Установка по глубокой переработке нефтешламов и обводнённого мазута
INSTALLATION FOR DEEP PROCESSING OF OIL SLUDGE AND FUEL OIL EMULSION

Изобретение относится к нефтеперерабатывающей промышленности и может быть использовано для переработки нефтешламов и обводнённого мазута.
Мазут содержит от 8,12 до 16,6% смол, от 0,94 до 14,5% асфальтенов, от 0,03 до 1,32% карбенов и карбоидов, а также парафиновые, нафтеновые, ароматические углеводы и другие соединения. В результате взаимодействия молекул некоторых органических соединений с водой происходит гидратация, образование кристаллогидратов. Образуются также коллоидные системы - мицеллы, сорбционно связывающие на своей поверхности воду. Из гидратированного мазута путем отстаивания воду удалить невозможно.
При длительном хранении обводненного мазута развиваются колонии микроорганизмов. Развитие микроорганизмов способствует эмульгированию топлив, образованию слизи. Это приводит к стабилизации дисперсной системы вода-мазут и затруднениям при отделении воды от мазута методом отстаивания.
В связи с этим мазутные шламы, содержащие до 50% и более воды, чрезвычайно трудно отделить от воды и чаще всего для уничтожения их сжигают в специальных печах (И.Г. Фукс и др. Энциклопедические проблемы рационального использования смазочных материалов", М., Нефть и газ, 1993 г; П.В. Чулков, И. П. Чулков, Краткий словарь-справочник по нефтепродуктам, М, Политехника, 1997 г.; П.В. Чулков, И.П. Чулков, Топлива и смазочные материалы: ассортимент, качество, применение, экономика, экология, М., "Политехника", 1995 г.).
Существующие способы обезвоживания нефтепродуктов методами отстаивания, сепарации, фильтрации, обработки адсорбентами и цеолитами либо малоэффективны, либо неприемлемы из-за массогабаритных и экономических показателей.
Обводненный мазут образует с водой очень стойкие эмульсии, требующие для выделения воды применение процесса деэмульгирования.
Используемые в настоящее время способы и устройства деэмульгирования нефтяных эмульсий, в том числе мазута, условно разделяют на следующие группы:
- механические - отстаивание, фильтрование, центрифугирование,
- термические - подогрев и отстаивание при атмосферном давлении и под избыточным давлением,
- электрические - обработка в электрическом поле,
- химические - обработка эмульсии различными реагентами - деэмульгаторами.
Каждый из методов основан на слиянии и укрупнении капель воды, что способствует более интенсивному ее отстаиванию. Выбор того или другого метода определяется типом нефтяной эмульсии и ее стойкостью (http://poleznayamodel.ru/model/15/155050.html).
Известен способ термического обезвоживания нефтепродуктов, например, битума, нагреванием исходного битума до текучего состояния при перемешивании смеси исходного и обезвоженного битумов при 100 – 150°C. Этот способ трудоемок, так как необходимо перемешивать смесь битумов с добавкой поверхностно-активного вещества с использованием специальных мешалок при температуре 100 - 150°C. (Авторское свидетельство СССР №1747467, 1990 г.).
Температура вспышки у битума находится на уровне 220 – 240°C, поэтому можно греть весь объем битума при такой температуре, но нельзя применить этот способ для обезвоживания такого нефтепродукта, как мазут, температура вспышки которого в открытом тигле около 110°C (П.В. Чулков, И.П. Чулков, Краткий словарь-справочник по нефтепродуктам, М., Политехника, 1997 г.).
2
Из патента RU 2127298, опубл. 10.03.1999 г. известен способ термического обезвоживания мазута. Обводненный мазут подвергают местному нагреву в резервуаре с помощью нагревателей с температурой поверхности 150 – 190°C. Нагрев ведут до достижения заданного содержания воды в мазуте. При этом отношение поверхности нагревателя к массе мазута составляет 0,2-0,4 м/т.
При этом способе имеет место большой расход электроэнергии, т.к. происходит только локальный разогрев, и для улучшения теплопередачи необходимы затраты на перемешивание разогреваемой массы. Кроме того, осаждение продуктов распада нефтепродуктов на поверхности нагревателей приводит к значительному снижению КПД нагревания и выходу устройства из строя. Недостатком данного способа является также необходимость использования воды для работы эжектора, что приведет к неизбежному ее загрязнению нефтепродуктами, содержащимися в водяном паре.
Из патента RU 2122564, опубл. 27.11.1998 г., известно устройство для обезвоживания мазутного шлама. Устройство содержит резервуар с вмонтированными в его нижней части обогревателями, а в верхней части резервуара выполнен люк. Трубопровод соединяет резервуар через люк с холодильником, а обогреватели расположены в плоскости, параллельной поверхности заполняемой в него жидкости - мазутного шлама и отстоят от дна резервуара на расстоянии 0,05 - 0,25 от его высоты.
