На правах рукописи

ШАРАФУТДИНОВА ГУЛЬНАРА МИНИГАЯНОВНА ПОВЫШЕНИЕ ЭКОЛОГИЧНОСТИ НЕФТЕПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИХ ПРЕДПРИЯТИЙ СОЗДАНИЕМ РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩИХ ХИМИКОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОДНЫХ СИСТЕМ НА ОСНОВЕ МЕМБРАННЫХ ПРОЦЕССОВ Специальности:

03.00.16 - Экология 05.17.08 - Процессы и аппараты химических технологий

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Уфа - 2008

Работа выполнена в Уфимском государственном нефтяном техническом университете.

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Абдрахимов Юнир Рахимович.

Научный консультант кандидат технических наук, доцент Хангильдин Рустэм Ильдусович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Исмагилов Фоат Ришатович;

доктор технических наук, профессор Самойлов Наум Александрович.

Ведущая организация ГУП Институт нефтехимпереработки РБ.

Защита состоится л25 июня 2008 года в 14-30 часов на заседании совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 212.289.03 при Уфимском государственном нефтяном техническом университете по адресу: 450062, Республика Башкортостан, г. Уфа, ул. Космонавтов, 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уфимского государственного нефтяного технического университета.

Автореферат разослан 24 мая 2008 года.

Ученый секретарь совета Абдульминев К.Г.

2

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Нефтеперерабатывающие предприятия (НПП) являются крупнейшими источниками загрязнения окружающей среды. В водные объекты с большими объемами недостаточно очищенных сточных вод НПП поступают нефтепродукты, химические реагенты, щелочные растворы, солесодержащие воды ЭЛОУ и другие загрязняющие вещества, негативно влияющие на состояние окружающей среды. Это усугубляет проблему загрязнения гидросферы, которая во многих регионах приобрела угрожающий характер, так как самоочищающая способность водоемов и водных бассейнов уже не справляется с поступающим потоком производственных и других видов сточных вод. Кроме того, НПП относятся к отрасли промышленности с высоким уровнем водопотребления. Удельный расход свежей воды в настоящее время на т перерабатываемой нефти в среднем составляет 0,2 - 2,5 м3/т.

Решение актуальной проблемы снижения загрязнения водных объектов промышленными сточными водами НПП и существенного уменьшения потребления пресной воды возможно путем создания на этих предприятиях ресурсосберегающих химико-технологических водных систем. Создание таких систем возможно с использованием высокоэффективных мембранных процессов разделения для очистки сточных вод до требуемых показателей качества замкнутых водооборотных циклов НПП.

Внедрение на НПП ресурсосберегающих химико-технологических водных систем на основе мембранных процессов позволит решить вопросы рационального использования водных ресурсов и охраны окружающей среды.

Цель работы - повышение экологической безопасности НПП созданием ресурсосберегающих химико-технологических водных систем на основе применения мембранных процессов.

Основные задачи исследований:

- исследование мембранного процесса очистки нефтесодержащих сточных вод НПП от эмульгированных нефтепродуктов в ультрафильтрационной (УФ) установке;

- разработка способа жидкофазного мембранного разделения, позволяющего повысить производительность процесса очистки сточных вод в УФ установке;

- исследование мембранного процесса очистки солесодержащих сточных вод НПП в обратноосмотической установке;

- разработка способа мембранного разделения в установке обратного осмоса, позволяющего уменьшить процесс осадкообразования на мембранах и тем самым повысить производительность обратноосмотической установки;

- исследование процесса биологической очистки сточных вод НПП в мембранных биореакторах (МБР);

- разработка способа биологической очистки воды в МБР, позволяющего уменьшить биологическое загрязнение мембран и повысить его производительность;

- разработка ресурсосберегающей химико-технологической водной системы НПП на основе исследованных процессов мембранной очистки сточных вод.

Научная новизна работы Для увеличения производительности очистки сточных вод в УФ установках разработан способ жидкофазного мембранного разделения, который осуществляется путем предварительного насыщения под рабочим давлением фильтрования обрабатываемого раствора инертными по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата газами с последующей фильтрацией раствора через мембрану (патент РФ № 2232044).

