ВЛИЯНИЕ ВЯЗКОСТИ И РЕОЛОГИЧЕСКОГО ПОВЕДЕНИЯ НЕФТЕШЛАМА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССОВ ЕГО ПЕРЕРАБОТКИ

EFFECT OF OIL SLUDGE VISCOSITY AND RHEOLOGICAL BEHAVIOR ON THE EFFICIENCY OF ITS PROCESSING

Nuritdinov Azimjon Qayum ugli

Senior Lecturer at the Department of Chemistry, Namangan State University, Uzbekistan, Namangan

Аннотация. В статье рассмотрено влияние вязкости и связанных с ней реологических свойств нефтешлама на эффективность его транспортирования, разделения фаз и извлечения нефтяной составляющей. Обобщены данные о реологических показателях, которые необходимо учитывать при выборе технологии переработки различных типов нефтешлама, а также о способах регулирования вязкости без необоснованного увеличения энергозатрат и образования вторичных загрязнений. Рассмотрены основные подходы к снижению вязкости и технологические режимы переработки. Обоснована целесообразность применения ротационной реометрии для характеристики исходного нефтешлама с учётом температуры и скорости сдвига, тогда как капиллярная вискозиметрия может использоваться преимущественно для однородной отделённой нефтяной фазы. Предложен подход к выбору технологии переработки на основе состава сырья, его реологических характеристик и требований к качеству конечных продуктов.

Abstract. This paper examines the effect of oil sludge viscosity and its associated rheological properties on the efficiency of transportation, phase separation, and oil recovery processes. The available data on the rheological parameters that should be considered when selecting processing technologies for different types of oil sludge are summarized, together with approaches to viscosity control that avoid excessive energy consumption and the generation of secondary pollutants. The main methods of viscosity reduction and processing conditions are reviewed. The applicability of rotational rheometry for characterizing untreated oil sludge under specified temperature and shear-rate conditions is substantiated, whereas capillary viscometry is shown to be suitable primarily for homogeneous separated oil phases. A systematic approach to selecting an appropriate processing technology based on the raw material composition, rheological characteristics, and quality requirements for the final products is proposed.

Ключевые слова: вязкость, деэмульсация, нефтешлам, предел текучести, псевдопластичность, реологические свойства, растворительная экстракция, центрифугирование, переработка.

Keywords: viscosity, demulsification, oil sludge, yield point, pseudoplasticity, rheological properties, solvent extraction, centrifugation, processing.

Введение

Нефтешламы образуются при добыче, транспортировкеи переработке нефти. Они представляют собой неоднородные водонефтяные системы, содержащие нефтяные углеводороды, воду, минеральные частицы, соли, продукты коррозии, смолисто-асфальтеновые вещества и технологические реагенты. Согласно данным обзора состава, структуры и свойств нефтешламов [1,2] содержание нефтяных углеводородов в различных нефтешламах составляет примерно 15–50%, воды — 30–85%, твёрдых частиц — 5–46%. Эти диапазоны относятся к различным образцам и подчёркивают высокую изменчивость нефтешламов, что исключает возможность выбора универсального режима переработки только по происхождению отхода.

Для Республики Узбекистан также отмечена значительная неоднородность нефтешламов. Для нефтеперерабатывающих предприятий установлены диапазоны их плотности 930–1300 кг/м³ и температуры застывания от –3 до +80 °C. Для различных типов шлама указаны широкие интервалы содержания углеводородов, воды и механических примесей [3]. Технология разделения нефтепродукта, воды и осадка при 60–70 °C под действием силы тяжести характеризует один из возможных подходов к первичной переработке, однако не заменяет реологическое исследование вязкости конкретной партии сырья.

Вязкость нефтешламов определяет сопротивление движению в трубопроводах и аппаратах, скорость коалесценции капель, осаждение или всплывание фаз, эффективность центрифугирования, перемешивания, тепло- и массообмена. Цель данной статьи — обобщение данных о реологической природе нефтешлама, количественно подтверждённом влиянии вязкости на основные стадии переработки и формулирование требований к измерению и регулированию вязкости при выборе технологической схемы.

Реологическая природа нефтешлама

Нефтешлам представляет собой сложную дисперсную систему, реологическое поведение которой в большинстве случаев отличается от поведения ньютоновской жидкости с постоянной вязкостью.

В ротационных испытаниях шлама, отобранного из резервуаров нефтеперерабатывающего предприятия, установлено псевдопластичное течение с пределом текучести при низких скоростях сдвига и приближение к квазиньютоновскому поведению при высоких скоростях сдвига. Экспериментальные кривые течения удовлетворительно описывались моделью Гершеля–Балкли [4]:

τ = τ₀ + K·γ̇ⁿ,        ηₐₚₚ = τ/γ̇,

где τ — напряжение сдвига, Па; τ₀ — предел текучести, Па; K — коэффициент консистенции; γ̇ — скорость сдвига, с⁻¹; n — индекс течения; ηₐₚₚ — кажущаяся вязкость, Па·с. При n < 1 система проявляет псевдопластические свойства: её кажущаяся вязкость уменьшается при увеличении интенсивности перемешивания или скорости движения. Наличие τ₀ означает, что до достижения определённого напряжения шлам может вести себя как слабоструктурированная система.