Из патента US 9868913 B2, 16.01.2018 г. известно устройство для обезвоживания мазута, состоящее из реактора и холодильника, соединенных между собой трубопроводом, печи, выполнено автоматизированным, в реакторе установлены змеевики, имеется водяной холодильник и вакуумный насос (см. фиг.1, кол. 12 с.43-50, кол. 13 с. 12-18.  Известное устройство принято нами за наиболее близкий аналог.
Технический результат заявляемого изобретения: быстрое и эффективное удаление воды из нефтешламов и обводнённого мазута на территории бункеровки, мазутных терминалов и нефтебаз, возвращая обезвоженный мазут на реализацию.
Заявляется устройство для обезвоживания нефтешламов и обводнённого мазута, состоящее из реактора и холодильника, соединенных между собой трубопроводом, печи, устройство выполнено автоматизированным, в реакторе установлены змеевики, имеется водяной холодильник и вакуумный насос, отличающееся тем, что в реакторе установлен нагревательный элемент, который состоит из трёх змеевиков с разными диаметрами вертикально установленных на всю высоту заполнения обводненным сырьём рабочей зоны реактора, имеется воздушный холодильник, ёмкость для приёма воды.
Змеевики в реакторе устанавливаются вертикально на всю высоту заполнения обводненным сырьём рабочей зоны реактора, чтобы производить равномерный разогрев обводненного сырья в реакторе по всему объёму.
Воздушный холодильник позволяет перевести водяной пар, который получается или образуется в реакторе в процессе обезвоживания нефтешламов и обводненного мазута в паровой конденсат. (водяной холодильник переводит паровой конденсат в воду).
Ёмкость предназначена для приёма и сбора воды после обезвоживания нефтешламов и обводненного мазута.
Вакуумный насос создает разрежение по всей технологической схеме, обеспечивая тем самым максимальный отбор паровой фазы.
Изобретение поясняется иллюстрацией.
На Фиг.1 представлена блок-схема установки глубокой переработки нефтешламов и обводнённого мазута производительностью 10 тысяч тонн в год, где:
1 - насос Н-1 по подаче сырья в ёмкости Е-1,2;
2 - ёмкость Е-1 для приёма и хранения сырья (нефтешлам, мазут с содержанием воды до 50% с устойчивой эмульсией);
3 - ёмкость Е-2 для приёма и хранения сырья (нефтешлам, мазут с содержанием воды до 50% с устойчивой эмульсией);
4 -  ёмкость Е-3 для сбора подтоварной воды;
5 -  фильтр грубой очистки Ф-1;
6 -  фильтр тонкой очистки Ф-2;
7-   насос Н-2 по подачи сырья в реактор Р-1;
8 -   реактор Р-1;
9 -   воздушный холодильник ВХ-1;
10 -  водяной холодильник В-1;
11 -  ёмкость Е-4 для приёма воды;
12 -  вакуумный насос Н-3;
13 -  насос Н-4 по откачки воды из Е-4 на дополнительный отстой;
14 -  насос Н-5 по откачки обезвоженного мазута из Р-1 в Е-5;
15 -  емкость Е-5;
16 -  насос Н-6 по откачке обезвоженного мазута из Е-5 в парк
готовой продукции;
17 -  ёмкость Е-6 для приёма, хранения и откачки термомасло;
18 -  насос Н-7 по перекачке термомасло;
19 -  печь П-1.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Заявляемое устройство реализовано в установке по глубокой переработке нефтешламов и обводнённого мазута производительностью 10 тысяч тонн в год.
3
0
0
0
При закачке сырья насосом Н-1 (Фиг.1 поз.1) сырье поступает в ёмкость Е-1 (Фиг.1 поз.2) и в ёмкость Е-2 (Фиг.1 поз.3) каждая из ёмкостей объёмом по 50 м. После заполнения ёмкостей Е-1,2 (Фиг.1 поз.2,3) сырьём (нефтешлам, мазут с содержанием воды до 50% с устойчивой эмульсией) нагревается до 60С-90С и отстаивается в течение 8 часов. Далее производится подрезка свободной (выпавшей) воды через нижнюю дренажную задвижку по линии закрытого дренирования в нулевую ёмкость Е-3 (Фиг.1 поз.4) Процесс отстаивания сырьевого продукта и выделение из него водной фракции интенсивнее происходит при температуре сырьевого продукта 60С÷90°С. Удаление воды из ёмкости осуществляется вручную. Для определения количества воды в обводненном мазуте отбираются пробы. По результатам анализов, подбираются параметры по ведению технологического процесса. Ёмкости Е-1,2 (Фиг.1 поз.2,3) работают последовательно или поочередно, если одна из ёмкостей подключена к схеме по подаче первично подготовленного сырья на переработку на установку, то другая ёмкость подключена к схеме по приёму сырья. Такая схема позволяет обеспечить непрерывную работу установки.
