физические, собственно химические и физико-химические процессы.

Независимо от природы растворённых веществ, ультразвук воздействует на одно вещество: на воду, что приводит к изменению её физико-химических свойств: увеличению рН, электропроводности, числа свободных ионов и активных радикалов с одновременной структуризацией и активацией молекул. Акустическая кавитация в жидкостях инициирует различные физико-химические явления; сонолюминесценцию, а также химические эффекты, эрозию твёрдого тела; диспергирование и эмульгирование [2]. Типовая УЗ установка технологического назначения обычно состоит из следующих блоков,

представленных на рис. 1. [3].

7

Рис. 1. Типовая блок-схема ультразвуковой установки: УЗГ – ультразвуковой генератор; ЭАП – электроакустический преобразователь; ВС – волноводная система; ВБ – вспомогательный блок, КИС – контрольно-измерительная система; ПК – компьютер; — направление потока энергии; — акустический контакт между элементами колебательной системы и нагрузкой; >< — акустическая развязка в местах соединения

электроакустических преобразователей (ЭАП), преобразующих ток промышленной

частоты (50 Гц) в ток УЗ частоты (15...30 кГц). В ЭАП широкое распространение

получили пьезокерамические и магнитострикционные преобразователи, каждый со своими достоинствами и недостатками. Создаваемые в преобразователях типа ЭАП механические колебания УЗ частоты по волноводной системе (ВС) передаются в обрабатываемую жидкую дисперсную среду, называемую нагрузкой, находящуюся в специальном реакторе. Реактор снабжён дополнительными датчиками (термопарами,

уровнемерами, pН-метрами и т. п.), подключёнными к блоку контрольно-измерительной системы (КИС). Обычно установка включает вспомогательный блок (ВБ),

обеспечивающий необходимые параметры процесса (температура, давление, скорость

потока и т. д.) в системе. Вся полученная информация о происходящем технологическом

процессе, стекается в персональный компьютер (ПК).

ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

Ультразвуковая установка для обработки жидких дисперсных систем а). Назначение и технические характеристики

Ультразвуковая проточная установка предназначена для ультразвуковой активации физико-химических процессов в обрабатываемой жидкости. Установка состоит из ультразвукового генератора УЗГ-2-22-МС-1 и технологического блока (реактор,

магнитострикционный преобразователь, волновод) на монтажной стойке. Технические характеристики установки приведены в табл.1.

8

Таблица 1. Технические характеристики установки

значениях мощности по амплитуде колебаний торца волновода, приведенные в табл.2.

Таблица 2. Соответствие значений мощности УЗ колебаний значениям амплитуды

колебаний торца волновода

б). Устройство и работа

Установка состоит из технологического блока и ультразвукового генератора, схема которой приведена на рис. 2 а, фотография на рис 2 б. Принцип действия проточной установки основан на эффекте ультразвуковой активации физико-химических процессов в обрабатываемой жидкости.

9

а)

б)

Рис. 2. Схема ультразвуковой установки 1 – ультразвуковой генератор «УЗГ 2 – 22», 2 – кабель питания (к сети 1 х 220 В, 50 Гц), 3 – выходной кабель, 4 – магнитострикционный преобразователь МСП 22/2, 5 – волновод, 6 – термостатирующий радиатор (змеевик из нержавейки), 7 – окно визуализации, 8 – реактор, 9 – монтажная стойка.

Ультразвуковой генератор «УЗГ-2-22» (1) преобразует электрическую энергию,

получаемую от сети переменного тока по кабелю (2), в электрические колебания

требуемой частоты. При проведении работ может варьироваться мощность подаваемого

сигнала и его частота. Подробное описание приведено в руководстве по эксплуатации на

генератор. Генератор соединяется с технологическим блоком с помощью выходного

кабеля (3).

Технологический блок представляет собой единый узел, состоящий из реактора

(8) с прикрепленным к фланцу магнитострикционным преобразователем (4) типа МСП

22/2 и волноводом ВС-2,5 (5). Блок установлен на металлическую раму (9). Реактор

изготовлен из нержавеющей стали толщиной стенки 6 мм (до10 атм), имеет систему

термостатирования (6) и визуализации (7).

Магнитострикционный преобразователь МСП 22/2 (5) предназначен для

преобразования электрического сигнала УЗ диапазона, поступающего от ультразвукового

генератора, в механические колебания волноводов. Преобразователь представляет собой

резонансную систему, состоящую из набора магнитострикционных пластин и

прикрепленного к ним концентратора, который обеспечивает передачу упругих колебаний

от магнитострикционных пластин через волновод в обрабатываемую среду.

в). Меры безопасности

1. При эксплуатации и обслуживании необходимо соблюдать меры безопасности

установок напряжением до 1000 В.

10