СПОСОБ УВЕЛИЧЕНИЯ ПОТОКА ВОДЫ ИЗ ОТСТОЙНОГО РЕЗЕРВУАРА ПРОЦЕССА ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЕНОСНЫХ ПЕСКОВ ЧЕРЕЗ МЕМБРАННУЮ СИСТЕМУ РАЗДЕЛЕНИЯ И ОЧИСТКИ ВОДЫ
METHOD OF INCREASING FLOW OF WATER FROM SETTLING TANK OF PROCESS OF TREATING TAR SANDS THROUGH MEMBRANE SEPARATION AND WATER TREATMENT SYSTEM

Данное изобретение относится к области увеличения потока воды из отстойного резервуара процесса переработки нефтеносных песков через мембранную систему разделения, а также очистки технологической воды, полученной при переработке нефтеносных песков, и усовершенствования процессов, которые реализуют эту задачу.
Уровень техники
Вода является важной составляющей частью процесса переработки нефтеносных песков, поскольку она облегчает перенос и/или отделение ископаемого материала. Составляющие ископаемого материала включают углеводород (иногда именуемый битумом), песок, глину и воду. Наиболее часто применяемый способ извлечения углеводорода из этой смеси включает измельчение добытого материала с последующим суспендированием этого материала в воде, обычно при подаче тепла, с образованием суспензии. Полученную суспензию перерабатывают, например, с применением пенной флотации посредством добавления химикатов к суспензии. Это способствует образованию стабильной пены, содержащей углеводород, и отделению углеводорода от других компонентов.
Для облегчения вышеупомянутого процесса разделения необходимы большие количества воды. Полученный поток, который содержит нежелательные компоненты, направляют в резервуар для осаждения «хвостов», чтобы дать возможность осадиться песку, глине и другим материалам в виде частиц.
Требования по охране окружающей среды, в соединении с большими количествами применяемой воды, обязывают возвращать в производственный процесс большую часть воды, если не всю воду. Возврат в процесс переработки нефтеносных песков воды, которая содержит нежелательные компоненты, может отрицательно влиять на ход процесса переработки нефтеносных песков. Потенциально возможные проблемы включают, не ограничиваясь этим, эрозию насосов и трубопроводов из-за увлекаемых потоком частиц и снижение эффективности отделения углеводородов из-за скопления мелких частиц и т.д. Дополнительная проблема возникает при выпуске воды из отстойного резервуара при закрытии месторождения. Если это происходит, то местные нормативы по качеству воды могут потребовать удаления неосажденных или коллоидных частиц из воды отстойного резервуара.
Требование вторичного использования воды из отстойного резервуара для технологических и других применений, особенно возвращение ее в процесс переработки нефтеносных песков, является ключевым в данной отрасли. Очистка этой воды с помощью мембранных систем разделения является проблематичной, поскольку технологическая вода процесса переработки нефтеносных песков содержит большие количества углеводородов и веществ в виде частиц. Подпитка воды создает исходные условия для загрязнения мембран и последующего снижения потока воды через мембраны.
Загрязнение мембран и снижение потока через мембраны делает менее эффективной обработку воды для повторного использования при переработке нефтеносных песков. Более конкретно, если мембрана загрязнена, она является менее эффективной в том отношении, что требует более частой очистки и, возможно, замены. Кроме того, если мембрана загрязнена, требуется также больше энергии и времени для фильтрации, и вода из отстойника проходит через мембрану с более низкой скоростью.
Таким образом, желательно иметь более эффективный способ увеличения потока воды из отстойного резервуара, полученной при переработке нефтеносных песков, через мембранную систему разделения и очистки технологической воды.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
В данном описании предложен способ увеличения потока воды из отстойника, полученной в ходе переработки нефтеносных песков, через мембранную систему разделения и очистки воды, включающий следующие стадии: (а) обработку воды эффективным количеством одного или более водорастворимых катионных полимеров, амфотерных полимеров, цвиттер-ионных полимеров или их комбинации; (b) пропускание обработанной воды через мембранную систему разделения и (с) возможно, пропускание фильтрата, полученного на стадии (b), через дополнительную мембранную систему разделения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 схематически изображен один из примеров реализации заявленного изобретения.
На Фиг.2 приведены данные по критическому потоку.
