Введение к работе
Актуальность работы. Государственная программа Российской Федерации «Энергосбережение и повышение энергетической эффективности на период до 2020 года» определяет условия, обеспечивающие переход на энергоэффективное развитие экономики. Согласно намеченным планам приоритетными направлениями при реализации мероприятий являются инновационное развитие ресурсосберегающих технологий и масштабные научные исследования.
Возрастание потребности промышленности нефтехимического комплекса в углеводородном сырье требует вовлечения в переработку нефтесодержащих грунтов (НСГ). Актуальность и масштабность проблемы обусловлены возрастанием аварий на нефтепродукта)проводах в связи с превышением сроков их эксплуатации.
Нефтесодержащие грунты имеют большую неоднородность по влажности, по составу органической и минеральной частей, что необходимо учитывать при создании технологических процессов для их переработки.
Известные методы переработки нефтесодержащих грунтов, различаются применяемыми технологиями, конструктивными особенностями, возможностями ресурсосбережения, энерго- и капиталоёмкостью. В этой связи выбор наиболее эффективного метода переработки, должен проводиться на принципах сбережения невозобновляемых природных ресурсов и экономической целесообразности применяемых технологий, включающих условия наиболее полного извлечения углеводородов, превращения переработанного грунта в инертный материал для использования в хозяйственном обороте полученных технически-полезных продуктов.
Одним из распространенных методов переработки нефтесодержащих грунтов является метод реагентного капсулирования (РК), заключающийся в смешивании их с водой и с оксидом кальция, с образованием конечного продукта утилизации (КПУ). При этом количество используемого реагента зависит от концентрации нефтяного компонента и оказывает основное влияние на стоимость переработки НСГ.
В научно-технической литературе практически отсутствуют данные об исследованиях по определению допустимой концентрации С нефтяного компонента в нефтесодержащих грунтах, при которой применение метода РК для их переработки является экономически целесообразным.
Важной задачей при переработке нефтесодержащих грунтов является получение из них углеводородов, извлекаемых с помощью различных экс-трагентов. В настоящее время для указанных целей не применяются низ-кокипящие растворители, для регенерации которых необходимо значительно меньше энергии, чем при использовании растворителей с более высокими температурами кипения.
В научно-технической литературе практически отсутствуют результаты исследования влияния на процесс экстрагирования углеводородов из нефтесодержащих грунтов типа почвогрунтов, их влажности, грануломет-
рического состава и других важных характеристик. Также отсутствуют работы, посвященные решению задач кинетики экстракционного процесса, в особенности из нефтесодержащих грунтов, частицы которых часто представляют собой агрегированные структуры.
Комплексный подход при разработке методов переработки нефтесодержащих грунтов предполагает расчет оптимальных технологических параметров на основе технико-экономического анализа осуществляемых процессов и исследование структурно-механических свойств нефтесодержащих грунтов с помощью специальных измерительных устройств. В настоящее время в научно-технической литературе отсутствуют данные о соответствующих характеристиках НСГ и сведения об устройствах для их определения.
Диссертационная работа направлена на решение актуальной проблемы использования нефтесодержащих грунтов, рассмотрения их как вторичных сырьевых ресурсов для получения углеводородов с разработкой комплексного ресурсосберегающего технологического процесса.
Работа выполнена в соответствии с основными направлениями Энергетической стратегии России на период до 2030 года (распоряжение Правительства РФ от 13.11.2009 г.) и Программы развития и размещения производительных сил Республики Татарстан (РТ) на основе кластерного подхода до 2020 года и на период до 2030 года (постановление Кабинета Министров Республики Татарстан от 22.08.2008 г. №763).
Исходя из рассмотренных проблем, сформулированы следующие цель и основные задачи исследования.
Цель работы: разработка научно-практических и технико-технологических основ процессов подготовки и переработки нефтесодержащих грунтов с использованием низкокипящих экстрагентов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
Анализ условий образования нефтесодержащих грунтов при аварийных разливах нефти (нефтепродуктов), существующих технологий их переработки и выбор перспективных направлений для создания комплексного технологического процесса наиболее полного извлечения углеводородов и утилизации переработанного материала с получением нового сырья для использования в народном хозяйстве.
Определение физико-химического состава нефтесодержащих грунтов и исследование процесса их переработки методом реагентного капсу-лирования.
