Ланина Т.Д., Литвиненко В.И., Варфоломеев Б.Г. Процессы переработки пластовых вод месторождений углеводородов

Подождите немного. Документ загружается.

101

Были проведены опыты по экстракции бора из пластовой воды Западно-

Тэбукского месторождения при различных соотношениях экстрагента и водной

фазы для определения времени выхода установки на режим.

Перед проведением каждого из опытов установка выводилась на режим

по постоянству концентрации бора в выходящем потоке (х

= Const). Результа-

ты экспериментов показывают, что при соотношении фаз V

= 1:15 уже после

2-х часов работы установка вышла на устойчивый режим, при других соотно-

шениях фаз (1:10, 1:5) установка выходит на устойчивый режим работы через

3 часа (рис. 4.12).

Рис.4.12. Определение времени выхода на режим ящичного

экстрактора (Q=12 л/час):

1 – соотношение фаз пластовой воды и экстрагента 1/15;

2 – соотношение фаз 1/10;

3 – соотношение фаз 1/5.

Условия и результаты испытаний ящичного экстрактора приведены в

табл. 4.8.

102

Таблица 4.8

Результаты испытаний ящичного экстрактора

Номер опыта

№

п/п

Показатель

1 2 3

1 Расход экстрагента, V

, л/ч 0,75 1,1 2,0

2 Расход воды, V

, л/ч 11,25 10,9 10,0

3 Начальная концентрация бора:

в воде, х

, мг/л

в экстрагенте, у

, мг/л

14,11

14,72

19,63

4 Конечная концентрация бора:

в воде, х

, мг/л

в экстрагенте, у

, мг/л

10,05

54,15

8,30

64,2

4,59

75,2

5 Среднее время пребывания,

ср

, мин

30 30 30

6 Окружная скорость мешалки,

V, м/с

39 39 39

7 Степень извлечения бора, Е, % 25,6 43,6 76,6

4.2.3 Анализ статики процессов экстракции

и реэкстракции бора

Наличие диаграмм фазового равновесия позволяет произвести ориенти-

ровочную оценку основных показателей статики технологического процесса.

Так, по диаграммам фазового равновесия у-х (рис. 4.4, 4.5) можно, зная началь-

ные и конечные концентрации бора в растворах, определить соотношение по-

токов и необходимое для осуществления процесса число равновесных ступеней

расчетным путем. Такая оценка была проведена для

стадий экстракции и реэкс-

тракции процесса извлечения бора из пластовой воды скв. 24 Западно-

Тэбукского месторождения с применением ящичного экстрактора.

Стадия экстракции. Экспериментальные данные по составу фаз на каж-

дой из ступеней экстрактора приведены в табл. 4.9.

Таблица 4.9

Содержание бора в воде по ступеням экстракции

№

п/

Наименование пробы

Содержание

бора

в воде,

мг/л

Содержание

бора в воде в

% от началь-

ного

Степень из-

влечения

бора,

Соотношение фаз 1:15

Начальная концентрация бора 14,11 мг/л

1 1 ступень экстракции 10,10 71,5 28,5

2 2 ступень экстракции 10,18 72,1 27,9

3 3 ступень экстракции 10,37 73,5 26,5

4 4 ступень экстракции 11,04 78,2 21,8

103

Окончание табл. 4.9

Соотношение фаз 1:10

Начальная концентрация бора 14,7 мг/л

5 1 ступень экстракции 8,41 57,2 42,8

6 2 ступень экстракции 9,2 62,5 37,5

7 3 ступень экстракции 9,82 66,8 33,2

8 4 ступень экстракции 10,82 73,6 26,4

Соотношение фаз 1:5

Начальная концентрация бора 19,63 мг/л

9 1 ступень экстракции 4,26 21,9 78,1

10 2 ступень экстракции 8,59 43,8 56,2

11 3 ступень экстракции 10,12 51,6 48,4

12 4 ступень экстракции 19,02 96,9 3,1

Расчет проведен для условий испытания ящичного экстрактора при соот-

ношении фаз V

/ V

= 1/5 (табл. 4.8) и производительности установки 10 л/ч по

поступающей на переработку воды. Начальная концентрация бора в воде

= 19,63 мг/л, конечная концентрация х

= 4,26 мг/л. Конечная концентрация

бора в экстрагенте рассчитывалась из условия материального баланса:

= V

(х

–х

)/V

. В нашем случае у

= 76,85 мг/л. Для полученных значений

начальной и конечной концентраций на рис. 4.13 в диаграмме у-х построена ра-

бочая линия АВ. Количество извлеченного в таком процессе бора определяется

уравнением: G

= V

(х

– х

) или G

=10(19,63 – 4,26) = 153,7 мг/час.

Количество потребного экстрагента определяется из уравнения:

= V

(х

– х

)/(у

– у

), то есть V

= 10(19,63 – 4,26)/76,85 = 2 л/час.