На Фиг.3 приведены данные по устойчивому потоку.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Определение терминов
«УФ» означает ультрафильтрацию
«МФ» означает микрофильтрацию
«НФ» означает нанофильтрацию
«ОО» означает обратный осмос
2
«л/м·ч» означает литров на квадратный метр в час
«ПДМ» означает перепад давления на мембране
«НЕМ» означает нефелометрические единицы мутности
«УА» означает агент, улучшающий характеристики мембраны
«ООУ» означает общее содержание органического углерода
«ОВТВ» означает общее содержание взвешенных твердых веществ
«ОТВ» означает общее содержание твердых веществ
«Pt-Co» означает платиново-кобальтовые единицы цветности
«Амфотерный полимер» означает полимер, полученный как из катионных мономеров, так и из анионных мономеров и, возможно, из другого неионного мономера(-ов). Амфотерные полимеры могут обладать суммарным положительным или отрицательным зарядом. Амфотерный полимер можно также получить из цвиттер-ионных мономеров и катионных или анионных мономеров и, возможно, неионных мономеров. Амфотерный полимер является водорастворимым.
«Катионный полимер» означает полимер, обладающий суммарным положительным зарядом. Катионные полимеры по данному изобретению получают полимеризацией одного или более катионных мономеров, сополимеризацией одного или более неионных мономеров и одного или более катионных мономеров, конденсацией эпихлоргидрина и диамина или полиамина или конденсацией этилендихлорида и аммиака или формальдегида и соли амина. Катионный полимер является водорастворимым.
«Цвиттер-ионный полимер» означает полимер, образованный из цвиттер-ионных мономеров и, возможно, другого неионного мономера(-ов). В цвиттер-ионных полимерах все полимерные цепи и сегменты в пределах этих цепей являются строго электронейтральными. Таким образом, цвиттер-ионные полимеры представляют собой подвид амфотерных полимеров, необходимо сохраняющий нейтральный заряд по всем полимерным цепям и сегментам, поскольку как анионный заряд, так и катионный заряд вводят в один и тот же цвиттер-ионный мономер. Цвиттер-ионный полимер является водорастворимым.
Предпочтительные примеры реализации
Мембранная система разделения по данному изобретению может включать один или более типов мембран. Количество мембран и ориентация мембран (погружные/внешние) зависят от различных факторов, известных специалистам, например от состава технологической воды.
В одном из примеров реализации мембранная система разделения имеет по меньшей мере одну мембрану, выбранную из группы, состоящей из ультрафильтрационной мембраны; микрофильтрационной мембраны и их сочетания.
В другом примере реализации дополнительная мембранная система разделения имеет мембрану, выбранную из группы, состоящей из ультрафильтрационной мембраны; нанофильтрационной мембраны; мембраны для обратного осмоса и их сочетания. Если в указанной дополнительной мембранной системе разделения применяют ультрафильтрационную мембрану, то размер пор мембраны меньше, чем для ультрафильтрационной мембраны, применяемой в указанной мембранной системе разделения.
В другом примере реализации мембранная система разделения представляет собой систему с погруженной мембраной, систему разделения с наружной мембраной или их сочетание.
В другом примере реализации дополнительная мембранная система разделения представляет собой систему с погруженной мембраной, систему разделения с наружной мембраной или их сочетание.
Применяемые мембраны могут обладать различными типами физических или химических параметров.
Что касается физических параметров, то в одном из примеров реализации ультрафильтрационная мембрана имеет размер пор в диапазоне от 0,003 до 0,1 мкм.
В другом примере реализации микрофильтрационная мембрана имеет размер пор в диапазоне от 0,1 до 10 мкм.
В другом примере реализации мембрана имеет конфигурацию с полыми волокнами с режимом фильтрации снаружи внутрь волокна или с режимом фильтрации изнутри волокна наружу.
В другом примере реализации мембрана имеет конфигурацию плоского листа.
В другом примере реализации мембрана имеет трубчатую конфигурацию.
В другом примере реализации мембрана имеет многоканальную структуру.
В другом примере реализации мембрана имеет капиллярную конфигурацию.
В другом примере реализации мембрана имеет конфигурацию свернутой спирали.
Что касается химических параметров, то в одном из примеров реализации мембрана является полимерной.
В другом примере реализации мембрана является неорганической. В еще одном примере реализации мембрана изготовлена из нержавеющей стали.
Имеются и другие физические и химические параметры, которые можно реализовать для заявленного изобретения и которые очевидны для специалиста без проведения дополнительных экспериментов.
Воду из отстойного резервуара, перед тем, как она проходит через мембранную систему разделения, обрабатывают эффективным количеством одного или более водорастворимых катионных полимеров, амфотерных полимеров, цвиттер-ионных полимеров или их сочетаниями. Эти водорастворимые полимеры обозначают УА.
В одном из примеров реализации амфотерные полимеры выбирают из группы, состоящей из по меньшей мере одного из следующих: сополимера четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата и метилхлорида (ДМАЭА.МХЧ) с акриловой кислотой; сополимера хлорида диаллилдиметиламмония с акриловой кислотой; сополимера соли диметиламиноэтилакрилата и метилхлорида с бетаином N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммония; сополимера акриловой кислоты с бетаином N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил) аммония и тройного сополимера (ДМАЭА.МХЧ) с акриловой кислотой и с бетаином N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммония.
