СПОСОБ РАЗДЕЛЕНИЯ ТВЕРДОЙ И ЖИДКОЙ ФАЗ ВОДОНАСЫЩЕННОГО ТЕХНОГЕННОГО НЕФТЕШЛАМА Российский патент 2010 года по МПК C02F11/14 C02F1/461 

1. Область техники

Изобретение относится к технологии разделения твердой и жидкой фаз и может быть использовано преимущественно для выделения нефтепродуктов из различных видов нефтесодержащих техногенных шламов, а также для обезвоживания различных видов техногенных шламов.

2. Уровень техники

Известен способ переработки нефтяных шламов, при котором на разных стадиях переработки нефтяной шлам нагревают водяным паром: в зоне приема до 45°C, в подогревателе-смесителе до 80°C, после чего очищенную нефтяную фазу нагревают водяным паром в теплообменнике до 95°C (RU №2078739, М. Кл.⁷: С02F 9/04, 1993 г.).

Недостатком известного способа является малоэффективное использование водяного пара: только для нагрева обрабатываемой среды, в то время как придание соответствующих свойств пару может существенно повысить эффективность переработки нефтяных отходов.

Наиболее близким аналогом заявленного предложения, принятым в качестве прототипа, является способ разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного шлама путем внесения гидролизованных алюмосиликатов, при котором предварительно определяют исходное значение рН шлама и при 7≤pH≤10 вносят гидролизованные алюмосиликаты с 2≤pH≤5 в количестве, достаточном для уменьшения значения pH на 1-3 единицы, а при 4≤pH≤7 вносят гидролизованные алюмосиликаты с 9≤pH ≤12 в количестве, достаточном для увеличения значения pH на 1-3 единицы, при этом гидролизованные алюмосиликаты вносят в виде водной суспензии с 10-15% концентрацией твердой фазы путем подачи ее под давлением 2-5 ати, а через 10-50 часов после внесения гидролизованных алюмосиликатов вносят утяжелитель в виде водной суспензии супеси и/или суглинка, содержащей твердую фазу в количестве 10-50 г на 1 л шлама (RU №2247082, М. кл.⁷: С02F 11/14, 2003 г.).

Недостаток прототипа заключается в том, что он решает только частную задачу переработки техногенных отходов, а именно разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного шлама, в том числе нефтешлама. Кроме того, алюмосиликаты (например, полевой шпат CaAl₂Si₂O₈) представляют собой группу силикатов, в которых часть ионов (SiO₄)^4- замещена ионами (AlO₄)^5-. Возникшие при таком замещении избыточные отрицательные заряды компенсируются обычно катионами К⁺ или Na⁺, не растворимыми в воде. Таким образом, введение в состав раствора шлама алюмосиликатов, как и утяжелителя, приводит к образованию соединений, ряд из которых растворим в воде и требует дополнительных усилий по их выведению из продукта переработки.

3. Раскрытие изобретения

Задачей изобретения является повышение эффективности разделения твердой и жидкой фаз техногенного шлама, а именно нефтешлама, путем благоприятного изменения его pH без внесения в него трудновыводимых дополнительных веществ.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного нефтешлама, предварительно определяют исходное значение его рН и при 7≤рН≤10 обрабатывают нефтешлам нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания его через анодную зону электролизера до достижения им 2≤рН≤5 в количестве, достаточном для уменьшения значения рН шлама на 1-3 единицы, а при исходном значении рН нефтешлама 4≤рН≤7 обрабатывают нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания его через катодную зону электролизера до достижения им 9≤рН≤12 в количестве, достаточном для увеличения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы.

Активированный водяной пар вводят в придонные слои шлама.

4. Осуществление способа

Сущность заявленного изобретения заключается в том, что рН нефтешлама, благоприятный для разделения его на фазы, в частности, благодаря выведению ионов из раствора путем превращения соответствующих веществ в нерастворимые соединения, выпадающие в осадок, изменяется за счет введения противоположно заряженных содержащимся в нефтешламе ионам. Для этого предварительно определяют исходное значение рН нефтешлама и при 7≤рН≤10 обрабатывают нефтешлам нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания его через анодную зону электролизера до достижения им 2≤рН≤5 в количестве, достаточном для уменьшения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы, а при 4≤рН≤7 обрабатывают нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания его через катодную зону электролизера до достижения им 9≤рН≤12 в количестве, достаточном для увеличения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы. Диапазон температур водяного пара в 60-200°С определяется составом шлама, влияющим на его тугоплавкость (при меньших значениях нефтешлам не плавится, при больших - затрачивается излишнее тепло на нагрев водяного пара). Диапазон изменения рН нефтешлама определяется тем, что он обеспечивает достаточную и экономичную нейтрализацию его кислотности.

Активирование водяного пара происходит следующим образом: проходя через катодную зону электролизера, частицы пара акцептируют испускаемые катодом электроны по типу:

H₂O+e^-→H+OH^-,

ионизируя, таким образом, водяной пар отрицательными ионами.

Напротив, в анодной зоне электролизера от атомов и молекул веществ отбираются электроны, заряжая водяной пар положительно:

H₂O-e^-→H⁺+OH.

В составе молекул водяного пара , испускаемый катодом, гидратируется в e_aq ^-, т.е. обволакивается молекулами воды и охотно переходит к веществам, содержащимся в шламе, имеющим, как правило, большее сродство к электрону, чем вода, взаимодействуя с ними, как показано ниже.