Изучен процесс ультрафильтрационной очистки нефтесодержащих вод от эмульгированных нефтепродуктов. Установлено влияние основных технологических параметров (давления, температуры, рН, концентрации нефтепродуктов в исходной воде) и газонасыщения исходного раствора на производительность УФ установки и качество очистки сточных вод.

Разработана математическая модель процесса очистки нефтесодержащих сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов в УФ установках с предварительным газонасыщением исходной воды.

Для уменьшения осадкообразования на мембранах и повышения производительности процесса обессоливания воды разработан способ мембранного разделения в обратноосмотических установках, который осуществляется путем предварительного введения в обрабатываемую воду инертных частиц углерода (сажи) с последующей фильтрацией через обратноосмотическую мембрану (патент РФ №2216521).

Разработана математическая модель данного процесса очистки солесодержащих сточных вод в обратноосмотических установках.

Для интенсификации процессов биологической очистки сточных вод разработан способ очистки воды в биореакторе с последующим отделением активного ила на мембранном сепараторе, в состав мембраны которого введены катализаторы окисления (патент РФ № 2253627).

На основе разработанных процессов мембранной очистки сточных вод предложена ресурсосберегающая химико-технологическая водная система НПП.

Практическая значимость работы На основе проведенных исследований разработана ресурсосберегающая химико-технологическая водная система НПП, позволяющая предотвратить сброс загрязненных сточных вод в водные объекты, значительно снизить водопотребление свежей пресной воды и тем самым повысить экологичность нефтеперерабатывающего производства. Данная система может быть использована на НПП любой производительности как при проектировании новых, так и при реконструкции существующих предприятий с целью снижения негативного техногенного воздействия на окружающую среду.

Разработанный способ жидкофазного мембранного разделения в УФ установках с предварительным газонасыщением позволяет повысить эффективность очистки не только нефтесодержащих вод от эмульгированных нефтепродуктов, но и других видов сточных вод.

Разработанный способ обратноосмотического обессоливания воды позволяет повысить производительность и надежность очистки солесодержащих вод при различных концентрациях солей в исходной воде.

Разработанный способ обработки воды в МБР способствует интенсификации процессов биологической очистки как промышленных, так и коммунальных сточных вод.

Технологические схемы очистки промышленных и ливневых нефтесодержащих, а также солесодержащих стоков на основе разработанных мембранных методов позволяют достичь показателей качества очищенных вод, соответствующих нормативным требованиям на использование в замкнутых водооборотных циклах НПП.

Реализация научно-технических результатов Результаты выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований по мембранной очистке сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов в УФ установках, обратноосмотическому обессоливанию воды, биологической очистке в МБР использованы при разработке рекомендаций для проектирования объектов НПП Экопромсистемы.

Результаты, полученные в диссертационной работе, внедрены в учебный процесс Уфимского государственного нефтяного технического университета и используются при подготовке специалистов по специальности Безопасность технологических процессов и производств.

На защиту выносятся:

- результаты экспериментально - теоретических исследований мембранных процессов очистки воды от эмульгированных нефтепродуктов методом ультрафильтрационного разделения;

- разработанный способ жидкофазного мембранного разделения в УФ установках с предварительным газонасыщением;

- разработанный способ обратноосмотического обессоливания воды с добавлением сажи в исходный поток для повышения производительности процесса;

- разработанный способ очистки воды в биореакторе с последующим отделением активного ила на мембранном сепараторе, в состав мембраны которого введены катализаторы окисления для предотвращения биологического загрязнения мембран;

- ресурсосберегающая химико-технологическая водная система НПП на основе разработанных мембранных процессов очистки сточных вод.

Апробация работы. Результаты проведенных исследований докладывались на Международных научно - практических конференциях: "Наука и технология углеводородных дисперсных систем" (г. Уфа, 2000); Строительство, архитектура, коммунальное хозяйство (г. Уфа, 2000, 2003); Актуальные проблемы технических, естественных и гуманитарных наук (г.Уфа, 2005, 2008);

Нефтегазопереработка и нефтехимия (г.Уфа, 2005, 2007, 2008).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, в том числе получено 3 патента РФ.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы, включающего наименований. Работа изложена на 132 страницах машинописного текста, содержащих 22 рисунка и 15 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследований.

В первой главе выполнен анализ существующих водных химикотехнологических систем нефтеперерабатывающих предприятий и определены пути их совершенствования.