В другом примере реализации эффективное количество амфотерных полимеров составляет примерно от 1 ppm до 500 ppm в расчете на активные твердые вещества.
В другом примере реализации амфотерные полимеры имеют средневзвешенную молекулярную массу примерно от 5000 до 2000000 Дальтон.
В другом примере реализации амфотерные полимеры имеют отношение эквивалента катионного заряда к эквиваленту анионного заряда примерно от 4,0:6,0 до 9,8:0,2.
В другом примере реализации катионные полимеры выбирают из группы, состоящей из по меньшей мере из одного из следующих полимеров: хлорида полидиаллилдиметиламмония; полиэтиленимина; полиэпиамина; полиэпиамина, сшитого аммиаком или этилендиамином; полимера, полученного поликонденсацией этилендихлорида и аммиака; полимера, полученного поликонденсацией триэтаноламина и жирной кислоты таллового масла; поли(соли диметиламиноэтилметакрилата и серной кислоты) и поли(четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата и метилхлорида).
В другом примере реализации катионные полимеры представляют собой сополимеры акриламида (АкАм) и одного или более катионных мономеров, выбранных из группы, состоящей из хлорида диаллилдиметиламмония, четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата и метилхлорида, четвертичной соли диметиламиноэтилметакрилата и метилхлорида и четвертичной соли диметиламиноэтилакрилата и бензилхлорида.
В другом примере реализации эффективное количество катионных полимеров составляет примерно от 0,05 ppm до 400 ppm в расчете на активные твердые вещества.
В другом примере реализации катионные полимеры имеют катионный заряд по меньшей мере примерно 5% мольн.
В другом примере реализации катионные полимеры имеют катионный заряд 100% мольн.
В другом примере реализации катионные полимеры имеют средневзвешенную молекулярную массу примерно от 100000 до 10000000 Дальтон.
В другом примере реализации цвиттер-ионные полимеры состоят из примерно от 1 до 99% мольн. бетаина N,N-диметил-N-метакриламидопропил-N-(3-сульфопропил)аммония и примерно от 99 до 1% мольн. одного или более неионных мономеров.
В другом примере реализации эффективное количество цвиттер-ионных полимеров составляет примерно от 1 ppm до 500 ppm в расчете на активные твердые вещества.
В другом примере реализации, как показано на Фиг.1, использованную технологическую воду направляют в отстойный резервуар. Воду из отстойного резервуара обрабатывают УА химическими веществами и перекачивают в мембранную систему разделения, которая включает УФ или МФ мембраны. Одну или более УА можно добавить в линию до мембранной системы (наружной или погруженной) или же непосредственно в емкость с мембраной, если применяют погруженные мембранные системы. Воду перемещают/перекачивают из отстойного резервуара посредством различных устройств, которые могут быть очевидны для специалиста. Фильтрат направляют обратно для использования в процессе или же дополнительно очищают, пропуская через дополнительную мембранную систему разделения, которая включает НФ или ОО мембрану.
Фильтрат из дополнительной мембранной системы разделения направляют обратно для использования в процессе. Концентрат из любой мембранной системы разделения или размещают в виде отходов, или обезвоживают, или применяют комбинацию этих способов. В случае обезвоживания жидкость возвращают в отстойный резервуар или повторно используют в процессе с дополнительной обработкой или без нее.
Вода из отстойного резервуара имеет высокое содержание углеводородов.
В одном из примеров реализации вода из отстойного резервуара имеет ОТВ примерно от 10 до 10000 ppm; OBTB примерно от 2 до 1000 ppm; содержание нефтепродуктов и масел примерно от 1 до 100 ppm; ООУ примерно от 1 до 100 ppm; pH примерно от 7 до 9; мутность примерно от 2 до 500 НЕМ и цветность примерно от 5 до 100 Pt-Co единиц.
Предполагают, что последующие примеры не ограничивают данное изобретение.
ПРИМЕРЫ
Для упомянутых ниже экспериментов ПРОДУКТ А содержит сополимер ДМАЭА.МХЧ с АкАм с катионным зарядод 50% мольн. ПРОДУКТ А поступает в продажу от Nalco Company, Нейпервилл, Иллинойс.
А. Эксперименты по повышению интенсивности потока
1. Протокол
Вода из отстойного резервуара, которую использовали в последующих экспериментах, была получена с канадской установки для переработки нефтеносных песков. Вода из отстойного резервуара имела следующие характеристики: ОТВ 360 ppm; OBTB 49 ppm; нефтепродукты и масла 27 ppm; ООУ 53 ppm; pH 8,8; электропроводность 3,1 мСм/см; мутность 78 НЕМ и цветность 55 Pt-Co единиц.