100

0 5 10 15 20 25 30

Равновесная концентрация Х,мг/л

Равновесная концентрация Y, мг/л

Ряд1

Рис. 4.13. Графическое определение числа теоретических

ступеней на стадии экстракции:

1 – линия равновесия для системы пластовая вода – экстрагент

(

100 г. ЯРБ, 1000 мл ке

осина, 250 мл октанола

)

; 2 –

абочая линия АВ.

104

Степень извлечения бора в процессе экстракции составила ψ

= 0,78.

При заданном положении рабочей линии АВ потребное число ступеней n

определяется графическим построением треугольников между рабочей и рав-

новесной линиями. Для условий нашего расчета потребуется n

= 3 (рис. 4.13).

В реальных условиях для ящичного экстрактора КПД отдельных ступеней

η ∼ 0,75 ÷ 0,8. Потребное число реальных ступеней n

= n

/η. Приняв η = 0,75,

находим n

= 3/0,75 = 4. Для осуществления реального процесса выбираем

= 4. Расчетные показатели процесса экстракции хорошо согласуются с экс-

периментальными данными (табл. 4.8).

Стадия реэкстракции. При реэкстракции целевое вещество (бор) из орга-

нической фазы извлекается 0,5 н раствором гидроокиси натрия, рабочая линия

этого процесса АВ располагается выше равновесной кривой (рис. 4.14).

Рис.4.14. Графическое определение числа теоретических

ступеней на стадии реэкстракции:

1 – линия равновесия;

2 – рабочая линия АВ.

Для нашего процесса реэкстракции, согласно экспериментальным дан-

ным, имеем: у

= у

= 76,85; у

= 0,1 у

; х

= 0 – реэкстракция осуществляет-

ся 1 н раствором NaOH, который не содержит бора; х

кр

= 114 мг/л – определено

по диаграмме у-х для процесса реэкстракции. Поскольку равновесное значение

кр

в реальном процессе недостижимо, принимаем х

= 0,95; х

кр

= 108 мг/л.

Количество бора, извлекаемое из экстрагента в процессе реэкстракции,

равно: G

= V

(у

– у

) = 2(76,85 – 7,7) = 138,3 мг/час. Расход 1 н раствора ще-

лочи W

= V

(у

– у

)/( х

– х

) = 2(76,85 – 7,7)/(108 – 0) = 1,28 л/час. Степень

извлечения бора на стадии реэкстракции равна

= (у

– у

)/ у

= (76,85 – 7,7)/ 76,85 = 0,9.

105

По диаграмме у-х на рис. 4.14 определяем потребное для осуществления

реэкстракции число равновесных ступеней n

∼ 2. Принимая КПД ступени для

реэкстракции η

= 0,75, определяем число реальных ступеней n

= 2/0,75 = 2,7.

Для исследуемого аппарата принимаем n

= 3.

Общая степень извлечения бора в технологической цепочке определяется

как отношение количества бора, уносимое потоком реэкстрактора W

, к его

количеству, поступившему в экстрактор с исходным потоком пластовых вод

об

= (1,28

108)/(10

19,63) = 0,7.

Как видно из расчетов, общая степень извлечения бора несколько ниже

степени извлечения бора на стадии экстракции ψ

= 0,78.

Аналогичными расчетами были определены технологические характери-

стики для остальных выбранных режимов работы установки. Результаты этих

расчетов приведены в табл. 4.10.

Таблица 4.10

Технологические характеристики экстракционного извлечения бора

Вариант осуществления

процесса

№

п/п

Характеристика процесса

1 2 3

Начальная концентрация бора в ис-

ходном водном растворе, х

, мг/л

14,11 14,70 19,63

Конечная концентрация бора в вод-

ном растворе, х

, мг/л

10,1 8,41 4,26

Начальная концентрация бора в ре-

экстрагенте, х

, мг/л

0 0 0

Конечная концентрация бора в экст-

рагенте, у

, мг/л

60,15 62,69 76,85

Соотношение фаз при экстракции,

15,0 10,0 5,0

Число действительных ступеней

экстракции, n

2 2 4

Концентрация бора в конечном ре-

экстрагенте, х

, мг/л

99,0 102,0 108,0

Число действительных ступеней ре-

экстракции, n

5 5 4

Общая степень извлечения, ψ

об

, %

32 48 70

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что с умень-

шением фазового соотношения V

технологические характеристики про-

цесса экстракции улучшаются и при соотношении V

= 5/1 достигается

достаточно высокая степень извлечения бора (ψ

об

= 70%). Равенство числа

ступеней экстракции и реэкстракции (при соотношении V

= 5/1) упрощает

технологическую схему процесса и позволяет использовать экстракторы еди-

ной конструкции.