Такие реологические свойства обусловлены сложной внутренней структурой нефтешлама, формирующейся совместным действием асфальтенов и смол, межфазных плёнок, тонкодисперсных минеральных частиц и воды. Тяжёлые компоненты, связанные с глинистыми минералами, удаляются труднее, чем свободная и более лёгкая нефтяная фаза [8]. Следовательно, даже существенное снижение вязкости не всегда обеспечивает полное извлечение нефти: необходимо разрушить межфазные плёнки и ослабить адсорбционную связь углеводородов с твёрдой поверхностью.

Таблица 1.

Факторы, определяющие вязкость и технологическое поведение нефтешлама

Методы определения вязкости и требования к представлению данных

Для исследования реологических свойств многокомпонентных нефтешламов наиболее информативной является ротационная реометрия, позволяющая получить зависимость напряжения и кажущейся вязкости от скорости сдвига при нескольких температурах. В опубликованной работе [4] применялись стационарные и осцилляционные испытания, что позволило выявить предел текучести и твёрдообразный характер структуры, не обнаруживаемые при единичном капиллярном измерении.

Капиллярная вискозиметрия по типу ASTM D445 [11] предназначена для определения кинематической вязкости жидких нефтепродуктов при ламинарном истечении. Её использование возможно для однородной отделённой нефтяной фазы либо для системы, у которой предварительно подтверждено ньютоновское течение. Для исходного шлама, содержащего крупные частицы, эмульсию и предел текучести, применение ВПЖ-2 без реологических кривых может привести к методической ошибке. Поэтому сведения о диаметре капилляра и постоянной вискозиметра без фактических результатов были исключены из статьи.

Для воспроизводимости измерений необходимо указывать: источник и способ отбора образца; массовые доли нефти, воды и твёрдой фазы; температуру; геометрию измерительной системы; диапазон скоростей сдвига; предварительное перемешивание; время покоя; направление прохода по скорости сдвига; число повторов и статистическую погрешность. Минимальный набор технологически значимых параметров включает ηₐₚₚ при характерной скорости сдвига, τ₀, K и n.

Влияние вязкости на эффективность процессов переработки нефтешлама

Транспортирование и подача в аппараты. При наличии предела текучести насос должен сначала разрушить структуру шлама, после чего преодолеть вязкое сопротивление. Рост ηₐₚₚ увеличивает перепад давления, нагрузку на привод и вероятность образования застойных зон. Нагрев, разбавление лёгкой углеводородной фракцией и контролируемый сдвиг уменьшают сопротивление, однако режим следует выбирать с учётом реологических характеристик нефтешлама, а не по конкретному значению вязкости при 20 °C.

Гравитационное и центробежное разделение. Скорость движения капли или частицы в вязкой среде в первом приближении обратно пропорциональна вязкости непрерывной фазы. Поэтому снижение ηₐₚₚ ускоряет всплывание нефтяных капель и осаждение минеральных частиц. Одновременно деэмульгатор должен разрушить защитную межфазную плёнку; иначе простое нагревание может уменьшить вязкость, но не обеспечить коалесценцию.

Термохимическая промывка. По обобщённым данным, приведённым в экспериментальной работе [7], традиционная промывка проводится обычно при 50–80 °C в течение 30–120 мин, а остаточное содержание нефти после обработки составляет 2–4%. Нагрев ускоряет течение и диффузию реагента, но требует энергии и образует загрязнённую промывную воду. Поэтому повышение температуры должно ограничиваться уровнем, необходимым для достижения требуемой реологии и разделения.

Разжижение растворителями и деэмульсация. Сочетание растворителя и деэмульгатора позволяет одновременно уменьшить вязкость нефтешлама и разрушить устойчивую водонефтяную эмульсию. В работе [5] для высоковязкого нефтешлама был предложен комбинированный процесс «растворитель — деэмульгатор — центрифугирование». Нафта была выбрана как разжижитель, а полиэфирный деэмульгатор P9935 — как реагент для обезвоживания. Оптимальная продолжительность деэмульсации 120 мин увеличила эффективность обезвоживания на 12,01%; наилучшие показатели получены при концентрации деэмульгатора 0,3%. Эти результаты подтверждают, что эффективное разделение достигается совместным снижением объёмной вязкости и межфазной устойчивости.