Воду из отстойного резервуара добавляли в емкость с введенной сверху мешалкой и обрабатывали 3 ppm или 8 ppm ПРОДУКТА А (количество было определено в ходе предварительных лабораторных испытаний). Смесь перемешивали введенной сверху мешалкой; процесс проводили в течение одной минуты при высокой скорости перемешивания, а затем в течение одной минуты при медленном перемешивании. Затем обработанную воду помещали в емкость с мембраной, в которую была погружена микрофильтрационная (МФ) мембрана в виде плоской пластины, приобретенная у Yuasa, Япония. Измеряли критический и устойчивый потоки через мембрану для контрольной (необработанной) и обработанной воды из отстойного резервуара.
Критический поток представляет собой поток, выше которого мембрана сильно забивается, и перепад давления на мембране (ПДМ) резко возрастает. Таким образом, определение критического потока является важным. Определение критического потока дает представление об устойчивом потоке, который представляет собой поток, при котором мембрана может работать в течение более долгого времени до того, как потребуется ее очистка. На основе некоторых исследований, известных специалистам, устойчивый поток обычно составляет 60-70% от величины критического потока. Устойчивый поток определяет капитальные затраты предприятия (величина площади мембраны, связанное с ней вспомогательное оборудование и производственные площади) и текущие расходы (очистка, стоимость рабочей силы и т.д.).
2
Для того чтобы получить критический поток, подают самый низкий поток в 30 л/м·ч и в течение 15 минут отслеживают перепад давления на мембране (ПДМ). Через 15 минут подают следующий более высокий поток и снова измеряют ПДМ. Эту процедуру повторяют до тех пор, пока не достигнут ПДМ 17,5-21,0 кПа (2,5-3 фунтов на кв. дюйм). Для конкретной испытуемой МФ мембраны, в соответствии с рекомендациями каталога производителя, перепад давления около 21 кПа (3 фунта на кв. дюйм) является предельным, после чего мембрану необходимо очистить.
2
На основании критической величины потока, полученной с контрольным образцом, подавали поток 53 л/м·ч и измеряли ПДМ в течение нескольких часов, чтобы определить устойчивость потока. При проведении обработки подавали такой же поток, чтобы сравнить скорость увеличения ПДМ со временем.
2. Результаты
а. Критический поток
2
на Фиг.2 показаны данные по критическому потоку при прохождении через мембрану воды из отстойного резервуара при следующих условиях: контрольный образец (ПРОДУКТ А отсутствует); 3 ppm ПРОДУКТА А и 8 ppm ПРОДУКТА А. Из Фиг.2 ясно, что критический поток в контрольном опыте составлял около 75-80 л/м·ч, в то время как в случае воды из отстойного резервуара, обработанной ПРОДУКТОМ А, критический поток не был отчетливо зафиксирован. При любой величине потока абсолютное значение ПДМ и скорость возрастания ПДМ были минимальными для воды из отстойного резервуара, обработанной 8 ppm ПРОДУКТА А.
b. Устойчивый поток
2
2
на Фиг.3 показана устойчивость потока 53 л/м·ч для контрольного опыта и воды из отстойного резервуара, обработанной 8 ppm ПРОДУКТА А. Ясно видно, что в течение 3 часов значение ПДМ в контрольном опыте возросло примерно до 5,6 кПа (0,8 фунтов/кв. дюйм), в то время как при обработке значение ПДМ возросло только до 3,5 кПа (0,5 фунтов/кв. дюйм), даже через 24 часа фильтрования. Фактически, в случае обработанной воды при величине потока 72 л/м·ч скорость возрастания ПДМ все еще оставалась очень низкой, и через 8 часов фильтрования ПДМ достигал только значения 4,9 кПа (0,7 фунтов/кв. дюйм).
2
2
Таким образом, ясно, что величина устойчивого потока может быть увеличена примерно от 30 л/м·ч (данные не показаны) для контрольного опыта до примерно 60-72 л/м·ч при обработке 8 ppm ПРОДУКТА А, то есть получают увеличение потока более чем на 100%.
с. Качество воды
в Таблице 1 показано повышение качества воды после проведения микрофильтрации контрольного образца и обработанной воды из отстойного резервуара. Мутность равным образом составляла <0,2 НЕМ как для контрольного образца, так и для обработанной воды из отстойного резервуара. Исчезновение цветности также было выше после обработки ПРОДУКТОМ А, чем в контрольном опыте.
Таблица 1
Качество воды
Обработка
Мутность (НЕМ)
Цветность (Pt-Co единицы)
Подаваемый поток
Фильтрат после МФ
Подаваемый поток
Фильтрат после МФ
Контрольный образец
32,8
0,1-0,2
43
38
ПРОДУКТ А 3 ppm
27,4
0,1-0,2
45
38
ПРОДУКТ А 8 ppm
4,47
0,1-0,2
65
33