Каспийский
государственный университет
технологий
и инжиниринга имени Ш.Есенова. Республика Казахстан
К вопросу улавливания
углеводородов, испаряющихся
с поверхности
отстойников нефти
Кенжетаев Г.Ж., Нурбаева
Ф.К., Сулейменова Б.С., Елдесбаева Р.
Ключевые слова: резервуары, нефть,
легкие фракций углеводородов, амбары-накопители, высокопарафинистая нефть, выбросы, солнечная энергия.
ВВЕДЕНИЕ
Борьба с потерями
нефтепродуктов – один из важных путей экономии топливно-энергетических
ресурсов, играющих ведущую роль в развитии экономики. Основным видом потерь
нефти и нефтепродуктов, практически полностью неустранимых на современном
уровне развития средств хранения и транспорта углеводородов, являются потери от
испаренияне только из резервуаров, но вместе с тем и как и от разлитой нефти,
так и от нефти в технологических отстойниках-накопителях. Следует отметить, что
территории занятые под накопители разлитой аварийной нефти занимают до 15% на
месторождениях. И ущерб, наносимый этими потерями, состоит не только в
уменьшении топливных ресурсов, но и отрицательных экологических последствиях,
которые являются результатом загрязнения окружающей среды и атмосферного
воздуха в районах накопителей сливной нефти. Испарение как из технологических
емкостей-резервуаров, так и из земляных емкостей-накопителей при отсутствии
технических средств их сокращения-улавливания является основным источником
потерь нефти и нефтепродуктов. В соответствии с рекомендациями Европейской
Комиссии по охране окружающей среды, в ЕС введены нормативы на улавливание
паров углеводородов. К 2020 г. все резервуарные парки
нефтебаз, терминалы загрузки светлых нефтепродуктов (в том числе и
автоцистерны) должны быть оснащены системами улавливания паров бензина,
обеспечивающих улавливание 80% углеводородов.
Актуальность темы.
Известно,
что при
полном заполнении резервуаров РВС-2000 при стандартных условиях в летний период
вместе с вытесняемой паровоздушной смесью выбрасывается около 10 тонн нефти. С поверхности амбаров-накопителей
сливной нефти, эти выбросы с такой же площади составляют2 тонны. Данные по
выбросам углеводородов с поверхности амбаров-накопителей, отсутствуют. Выбросы
испаряющихся с поверхности накопителейуглеводородов, ухудшают не только
экологическую обстановку, они ухудшают и качества утилизированной нефти. В этой
связи разработка высокоэффективной гелиотехнической системы разогрева,
обеспечивающей получение качественной продукции за счет улавливания и сбора
испаряющихся углеводородов при
извлечении из амбаров-отстойников высокопарафинистой нефти актуальна.
Цель работы. Разработка экологически и экономически целесообразного способа улавливания углеводородов
испаряющихся с поверхности отстойников.
Методы исследований. В
работе использованы стандартные методы изучения физико-химических и
теплотехнических свойств объектов, классические методы экологической оценки и
мониторинга. Лабораторно-аналитические исследования образцов амбарной нефти и
подбор составов для получения обратной эмульсии проведены с использованием
известных общепринятых методов.
Установлено, высокое содержание парафина
Мангышлакской нефти, определяют высокие температуры ее застывания tз = 29-32° С, при средней молекулярной массе р
= 310 нефть имеет температуру начала
кипения около 90°С. Общая эмпирическая формула
парафиновых углеводородов СnН2n+2 объединяет газообразные
углеводороды, начиная с метана СH4, жидкие, начиная с пентана C5H12,
и твердые (Н- парафины), начиная с гексадекана С16Н34Нефтяная
фракция с большим содержанием парафина расположена на поверхности воды,
заполняющей естественные углубления в почве. Толщина нефтяного слоя составляет
около 0,5 метра, а подстилающий слой воды - 0,5-0,8 метра. Учитывая свойства
нефтепродукта и характер воздействия внешних факторов, можно предположить
неравномерное распределение абразива (песка) на поверхности застывшей нефти,
что практически препятствует испарению легких фракций углеводородов С6С5,
являясь изоляцией (рис. 1).
Вверху: 1–абразив, на поверхности застывшей
нефти; 2–абразив погрузившийся в слой нефти; 3–застывшая нефть; 4–вода; 5-грунт+нефть; 6-грунт.
Внизу: 1-слой разогретой жидкой нефти; 2-абразив
на поверхности нефти; 3-застывшая нефть; 4-вода; 5-грунт+нефтепродукт; 6-грунт.
Рисунок 1 - Схема
накопления абразива на поверхности нефти в накопителе
В работе рассмотренаи решена задача расчета
границы затвердевания: на поверхности нефтепродукта с высоким содержанием
парафина температура постоянна и ниже температуры кристаллизации 
; на границе затвердевания тепловой поток из жидкости 
. Начальная температура полуограниченного тела равна
температуре затвердевания 
и, следовательно 
. При постоянной температуре на поверхности нефти тепловой
поток из затвердевшей области к границе затвердевания определяется:
;
(1)
и уравнение теплового баланса принимает вид:
.
