Оценка эффективности процесса экстрагирования углеводородов из нефтезагрязненных грунтов

Я. С. Мухтаров, Р. Ш. Суфиянов

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЭКСТРАГИРОВАНИЯ УГЛЕВОДОРОДОВ

ИЗ НЕФТЕЗАГРЯЗНЕННЫХ ГРУНТОВ

Ключевые слова: нефтезагрязненные грунты, экстрагирование углеводородов.

На примере процесса экстрагирования углеводородов из нефтезагрязненных грунтов низкокипящим растворителем рассмотрена методика расчета потока масс на основе гипотезы о минимуме производства энтропии. Проведено сопоставление результатов расчета с полученными экспериментальными данными.

Keywords: oily soils, extracting hydrocarbons.

Taking as an example the process of extracting hydrocarbons from oily with volatile solvent, the technique of calculating the mass flow based on the hypothesis of minimum entropy production is considered. Сalculation results and experimental data are compared.

Существует множество методов [1, 2] нейтрализации отрицательного воздействия нефтесодержащих грунтов (НСГ) на окружающую природную среду и методик их расчета [3], отличающихся аппаратурным оформлением, технологическими режимами, выбором целевой функции и т.п.

Для оценки эффективности процесса экстрагирования углеводородов нефти из нефтезагряз-ненных грунтов (НЗГ) воспользуемся известными предпосылками и постулатами [4]. В качестве элементарного объекта исследования примем макроячейку - короткоживущее физическое образование. Процессы, протекающие внутри макроячейки, описываются соотношениями квантовой механики, а за ее пределами, законами термодинамики. Таким образом, границы макроячейки являются границами между микро- и макроуровнями.

Запишем уравнение сохранения массы для изотропной однородной среды

д р э7

.. , дJ 2J divJ = — +—, д r r

где Р - плотность экстрагируемого вещества; 1 -время; г - радиус макроячейки.

Приведем дифференциальные уравнения к конечно-разностным:

др &J 2J — + — + — = 0 . At дг r

При условии, что элементарное приращение радиуса макроячейки неизмеримо меньше самого радиуса, очевидно:

aJ = 2J дг r

На основе представленных выражений запишем формулу для расчета плотности потока массы

J =

дРдг

At '

где др - отношение массы молекулы к приращению объема макроячейки д V .

Для определения плотности потока массы для чистого вещества вблизи термодинамического равновесия воспользуемся формулой

J =

2

1 MkT/ 2okT\3

( 20kT)3( 6 )2.

' ph ' 'np(ch)3'

4 Na

Знание плотности потока масс позволяет вычислить максимально возможную производительность экстрактора на основании предположения о том, что все макроячейки участвуют в процессе массообмена. По существу, вычисленная плотность потока масс служит критерием эффективности массообменного процесса и ее можно использовать для оценки КПД экстрактора.

Для определения количества макроячеек предположим, что вся поверхность частиц нефтезаг-рязненного грунта покрыта слоем макроячеек нефти, а в качестве поверхности массообмена примем удельную поверхность частиц. При этом есть основания полагать, что активный массообмен будет происходить на половине поверхности макроячеек, обращенных в сторону экстрагента. Экспериментальное определение удельной поверхности частиц исследуемого нефтезагрязненного грунта показало, что она составляет 0,102 м2г-1.

Несмотря на очевидность того факта, что при перемешивании выщелачиваемой массы интенсивность процесса возрастает, представляет интерес определение степени повышения эффективности процесса по сравнению с выщелачиванием без перемешивания, т.е. с массоотдачей только благодаря молекулярной диффузии.

В табл. 1 представлены вычисленные значения J, полученные в соответствии с разработанной методикой, а также результаты экспериментального определения Jэксп потока массы углеводородов

нефти (наличие перемешивания имеет обозначение «*»).

Все эксперименты проводили при постоянной температуре 20 0С, в случае перемешивания, которое продолжалось 30 сек. Результаты показывают: при перемешивания интенсивность экстрагирования возрастает на порядок, при этом изменение соотношения «экстрагент : НЗГ» практически не оказывает влияния.

Таблица 1 - Результаты определения потока массы углеводородов при наличии и отсутствии перемешивания в экстракторе

оптимального) значения КПД, соответствующего пределу, обусловленному принятыми допущениями.