Уровень в ёмкостях Е-1,2 (Фиг.1 поз.2,3) контролируется вручную (метршток) через смотровое отверстие, которое установлено на люк-лазе. Для определения количества воды в обводненном мазуте отбираются пробы. По результатам анализов подбираются параметры по ведению технологического процесса.
Сырье в ёмкостях Е-1,2 (Фиг.1 Поз.2,3) нагревается теплоносителем, в качестве которого используется термомасло АМТ-300. Теплоноситель подаётся по обратной схеме после реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8), температура сырья контролируется датчиком с выводом показаний на шкаф управления в операторной. Дополнительно установлены датчики по контролю температуры еще на других позициях: верх и низ реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8), на трубопроводе паровой фазы после воздушного холодильника ВХ-1 (Фиг.1 поз.9) и водяного холодильника В-1 (Фиг.1 поз.10), на трубопроводе термомасла до и после печки П-1 (Фиг.1 поз.19), все показания выведены на шкаф управления.
3
3
После получения результатов анализов на содержание воды в сырье производится корректировка по производительности установки, и она может изменяться от 0,5м до 1,5м в час. Расход сырья на установку задается через регулирующий клапан со щита в операторной, а сам расход сырья контролируется через расходомер. Перед сырьевыми насосами установлены два фильтра, один грубой очистки Ф-1 (Фиг.1 поз.5) и один тонкой очистки Ф-2 (Фиг.1 поз.6).
о
о
Подготовленное и разогретое сырьё подаётся на прием насоса Н-2 (Фиг.1 поз.7), по трубопроводу диаметром Ду80, далее сырьё подаётся в реактор Р-1 (Фиг.1 поз.8). В реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) установлен нагревательный элемент, который состоит из трёх змеевиков с разными диаметрами (900 мм, 600 мм, 300 мм) из трубопровода диаметром Ду50 общей протяженностью трубопровода 210 метров. Змеевики установлены вертикально именно так, чтобы одновременно производить, разогрев обводненного сырья в реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) по всему объёму. За счет большой площади нагревающей поверхности сырьё очень быстро нагревается до температуры от +80С до +150С. Нагрев мазута в реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) производится по закрытой схеме теплоносителем (масло АМТ-300), а сам нагрев теплоносителя (масло АМТ-300) производится в печи П-1 (Фиг.1 поз.19) с помощью дизельной горелки "Lamborghini". Дымовые газы выводятся в атмосферу через трубу.
Схема подачи теплоносителя в реактор Р-1 (Фиг.1 поз.8) следующая:
0
0
Из ёмкости Е-6 (Фиг.1 поз.17) прокачивается (масло АМТ-300) насосом Н-7 (Фиг.1 поз.18) через печь П-1 (Фиг.1 поз.19) где нагревается от +120С до +180С и подаётся в реактор Р-1 (Фиг.1 поз.8). После разогрева в реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) обводненное сырьё, термомасло по обратной линии подаётся в ёмкости Е-1,2 (Фиг.1 поз.2,3) для разогрева вновь поступившего сырья на переработку, далее термомасло поступает в ёмкость Е-6 (Фиг.1 поз.17).
3
2
Конструкция самого реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8) состоит из следующего. Вход обводненного сырья производится в верхнюю часть аппарата на 2/3 по высоте от основания, выход обезвоженного сырья производится из нижней кубовой части реактора. Объём рабочей зоны, где происходит процесс разделения сырья от воды, составляет 3 м, что позволяет увеличить время интенсивного выпаривания воды. Полученные результаты проведения эксперимента (или работы установки) указаны в таблице №1. В верхней части реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8) смонтировано фланцевое соединение диаметром Ду1000 мм для того, чтобы в случае выхода из строя нагревательного элемента (тройной змеевик) по входу и выходу сварен по кондуктору и при выходе из строя нагревательного элемента, замена производится в течение одной рабочей смены без подготовки мероприятий и проведение огневых работ внутри аппарата, для чего следует предварительно снять крепёж на двух фланцевых соединениях Ду 1000 мм, Ду 100 мм и с помощью грузоподъёмного механизма снять верхнюю часть реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8). В процессе интенсивного нагрева обводненного сырья происходит испарение воды, паровая фаза выводится из верхней части реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8) по трубопроводу Ду 100 мм, через воздушный холодильник ВХ-1 (Фиг.1 поз.9) и далее через водяной холодильник В-1 (Фиг.1 поз.10), где происходит охлаждение пара с последующим сбором воды в ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11). Для более быстрого отбора паровой фазы установлен насос Н-3 (Фиг.1 поз.12) вакуумный водокольцевой ВВН 1-1,5 УХЛ 4, с помощью которого создаётся разрежение до минус 