(2)
Решая это уравнение, определяем местоположение
границы затвердевания:
.
(3)
Значения 
, вычисленные по формуле (3), приведены на рисунке 2.Решение
рассмотренной задачи довольно сложно, хотя краевые условия задачи простые. В
действительности условия задач более сложные.
Рисунок 2 – График
зависимости 
Точное аналитическое решение таких задач
невозможно, их нелинейность не позволяет применить принцип суперпозиции. Эти
задачи определяют степень фазового перехода нефти из твердого агрегатного
состояния в жидкое, от температуры которой зависит степень испарения легких
фракций углеводородов.
Исследование процессов испарения нефти. При
испарении нефти и нефтепроуктов из открытых сосудов при 15-16°С испаряемость их
за два месяца составляет 8-15% при толщине разлитого слоя 100 мм. Уменьшение
толщины слоя до 10 мм существенно ускоряет процесс испарения. И при этом
двухмесячный порог испарения на уровне 14-15% для нефтяных разливов большой
толщины достигается для тонких слоев трое суток, при этом стабилизация потерь в
тонком слое нефти наблюдается только после 20суток испарения.
Например, дизельное топливо в толстом слое
испаряется значительно медленнее, чем в тонком: двухмесячный порог испарения
около 8% достигается в тонком слое уже после двух суток испарения. Испарения
нефти и нефти при обдуве их поверхности воздухом при скорости 5 м/с и при
температуре 20-22°С существенно интенсифицирует процесс испарения: испарение за
1час при средней скорости ветра 5 м/с
эквивалентно суточному испарению при безветренных условиях. При наличии легкого ветра от исходной массы
разлитых продуктов испаряется за сутки до стабилизации системы: нефти до
20-22%, дизельного топлива – более 35%, разлитый бензин испаряется практически
в течение первых десяти часов, при этом бензин испаряется практически полностью
(на 98,8%) за 5 часов (рис. 3,4).
а)
б)
а) Мангышлакская нефть;
б) Тенгизская нефть.
1 – 1час; 2 – 5часов; 3
– 10 часов; 4 – 24часа
ряд 1 – скорость
воздуха 0 м/с; ряд 2 – 0.4 м/с; ряд 3 –
2,0 м/с; ряд 4 – 5,0 м/с
Рисунок 3 – Интегральное
количество испаряющейся нефти, %
Анализ поведения нефтяного разлива позволил
выделить две стадии процесса испарения: на первой стадии процесс испарения
определяется кинетикой испарения легких фракций и может быть описан уравнением
вида:
где –
количество испарившегося продукта; 
- предельное
количество испарившегося продукта; к – константа скорости процесса
испарения легких фракций; t–продолжительность
испарения.
а)
б)
а) Бензин (АВТ); б)
Дизельное топливо (зимнее)
1 – 1час; 2 – 5часов; 3
– 10 часов; 4 – 24часа
ряд 1 – скорость
воздуха 0 м/с; ряд 2 – 0.4 м/с; ряд 3 –
2,0 м/с; ряд 4 – 5,0 м/с
Рисунок 4 – Интегральное
количество испарения бензина и дизельного топлива, %
Как видно из результатов опытов, испарение нефти и нефтепродуктов
наиболее интенсивно происходит в течение первых 10 часов, при этом бензин
испаряется практически полностью. Это позволяет оценить степень загрязнения
воздушной среды токсичными испарениями, и потребность средств, для сбора нефти
и ликвидации отстойников локализованной нефти. На второй стадии процесса
испарение характеризуется практически равномерным низкоскоростным уносом части
оставшегося нефтепродукта. Таким образом, при определении размеров ущерба
окружающей среде при аварийных разливах нефти по объему разлива нефти, по его
площади и толщине слоя более чем через сутки от момента разлива необходимо
учитывать испарившуюся нефть в количествах до 23% от объема замеренного разлива
и полное испарение.
Рисунок 5 –Влияние ветра
на продолжительность полного испарения нефти
Разработка гелиосистемы
улавливания испаряющихся углеводородов. Испарение углеводородов с поверхности
разлитой нефти в амбарах-накопителях, кроме загрязнения атмосферы, и ухудшения
экологической ситуации приводит к пожароопасным ситуациям. В этой связи
необходимо принятие технического решения улучшения экологической ситуации в
районах отстойников аварийной аномальной нефти. Для достижения этой цели, и
обеспечения герметичности, светопрозрачное покрытие 4, с торцевых сторон
закрывается прозрачными пластиковыми стенками 5, а в нижней плоскости покрытия
закрепляется полимерная труба 6 диаметром
100 мм, для улавливания и откачки углеводородов (рисунок 6). Улавливание паров
углеводородов, может быть достигнуто за счет применения струйно-компрессорной
установки (СКУ). В этих установках для улавливания
паров легких фракций в качестве рабочей среды можно использовать нефтепродукт,
поступающий в резервуар, а затем подавать уловленные пары непосредственно в
нефтепродукт. При этом схема становится замкнутой. Cтруйно-компрессорные установки (СКУ) для
улавливания легких фракций обеспечивают высокую степень сокращения потерь,
просты и надежны в эксплуатации.