В табл. 2 представлены значения КПД, рас-

Экстра- гент/НСГ Нефтесодержание грунта, % J , -10 3 кг-м 2*с

Вычисле- ние Экспе- римент

2/1 5 0.32 0.4210

2/1 10 0.57 0.8420

2/1 15 0.70 1.263

2/1* 15 0.02 1.263

3/1 5 0.350 0.4210

3/1 10 0.64 0.8420

3/1 15 0.89 1.263

3/1* 15 0.02 1.263

4/1 5 0.3833 0.4210

4/1 10 0.7583 0.8420

4/1 15 1.10 1.263

4/1* 15 0.03 1.263

5/1 5 0.4083 0.4210

5/1 10 0.8250 0.8420

5/1 15 1.2420 1.263

5/1* 15 0.03 1.263

Гидродинамический режим в экстракторе во многом определяет интенсивность процесса, и в условиях производства важно правильно оценить кинетические закономерности экстракции, которые, в свою очередь, зависят от скорости перемешивания, равномерности распределения по сечению аппарата, характера движения потоков и др.

Не менее важна при создании экстракционных аппаратов является информация о потенциальных возможностях разработанных экстракторов с последующим поиском резервов для интенсификации процесса. И в этом случае поток массы экстрагируемого вещества, определенный при условии минимума производства энтропии в соответствии с разработанной методикой и являющийся максимально возможным потоком массы, является тем пределом, к которому необходимо стремиться при осуществлении процесса экстрагирования.

На рис. представлены графики зависимости потока масс углеводородов нефти в метиленхлориде, определенные экспериментально при температуре 30 0С, как при интенсивном перемешивании, так и рассчитанные по разработанной методики для грунтов с различным нефтесодержанием.

Результаты подтверждают возможность повысить интенсивность экстрагирования до достижения некоторого максимального (термодинамически

Л

14

15

Мпуі

Рис. - Результаты расчета и эксперимента по определению потока масс Ji углеводородов нефти в метиленхлориде: X -нефтесодержание в НЗГ; - • - • - поток

масс, рассчитанный по методике;--------

при соотношении экстрагент : НЗГ - 5:1; ..- 3:1;-----2:1

считанные на основе экспериментальных данных и результатов расчета потока масс по разработанной методике (предельное значение КПД принято равным 1).

Таблица 2 - КПД экстрагирования при различных параметрах процесса

Соотношение экстрагент : НСГ Нефтесодержание НСГ, % к КПД

2 : 1 5 : 0,73 10 : 0,66 15 : 0,54

4 : 1 5 : 0,89 10 : 0,88 15 : 0,85

5 : 1 5 : 0,96 10 : 0,96 15 : 0,96

Максимальных значений КПД невозможно достичь не только из-за неоптимальных условий проведения процесса, но и наличия в нефтезагряз-ненных грунтах высокомолекулярных химических соединений, не растворяющихся в рассмотренном растворителе. Тем не менее, сама возможность оценки эффективности проведения процесса экстракции, позволяет ставить цели для его совершенствования.

Литература

1. Суфиянов, Р.Ш. Исследование влияния реагентов на эффективность химического обезвреживания нафтесо-держащих грунтов / Р.Ш. Суфиянов // Защита окружающей среды среды в нефтегазовом комплексе. - 2011. - № 4. - С. 12-16.

2. Мухтаров, Я. С. Влияние потерь растворителя на рентабельность процесса обезвреживания нефтезагрязненных грунтов / Я.С.Мухтаров, Р.Ш. Суфиянов, В.А. Лашков //

Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2012. - № 11. - С. 197-198.

3. Мухтаров, Я.С. Моделирование процесса обращения с нефтезагрязненными грунтами / Я.С. Мухтаров, Р.Ш. Суфиянов, Н.И. Гданский, В.А. Лашков // Вестн. Казан. технол. ун-та. - 2012. - № 11. - С. 201-204.

4. Майков, В.П. Расширенная версия термодинамики -физика дискретного пространства-времени / В.П. Майков. - М.: МГУИЭ, 1997. - 160 с.

© Я. С. Мухтаров - д-р техн. наук, проф. каф. машиноведения КНИТУ, lashkov_dm@kstu.ru; Р. Ш. Суфиянов - канд. техн. наук, доц. каф. переработки природных материалов МГУИЭ.