1 кг/см. Насос установлен после ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11) для того, чтобы создать разрежение по всей технологической схеме, начиная от реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8), где формируется паровая фаза до ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11), где производится сбор парового конденсата или воды. На ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11) установлен выносной ДУ (датчик уровня), на котором выставлены минимальные и максимальные значения. При наборе воды в Е-4 (Фиг.1 поз.11) до 80% срабатывает датчик и автоматически включается в работу насос Н-4 (Фиг.1 поз.13) по откачке воды из ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11), в блок дополнительного отстоя. Насос Н-4 (Фиг.1 поз.13) останавливается при достижении минимального уровня воды в ёмкости Е-4 (Фиг.1 поз.11) до 20%. Все показания ДУ и работа насоса Н-4 (Фиг.1 поз.13) выведены на щит управления в операторной. Обезвоженный продукт перекачивается из нижней части реактора Р-1 (Фиг.1 поз.8) с помощью насоса Н-5 (Фиг.1 поз.14) в промежуточную ёмкость Е-5 (Фиг.1 поз.15). Из ёмкости Е-5 (Фиг.1 поз.15) насосом Н-6 (Фиг.1 поз.16) продукт откачивается в резервуар или любую из ёмкостей, предназначенных для приёма обезвоженного нефтепродукта для дальнейшего хранения (на Фиг. не показано).
Установка смонтирована на подготовленной площадке и привязана к местности. В состав установки входят два контейнера, в которых расположено всё технологическое и насосное оборудование. Данная установка позволит решить проблему по удалению воды и устойчивой эмульсии из тяжёлых нефтепродуктов (мазут) на территории бункеровки, мазутных терминалов и нефтебаз, возвращая обезвоженный мазут на реализацию. В настоящее время уже подготовлен проект и ведутся монтажные работы по мобильной установке.
На установке предусмотрена автоматическая система безопасности, при остановке сырьевого насоса по подачи мазута на установку, падения напряжения, прекращение подачи воды, остановке вакуумного водокольцевого насоса, автоматически отключается горелка "Lamborghini".  При установке заданных параметров горелка работает автоматически, поддерживая заданную температуру нагрева термомасло.
Таким образом, следующие конструктивные новшества:
-  нагревательный элемент, который состоит из трёх змеевиков с разными диаметрами установлен вертикально на всю высоту заполнения обводненным сырьём рабочей зоны в реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) позволяют производить равномерный разогрев обводненного сырья в реакторе по всему объёму;
- нагревательный элемент по входу и выходу сварен по кондуктору, замена производится в течение одной рабочей смены без подготовки мероприятий и проведение огневых работ внутри аппарата;
- объём рабочей зоны в реакторе Р-1 (Фиг.1 поз.8) позволяет за один цикл работы установки отбить из сырья до 85-93% от общего объёма воды.
Кроме того, весь технологический процесс на установке ведётся в автоматическом режиме, установка может быть выполнена мобильной.
3
В таблице представлены основные показатели работы установки: производительность установки в (м/час),
содержание воды в сырье (мазут) на входе на установку в (%)
содержание воды в сырье (мазут) на выходе с установки в (%) после переработки, а также время работы установке.
3
По работе установке получены следующие результаты, из которых видно, что при переработке мазута с содержанием воды до 8%, установка работает с максимальной производительностью до 1,5 м/час и для удаления воды из сырья необходим временной цикл (работа установки при нормальном технологическом режиме) в течение 2 часов, содержание воды в сырье на выходе с установки составляет 0,5% -1,1%.
При увеличении содержания воды в (%) в сырье уменьшается производительность установки и увеличивается временной цикл.
Сырьё (мазут) с содержанием воды с выше 50% не перерабатывали, считая, что не целесообразно, так как экономической составляющей нет.
3
В процессе переработки обводненного сырья (мазут) содержание воды до 50% в три раза увеличивается временной цикл и составляет 6 часов работы установки, производительность установки уменьшается до 0,5 м/час, содержание воды в сырье на выходе с установки составляет 2,0% - 3,1%.
3
По результатам испытаний оптимальный технологический режим установки составляет по производительности 1 м/час при содержании воды в сырье на входе от 15% до 30%.
Таблица №1
п/п
Производительность установки(м<sup>3</sup>/час)
Один цикл работы установки (час)
Содержание воды на входе на установку (%)
Содержание воды на выходе с установки(%)
Примечание
1.
1,5
2
5-8
0,5-1,1
2.
1,25
2,4
8-15
1,3-2,4
3.
1,0
3,0
15-25
1,2- 2,7
4.
0,75
4,0
25-35
1,8-3,4
5.
0,5
6,0
35-50
2.0-3,1