Вторая глава посвящена исследованию мембранного процесса очистки сточных вод от эмульгированных нефтепродуктов в УФ установке. В главе приведена схема экспериментальной установки, ее описание, методика проведения экспериментов, результаты исследований и их анализ.

При изучении влияния давления на процесс ультрафильтрации в интервале 0,25 - 1,0 МПа установлено, что повышение давления способствует увеличению производительности мембранной установки, но при всех значениях давления наблюдается со временем снижение производительности. Это связано с процессом концентрационной поляризации. В процессе разделения возрастает концентрация менее проникающего компонента у поверхности мембраны. Чем выше производительность мембраны, тем в большей степени проявляется концентрационная поляризация. Она может приводить к образованию гелей или осадков на поверхности мембраны, что уменьшает эффективность ее работы. В главе приведен механизм процесса концентрационной поляризации и подробный анализ существующих методов борьбы с этим явлением.

Предложен новый метод борьбы с концентрационной поляризацией, повышающий производительность УФ установок, заключающийся в насыщении под рабочим давлением фильтрования обрабатываемого раствора инертным по отношению к разделяемым компонентам и к материалам мембранного аппарата газом с последующей фильтрацией раствора через ультрафильтрационную мембрану.

Исследования показали, что при насыщении обрабатываемого раствора воздухом перед подачей в мембранную установку наблюдается значительное увеличение производительности мембранного аппарата (рисунок 1). Увеличение производительности УФ установки связано с уменьшением влияния явления концентрационной поляризации.

Проведенные исследования влияния температуры на показатели данного процесса ультрафильтрации в интервале от 20 до 500С позволили сделать вывод, что повышение температуры раствора не влияет на производительность УФ установки, так как с увеличением температуры уменьшается растворимость газов в жидкости.

12 0 30 60 90 120 150 180 210 Время, мин Рисунок 1 - Изменение производительности УФ установки в обычном режиме (пунктирные кривые); при газонасыщении (сплошные кривые) под давлением: 1, 2 - 1,0 МПа; 3, 4 - 0,5 МПа; 5, 6 - 0,25 МПа Исследования влияния рН исходной воды на качество очистки воды от нефтепродуктов показали, что в кислой среде (при рН = 3) эффективность очистки от нефтепродуктов выше в 1,2 - 1,5 раза, чем в нейтральной среде (при рН = 7). Но подкисление сточных вод нецелесообразно, так как величина рН сточных вод НПП после нефтеловушек составляет от 7,5 до 8,5, что соответствует требованиям к оборотной воде НПП (рН=7-8,5). Кроме того, исследование влияния концентрации нефтепродуктов в исходной воде на производительность УФ установки и качество очистки показало, что при различных концентрациях нефтепродуктов в исходной воде от 25 до 150 мг/ дм3, содержание нефтепродуктов в пермеате (очищенной воде) после мембранной установки составляло не более 10 мг/дм3, (что также соответствует требованиям к оборотной воде) при любых значениях рН от 3 до 10. Данные об эффективности очистки нефтесодержащих сточных вод приведены в таблице 1.

-Производительность, м /( м ч ) Таблица 1 - Эффективность очистки нефтесодержащих сточных вод ультрафильтрацией Требова- Концентрация Концентрация нефтепродуктов в ния к Эффект нефтепродуктов в очищенной воде, мг/ дм3 при рН оборотной очистки, исходной воде, воде НПП, % мг/ дм3 7,5 мг/ дм5,1 7,4 7,25 70,0 - 79,5,5 8,2 8,50 83,8 - 89,5,8 8,3 8,100 91,4 - 94,6,7 9,8 9,150 93,7 - 95,В результате проведения множественного линейного регрессионного анализа на основе статистической обработки экспериментальных данных получена математическая модель процесса жидкофазного ультрафильтрационного разделения с предварительным газонасыщением исходного раствора, показывающая зависимость производительности УФ установки от времени, давления и исходной концентрации нефтепродуктов:

Y = 1,1508 - 0,3231 ln x1 + 18,1572 x2 - 0,0326 x3, где Y - производительность обратноосмотической установки, м3 /(м2 ч);

x1 - время работы ультрафильтрационной установки, мин;

x2 - давление, МПа;

x3 - концентрация нефтепродуктов в исходной воде, мг/дм3.