Растворительная экстракция. Растворительная экстракция относится к наиболее эффективным способам снижения вязкости и извлечения нефтяной фазы. Так, при обработке нефтешлама метилэтилкетоном при 60 °C были достигнуты следующие результаты: извлечение сырой нефти 95%, отделение воды 94% и твёрдой фазы 24% [6]. Высокая эффективность объясняется одновременно снижением вязкости, растворением углеводородов и разрушением структуры шлама. При промышленном выборе растворителя необходимо учитывать его регенерацию, пожароопасность, токсичность и потери с остатком.

Механическое воздействие. Высокоскоростное перемешивание разрушает пространственную структуру нефтешлама и временно снижает его кажущуюся вязкость. При двухстадийной высокоскоростной обработке при комнатной температуре оптимальная частота вращения составила 6000 об/мин, продолжительность стадий — 7 и 8 мин; остаточное содержание нефти снизилось до 1,65%, а удаление нефтяных углеводородов достигло 84,3% [7]. Увеличение скорости выше оптимума ухудшало результат вследствие повторного эмульгирования. Последующее исследование показало, что лёгкие компоненты удаляются преимущественно, тогда как тяжёлые компоненты, связанные с глинистыми минералами, сохраняются в остатке в большей степени [8].

Таблица 2.

Количественные показатели эффективности технологий переработки нефтешлама

Рекомендации по выбору способа регулирования вязкости

Регулирование вязкости следует рассматривать не как самостоятельную технологическую цель, а как средство обеспечения требуемой текучести нефтешлама и эффективности его разделения.

Чрезмерное разбавление увеличивает объём потока и затраты на возврат растворителя; чрезмерный сдвиг способен стабилизировать мелкодисперсную эмульсию; перегрев повышает расход энергии и может изменять состав извлекаемой нефти. Поэтому выбор способа регулирования вязкости рекомендуется осуществлять на основе следующего алгоритма:

1) определить массовые доли нефтяной, водной и твёрдой фаз, плотность, дисперсность, содержание смол и асфальтенов;

2) получить реограммы при температурах, соответствующих хранению, транспортированию и разделению, и определить ηₐₚₚ, τ₀, K и n;

3) установить требуемое снижение сопротивления течению и проверить, достигается ли оно нагревом или механическим сдвигом без реагентов;

4) при устойчивой эмульсии подобрать деэмульгатор по эффективности коалесценции, а при высокой консистенции нефтяной фазы — совместимый разжижитель или экстрагент;

5) выбрать аппарат разделения — отстойник, центрифугу, флотацию или комбинированную схему — по размеру капель и частиц, разности плотностей и фактической вязкости;

6) оценить регенерацию реагентов, очистку воды, обращение с твёрдым остатком, пожарную и экологическую безопасность.

Практические аспекты применения

Экологическая оценка также должна входить в выбор схемы. Сравнительный анализ жизненного цикла показал, что технологии с извлечением энергии и продукта — растворительная экстракция и пиролиз — в рассмотренных сценариях формировали менее 10% совокупного воздействия традиционных вариантов захоронения и сжигания [9]. Этот результат не означает автоматического преимущества любого процесса с растворителем, но подтверждает необходимость учитывать возврат нефти и регенерацию материалов, а не только локальное снижение вязкости. Современные технологии переработки нефтешламов ориентированы не только на удаление отхода, но и на извлечение нефтяных компонентов и возврат материалов в хозяйственный оборот [10].

Для предприятий Узбекистана первоочередной задачей является формирование банка реологических данных по резервуарным, грунтовым и очистным нефтешламам. Для каждой группы следует установить температурно-сдвиговые зависимости и связать их с эффективностью отстаивания, центрифугирования и экстракции. Только после этого можно обоснованно назначать температуру 60–70 °C либо выбирать менее энергоёмкую механическую или реагентную подготовку.

Заключение

1. Нефтешлам является многокомпонентной структурированной системой, для которой характерны предел текучести и псевдопластичность. Поэтому его технологическое поведение нельзя достоверно оценивать по одному значению кинематической вязкости.

2. На реологическое поведение нефтешлама одновременно влияют температура, скорость сдвига, доля воды, концентрация и дисперсность твёрдых частиц, а также содержание смол и асфальтенов. Тяжёлые компоненты, адсорбированные глинистыми минералами, отделяются труднее свободной лёгкой нефти.

3. Анализ литературных данных подтверждает, что регулирование вязкости посредством нагрева, механического воздействия, растворителей и деэмульгаторов повышает эффективность разделения нефтешлама.

4. Для исходного нефтешлама следует применять ротационную реометрию и приводить температуру, диапазон скоростей сдвига, предел текучести и параметры модели течения. Капиллярный вискозиметр целесообразен для однородной отделённой нефтяной фазы или подтверждённо ньютоновской системы.

5. Рациональная технология должна одновременно обеспечивать требуемую текучесть, разрушение эмульсии, отделение твёрдых частиц, возврат нефтяной фазы и минимизацию расхода энергии и реагентов. Для предприятий Узбекистана необходимы последующие экспериментальные исследования конкретных образцов с построением реограмм и материальных балансов.