1- U – образная
труба-подогреватель; 2 – поплавки-воздухонагреватели;
3 – устройство для
крепления покрытия; 4 – светопрозрачное покрытие;
5 – торцевые стенки
(прозрачные); 6 – труба для отбора паров нефти.
Рисунок 6 –
Гелиотехническая система улавливания углеводородов
Принцип работы СКУ состоит в
следующем. Рабочая жидкость подается в эжектор через сопло с помощью насоса и
увлекает за собой пассивный поток паровоздушной смеси из резервуара (рис.8).
Рисунок 8 – Схема отвода
паров уловленных углеводородов
Применение
СКУ для улавливания легких фракций с использованием жидкостно-газовых струйных
аппаратов с углеводородным рабочим телом позволяет решить основные проблемы,
вызываемые испарением нефти и нефтепродуктов, и повысить экологическую чистоту
в процессе разогрева и извлечения сливной нефти из земляных емкостей, а также:
§
значительно снизить загрязнение атмосферного воздуха выбросами ВВ;
§
обеспечить постоянство состава хранимого нефтепродукта;
§
100%
снижение технологических потерь нефтепродуктов от испарения при ликвидации
отстойников сливной нефти.
Вывод.
1. На основе
математических расчетов проведен анализ влияния различных факторов на процесс
испарения углеводородов и определены объемы потерь нефти и
нефтепродуктов при хранении их в земляных емкостях.
2.
Расчетным методом выявлена зависимость времени застывания парафинистой
нефти в амбарах-накопителях и резервуарах от температуры окружающей среды.
3. Изготовлена лабораторная установка для
определения скорости массоотдачи углеводородов. Выполнены лабораторные
исследования процессов испарения нефти и нефтепродуктов. Установлено, испарение
нефти и нефтепродуктов наиболее интенсивно происходит в течение первых 10
часов, при этом бензин испаряется практически полностью.
4. Разработана высокоэффективная гелиосистема
разогрева, обеспечивающая получение качественной продукции за счет улавливания
и сбора испаряющихся углеводородов при
извлечении из амбаров высокопарафинистой нефти.
Список использованной
литературы
1.
Александров A.A. и др. Применение
установки «ЭРЕСТ» для улавливания паров углеводородов на объектах хранения
нефти // Технологии ТЭК. 2006 - №3. - с. 2-7.
2.
Александров A.A., Воробьев В.А.
Исследование процесса улавливания легких фракций углеводородов // Транспорт и
хранение нефтепродуктов . -2004-№11.-С. 3-3.
Апресов К. Потери нефти от испарения в резервуарах и меры для уменьшения
их // Азербайджанское нефтяное хозяйство. -1932. № 8-9. С. 35-47.
4. Ашкинази М.И., Васюта Ю.С. Об эффективности
типовых резервуаров, включенных в газоуравнительную систему // Транспорт и
хранение нефти и нефтепродуктов. 1963. - №2. С.21-25
5.
Ашкинази М.И., Шабанов П.П. К вопросу модернизации резервуаров для
хранения легкоиспаряющихся нефтепродуктов // Транспорт и хранение
нефтепродуктов и углеводородного сырья. 1969. - № 9 . -С. 1-4
6. Баженов И.И.
Исследование работы двухфазных струйных аппаратов // Электрические станции,
1967.-№4.-с.39-41.
7.
Баринов Б.А., Батырева Н.В. Повышение точности определения потерь
нефти// Нефтегазовое хозяйство. 1999 - №9.
8 .Бахтизин Н.Т. Потери нефтепродуктов в сфере
обращения и меры по их сокращению. Уфа: Научное издательство. «Башкирская
энциклопедия»
9.
Кенжетаев Г.Ж., Акбасова А.Д., Бисенова Л.Е. Оценка суммарного показателя
загрязнения атмосферного воздуха нефтегазовых месторождений региона// Проблемы
управления экологическим состоянием Каспийского бассейна: Международная научно-практическая
конференция. –Актау, 2009. –С. 447-454.
10. Кенжетаев Г.Ж., Бисенова Л.Е., Манкешева
О.Т. Способ извлечения сливных нефтеотходов из земляных емкостей//
Перспективные направления альтернативной энергетики и энергосберегающие
технологии: Международная научно-практическая конференция ЮКГУ им. М.Ауезова.- Шымкент, 2010. 27-28 мая 2010 г. -Т. 2. С. 113-177.
11. Акбасова А.Д.,
Кенжетаев Г.Ж. Способ улавливания углеводородов при удалении нефти из земляных
емкостей//
Научный журнал «Вестник Ясави». –Туркестан, 2010 №
6-С.132-137.
12. Кенжетаев Г.Ж., Мукашева А.Т. Снижение
экологической нагрузки в районах амбаров-накопителей. Научный журнал МОиН РК.
Поиск. № 1 - 2012. С. 83-88.