106

Экспериментальные работы по испытанию ящичного экстрактора были

выполнены с использованием свежего экстрагента, в реальных же условиях на

стадию экстракции будет поступать регенерированный экстрагент, что приве-

дет к увеличению числа действительных ступеней экстракции. На рис. 4.15

приведен пример использования регенерированного экстрагента на стадии экс-

тракции с начальной концентрацией у

= 7,7 мг/л. Как видно из рисунка, число

действительных ступеней экстракции с учетом КПД = 0,75 для ящичного экс-

трактора составляет n

= 6.

Рис. 4.15. Графическое определение числа теоретических

ступеней для стадии экстракции с использованием

регенерированного экстрагента:

1 - линия равновесия;

2 - рабочая линия АВ для стадии экстракции.

4.2.4. Технология переработки бора на перборат натрия

При разработке технологии извлечения бора из пластовых вод нефтяных

месторождений необходимо определиться с товарным видом продукта. Целесо-

образнее всего ориентироваться на перборат натрия, широко используемый в

качестве окислителя, отбеливателя и составной части синтетических моющих

средств. Устойчивый рост производства пербората натрия объясняется его вы-

сокими эксплуатационными свойствами (10,4% активного кислорода), стабиль-

ностью, в

отличие от других перекисных соединений, и относительной просто-

той его получения.

Разработанная на основе изучения содержания бора в пластовых водах

нефтяных месторождений, фазового равновесия на стадиях экстракции и реэкс-

107

тракции, испытаний экстракционной установки технология извлечения и пере-

работки бора [101] приведена на рис.4.16.

В качестве стадии извлечения бора из пластовых вод выбрана экстракция

аминофенолформальдегидными олигомерами (раствором Яррезина Б в смеси

керосина и октанола).

Стадию экстракции целесообразно проводить в 4-х ступенчатом ящичном

экстракторе. Начальная концентрация бора в пластовой воде – 20 мг/л, конеч

ная – 3-4 мг/л, что соответствует степени извлечения 80%. Экстракцию прово-

дят при рН=7,0-7,5 (при экстракции в слабокислых средах при рН=3,5 коэффи-

циент распределения m

уменьшается в 1,4-1,5 раза). Соотношение расходов

органической фазы (экстрагента) к водной составляет V

=1:5. Температура

процесса 15-25°С.

В непрерывном цикле на стадию экстракции бора поступает регенериро-

ванный экстрагент после отмывки серной кислотой с остаточной концентраци-

ей бора 35-40 мг/л и насыщается на стадии экстракции бора до 275-280 мг/л.

Пластовая вода после расслаивания утилизируется, экстракт направляется на

реэкстракцию.

Реэкстракция бора проводится 0,5н раствором гидроокиси натрия

в 4-х

ступенчатом экстракторе при соотношении органической и водной фаз

=1:2,5, при этом степень извлечения составляет 85%. Экстрагент с кон-

центрацией бора 35-40 мг/л поступает на стадию регенерации, реэкстракт с со-

держанием метабората натрия NaBO

3,48-3,5 г/л – на стадию выпаривания.

Регенерация экстрагента сводится к нейтрализации остаточной щелочно-

сти экстрагента 0,1н раствором серной кислоты. Процесс проводится в непре-

рывном режиме в одноступенчатом ящичном экстракторе при продолжитель-

ности контакта фаз 15 мин и соотношении органической и водной фаз

=1:1.

Неизбежной проблемой при извлечении микрокомпонентов из пластовых

вод нефтяных месторождений является необходимость переработки значитель-

ных объемов воды. В таких случаях, перед проведением процесса концентриро-

вания растворов минеральных солей методом выпаривания, целесообразно про-

водить предварительное концентрирование на установке обратного осмоса.

На установку поступает 47,5 м

/ч (13,2 кг/с) раствора метабората натрия с

начальной концентрацией х

= 0,05 % масс.

При концентрировании разбавленных растворов обратный осмос эконо-

мичнее выпаривания. Однако, начиная с концентраций растворенных веществ

0,2-0,4 моль/л, характеристики обратного осмоса начинают ухудшаться [101-

104]: становится существенным уменьшение проницаемости мембран и снижа-

ется их селективность, которая для разбавленных растворов примерно постоян-

на. Это приводит к увеличению необходимой поверхности мембран и ухудше-

нию качества фильтрата. Поэтому в качестве конечной концентрации обычно

принимают значение 0,3 моль/л, что для NaBO

составляет приблизительно

2 % масс.