Изучение закономерностей зависимости степени извлечения углеводородов из нефтесодержащих грунтов низкокипящими экстрагентами от концентрации и фракционного состава нефтяного компонента, и свойств нефтесодержащих грунтов.
Анализ зависимостей степени извлечения углеводородов из нефтесодержащих грунтов от технологических параметров экстракционного процесса: температуры экстрагирования, соотношения растворитель/НСГ.
Исследование химического и фракционного состава углеводородного сырья, извлеченного из нефтесодержащих грунтов низкокипящими растворителями.
Моделирование кинетики процесса массобмена между нефтесодер-жащим грунтом и растворителем с учетом характерных особенностей НСГ.
Разработка методики для расчета плотности потока массы углеводородов при их экстрагировании из нефтесодержащих грунтов растворителями для оценки эффективности процесса.
Создание модельных грунтов для их использования при отработке технологических режимов процесса экстрагирования углеводородов из нефтесодержащих грунтов.
Проведение технико-экономического анализа процесса отделения экстракта от промытого грунта и разработка целевых функций центрифугирования и сушки для расчета оптимальных параметров на основе экономического критерия приведенных затрат.
Разработка измерительных устройств и соответствующих методик для определения компрессионных и сдвиговых характеристик нефтесодержащих грунтов.
Разработка, на основе логистико-топографической модели региона, рекомендаций для выбора оптимального места размещения предприятий (технологических установок) по переработке нефтесодержащих грунтов.
Методы исследований: Решение поставленных задач проводилось в процессе проведения научно-исследовательских, опытно-конструкторских работ с применением современных физических и физико-химических методов (высокоэффективная жидкостная хроматография, двумерная газовая хроматография/масс-спектрометрия, гравиметрический анализ, микроскопический анализ и др.).
Хроматографический анализ был проведен методами ASTMD 2887, по ГОСТ Р 52714 на газовом хроматографе «Хроматэк-Кристалл 5000» и на масспектрометре Pegasus 4D - GCxGC-TOFMS.
Все используемые методы соответствуют современному уровню развития науки и техники, и действующей нормативно-технической документации. Обработка результатов экспериментальных исследований проводилась с использованием методов математической статистики.
Научная новизна:
Разработан, не имеющий аналогов, научно-обоснованный комплексный подход к переработке нефтесодержащих грунтов, основанный на методах экстрагирования углеводородов низкокипящими регенерируемыми растворителями и реагентного капсулирования, на основе которых разработан технологический процесс переработки нефтесодержащих грунтов.
Впервые при переработке нефтесодержащих грунтов методом реагентного капсулирования применен энтропийно-информационный анализ процесса формирования смеси нефтесодержащих грунтов и реагента.
Установлено, что, для повышения эффективности смешивания в случаях, когда компоненты участвующие в процессе существенно отличаются по долям в смеси и (или) по размерам частиц, могут быть использованы рассчитанные значения Шенноновской информационной энтропии.
Выявлены особенности экстрагирования углеводородов из глинистых (суглинистых) нефтесодержащих грунтов растворителями, заключающиеся в разрушении агрегатов частиц грунтов и изменении их размеров во время проведения экстракционного процесса. Впервые обоснована и сформулирована кинетическая модель процесса экстрагирования углеводородов из агрегатов частиц нефтесодержащих грунтов с учетом этих особенностей, позволяющая повысить точность расчетов параметров экстракционного процесса.
Разработана методика для определения плотности потока массы углеводородов при их экстрагировании из нефтесодержащих грунтов растворителями на основе минимума производства энтропии.
Установлены закономерности изменения эффективности процесса экстрагирования углеводородов из нефтесодержащих грунтов в зависимости от фракционного состава нефтяного компонента, размеров частиц, типа и влажности грунта с использованием метода асимптотических аналогий.
На основе технико-экономического анализа центрифугирования и сушки разработаны целевые функции и алгоритм расчета оптимальных технологических параметров процесса отделения растворителя от промытого грунта.
Впервые разработана математическая модель для расчета напряжений в нефтесодержащих грунтах при проведении процессов транспортирования и дозирования, учитывающая характерные особенности, связанные с наличием в них нефтяного компонента.
Практическая значимость:
На основе теоретических и экспериментальных исследований разработаны технологии процесса подготовки и переработки нефтесодержащих грунтов, защищенные патентами РФ. Экспериментально определены основные параметры технологического процесса и разработан соответствующий технологический регламент извлечения углеводородов из нефтесодержащих грунтов низкокипящими экстрагентами совместно с ООО «ТЭКОМАШ» (Москва).