Для повышения эффективности переработки отходов активированный пар вводят в придонные слои шлама. В этом случае обеспечивается доступность пара ко всем частицам отходов.

Пример 1

Измерения pH жидкого нефтяного шлама показали его значение, равное 9,5, что означает преобладание в нефтешламе отрицательных зарядов, например ионов O^2-, CH₄ ^2-. Нефтешлам обрабатывали активированным водяным паром, нагретым до 60-200°C и пропущенным через анодную зону электролизера (анолит) с 2≤pH≤5 в количестве, достаточном для уменьшения значения pH нефтешлама на 1-3 единицы, периодически замеряя pH нефтешлама, до получения pH, равного 7,0. В результате акцептировавший гидратированные электроны нефтешлам обеспечивает нейтрализацию содержащихся в нефтешламе положительных ионов, что приведет к разделению раствора на фазы:

O^2--2e_aq ^-→O↑; C_mH_n ^2--2e_aq ^-→C_mH_n,

где e_aq ^- - гидратированный электрон, т.е. электрон, окруженный атомами воды (Э.Харт, М.Анбар. Гидратированный электрон. М.: Атомиздат. 1973. 280 с.).

Как видим, в результате взаимодействия ионов с гидратированными электронами из жидкого нефтешлама выделились фазы: жидкая (C_mH_n), которую можно выделить из нефтешлама по удельному весу, и газообразная (O), улетучившаяся в атмосферу, т.е. произошло необходимое разделение шлама на две фазы: жидкую и газообразную, содержание воды в нефтешламе снизилось примерно до 50 мас.%, а затраты на переработку отходов уменьшились на 30%.

Пример 2

Измерения pH обводненного нефтяного шлама показало его значение, равное 5,0, что означает преобладание в шламе положительных зарядов (ионов). Нефтешлам обрабатывали активированным паром, пропущенным через катодную зону электролизера (католит) и имеющий pH, равный 10,5, периодически замеряя pH нефтешлама, до получения pH, равного 7,0.

В результате преобладающие в жидком нефтешламе положительные ионы взаимодействовали с гидратированными электронами от поступающих в жидкий нефтешлам отрицательных ионов, нейтрализуя свой электрический заряд и, тем самым, превращаясь в атомы, выделяющиеся из раствора.

Имели место следующие типовые химические реакции:

H⁺+e_aq ^-→H↑;

C_mH_n ²⁺+2e_aq ^-→C_mH_n;

Cu²⁺+2e_aq ^-→Cu↓

Как видим, произошло разделение нефтешлама на три фазы: газообразную (H), жидкую (C_mH_n, которая может быть выделена по удельному весу центрифугированием или отстаиванием) и твердую (Cu, выпадающий в осадок), а содержание воды в нефтешламе снизилось примерно до 47 мас.%. При этом активный химический реагент e_aq ^- в полной мере проявил свои свойства протонирования, диспропорционирования, ассоциации и диссоциации, обеспечивая эффективное разделение сред.

Новым отличительным признаком изобретения является также его использование по новому назначению в новой области применения, а именно для разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного нефтешлама.

Технический результат изобретения предложения заключается в одновременном нагреве и эффективном разделении техногенного шлама перегретым активированным водяным паром не только на твердую и жидкую, но и на газообразную фазы без внесения в нефтешлам каких-либо трудновыводимых веществ и без загрязнения окружающей среды.

Дополнительными техническими результатами предложенного способа являются:

- экологическая чистота (он не предусматривает, как в прототипе, внесение в исходный продукт никаких дополнительных реагентов и веществ);

- снижение (энергетических и других) затрат на удаление из продукта внесенных веществ и их производных.

Изобретение может быть использовано для обезвоживания различных видов техногенных нефтешламов, а также для выделения нефтепродуктов из различных видов нефтесодержащих техногенных шламов. Способ разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного нефтешлама включает предварительное определение исходного значения рН нефтешлама и при 7≤рН≤10 - обработку его нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания через анодную зону электролизера до достижения им 2≤рН≤5 в количестве, достаточном для уменьшения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы, а при исходном значении рН нефтешлама 4≤рН≤7 обработку его нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания через катодную зону электролизера до достижения им 9≤рН≤12 в количестве, достаточном для увеличения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы. Изобретение позволяет эффективно разделять техногенный нефтешлам на твердую, жидкую и газообразную фазы без внесения каких-либо трудновыводимых веществ и без загрязнения окружающей среды, снизить энергозатраты на удаление внесенных веществ и их производные. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ разделения твердой и жидкой фаз водонасыщенного техногенного нефтешлама, заключающийся в том, что предварительно определяют исходное значение рН нефтешлама и при 7≤рН≤10 обрабатывают его нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания через анодную зону электролизера до достижения им 2≤рН≤5, в количестве, достаточном для уменьшения значения рН шлама на 1-3 единицы, а при исходном значении рН нефтешлама 4≤рН≤7 обрабатывают нагретым до 60-200°С водяным паром, активированным путем пропускания через катодную зону электролизера до достижения им 9≤рН<12, в количестве, достаточном для увеличения значения рН нефтешлама на 1-3 единицы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что активированный водяной пар вводят в придонные слои нефтешлама.