Определены соотношения нефтесодержащий грунт/оксид кальция в зависимости от концентрации нефтяного компонента в грунтах, обуславливающие уровень рентабельности процесса их переработки методом реа-гентного капсулирования и обеспечивающие качество конечного продукта утилизации, применяемые в ООО «Промышленная экология» (Альметьевск, РТ).
Экспериментально установлено, что фактор очередности попадания воды и нефтяного компонента в глинистые (суглинистые) грунты оказыва-
ет существенное влияние на процесс экстрагирования из них углеводородов метиленхлоридом. Независимо от концентрации нефтяного компонента и соотношения метиленхлорид/нефтесодержащий грунт при первоначальном попадании в грунт воды, а затем нефти, происходит существенное снижение степени извлечения углеводородов.
Разработаны на уровне изобретений и внедрены измерительные устройства для исследования сдвиговых и компрессионных характеристик нефтесодержащих грунтов и соответствующие методики для их определения в виде стандартов предприятия в ФГУП НИИ механизации (Красноар-мейск, Московская обл.).
Результаты экспериментальных исследований структурно-механических характеристик НСГ использованы при аппаратурном оформлении процессов транспортирования и дозирования при переработке нефтесодержащих грунтов на производстве ООО «Промышленная экология» (Альметьевск, РТ).
Разработана и внедрена в производство программа для расчета оптимального места размещения предприятия (технологической установки) для переработки нефтесодержащих грунтов в ООО «Байтекс» (Бугуруслан, Оренбургская обл.).
Разработанные устройства, научно-технические и методические разработки применяются при проведении исследовательских и лабораторных работ в ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт» в ходе подготовки инженерных и научных кадров и в учебном процессе ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».
Личный вклад автора состоит в формулировке целей и постановке задач исследований, выборе объектов и методов исследований, реализации способов их решения и обобщении полученных результатов. Результаты, представленные в диссертационной работе, получены лично автором или при его непосредственном участии. Вклад автора является основным и решающим во всех разделах работы.
Автор выражает благодарность профессору А.В. Каталымову, профессору В.П. Майкову за полезные замечания и предложения по работе. Автор также благодарит сотрудников химического факультета и факультета почвоведения МГУ, ЗАО СКБ «Хроматэк» (Йошкар-Ола), фирмы «Leco Corporation» (Прага, Чешская Республика), компании «Retsch» (Санкт-Петербург) за помощь в исследовании образцов.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы докладывались на Международном симпозиуме «Okologische, Technologische und Rechtliche Aspekte der Lebensversorgung» Euro-eco (Ганновер, 2010); IX Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития нефтегазового комплекса России» (Москва, 2012); на Межвузовской научно-технической конференции «Проблемы
разработки и эксплуатации нефтяных месторождений» (Уфа, 2004); на II, III Международных научно-практических конференциях «Ашировские чтения» (Самара, 2004, 2006); Международных научных конференциях «Математические методы в технике и технологиях», ММТТ-23 (Саратов, 2010), ММТТ-25 (Саратов, 2012); на Всероссийской научно-практической конференции «Большая нефть XXI века» (Альметьевск, 2006); на П-ой Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы индустриальных мегаполисов» (Москва, 2005); на научно-практическом семинаре «Правовые и инженерные вопросы промышленной безопасности, охраны труда и экологии» (Казань, 2004); Всесоюзной научной конференции «Механика сыпучих материалов» (Одесса, 1991); на Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы создания и совершенствования строительных и дорожных машин» (Белгород, 2006); на VII международной научно-практической конференции "Экологические проблемы индустриальных мегаполисов" (Донецк-Авдеевка, 2010); на научно-технических конференциях и научных семинарах ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет», ГБОУ ВПО «Альметьевский государственный нефтяной институт» и ФГБОУ ВПО «Московский государственный машиностроительный университет (МАМИ)».
Публикации: По материалам диссертации опубликованы 79 работ, в том числе 1 монография, 38 статей в реферируемых журналах, рекомендованных ВАК, получены 10 патентов РФ и авторских свидетельств на изобретения, изданы 6 учебных пособий.
Объём и структура работы: Диссертационная работа изложена на 315 страницах, содержит 38 таблиц, 82 рисунка и состоит из 7 глав, введения, выводов, списка литературы (265 наименований) и 12 приложений.