108

Пластовая вода

Экстракция

Пластовая вода

Экстракт

Реэкстракция

0,5 н NaOH

Реэкстракт

Выпаривание

18% раствор

метабората натрия

Получение пербо-

рата натрия

30% Н

Отделение

осадка

Промывка

Сушка

Перборат натрия

Экстрагент

Регенерация

Регенерированный

экстрагент

Регенерированный

экстрагент

0,1н H

Рис. 4.16. Технологическая схема извлечения бора и переработки

его на перборат натрия

109

Таким образом, при успешном проведении предварительного концентри-

рования обратным осмосом на выпаривание будет поступать только 1,19 м

/ч

раствора с концентрацией метабората натрия 2% масс., т.е. всего 2,5% от пер-

воначального объема раствора.

Степень концентрирования на стадии обратного осмоса составляет

К = х

/х

= 40.

При выборе марки ацетатцеллюлозной мембраны задавались следующи-

ми граничными условиями: перепад рабочего давления через мембрану –

5 МПа, рабочая температура – 25°С, потери соли с фильтратом не должны пре-

вышать 10% от количества, содержащегося в исходном растворе.

Просчитывались следующие марки промышленно выпускаемых ацетат-

целлюлозных мембран: МГА-100, МГА-95, МГА-90 и МГА-80.

Только в случае МГА

-100 достигается значение потерь (5,86% масс.)

меньше допустимого. При проницаемости по воде G

= 1,11·10

-3

кг/м

·с истин-

ная селективность мембран составила ϕ

= 0,984.

При допущении, что осмотическое давление у поверхности мембраны

равно осмотическому давлению в объеме разделяемого раствора и что осмоти-

ческое давление фильтрата пренебрежимо мало (π≈0), рабочая поверхность

мембраны оценивается F = 13935 м

≈ 14 000 м

При выборе аппарата ориентировались на тип аппарата с рулонными

фильтрующими элементами. При рабочей длине модуля l

= 0,4 м, длине пакета

= 1,8 м, числе модулей в корпусе аппарата n

= 6 рабочая поверхность мем-

бран в аппарате составляет F

= 51,84 м

. Тогда общее число аппаратов в мем-

бранной установке составит n = 268.

Выпаривание раствора метабората натрия проводится в вакуум-выпарной

установке до концентрации NaBO

18%. Упаренный раствор охлаждается в те-

плообменнике до t=15-20

С и поступает в реактор для осаждения пербората

натрия.

Получение пербората натрия описывается уравнением

NaBO

= NaBO

+ H

Реакционная масса должна постоянно охлаждаться, при этом температура

в конце процесса должна составлять от 0 до – 5

С. Для охлаждения реактора

возможно применение охлаждающего рассола с температурой – 15°С. Полу-

ченная пульпа центрифугируется и промывается на фильтровальной центрифу-

ге при отношении М

осадка

:М

воды

= 1:2.

Маточник и элюат направляют на стадию выпаривания метабората на-

трия. Промытый перборат натрия сушат в барабанной сушилке горячим возду-

хом при 120-130°С. Высушенный продукт должен соответствовать ТУ 6-02-

1187-79 для пербората натрия высшей категории качества.

В развитие проведенной по методике ВСЕГИНГЕО [19] технико-

экономической оценке всех разрабатываемых объектов были проведены техни-

ко-экономические

расчеты опытно-промышленного производства декабромди-

фенилоксида из попутных вод Западно-Тэбукского месторождения [98].

110

Основные технико-экономические показатели производства декабромди-

фенилоксида из пластовой воды Западно-Тэбукского месторождения приведе-

ны в табл. 4.11.

Таблица 4.11

Основные технико-экономические показатели производства декабром-

дифенилоксида из пластовой воды Западно-Тэбукского месторождения

№

п/п

Наименование показателей Ед. изм.

Показатели

в ценах

1991г

Выпуск товарной продукции – в на-

туре

т/год

750

- в действующих ценах тыс.руб. 11250

- по полной себестоимости тыс.руб. 7500

2 Себестоимость единицы продукции руб. 10000

3 Прибыль тыс.руб. 3750

4 Численность промперсонала чел. 150

в т.ч. рабочих чел. 117

5 Производительность труда тыс.руб/чел 75

6 Сметная стоимость строительства тыс.руб. 18511,61

7 Производственные фонды тыс.руб. 19652,9

а) основные тыс.руб. 18197,11

б) оборотные тыс.руб. 1455,8

8 Рентабельность фондов % 19,0

9 Окупаемость капвложений лет 4,94

10 Фондоотдача коп. 57,2

Годовая потребность в энергоресур-

сах - электроэнергия

тыс.кВт/ч 18112,0

- пар Гкал 22020

- вода техническая тыс. м

393,45

- вода оборотная тыс. м

874,0

- вода питьевая тыс. м

175,0

- воздух сжатый тыс. м

9540,0

- газ попутный тыс. м

5328

12 Грузооборот

- по прибытию т 6060,0

- по отправлению т 750,0

Рентабельность к себестоимости % 50

4.3. Осаждение магния

Известна технология получения оксида магния при извлечении магния из

поверхностных вод высокой минерализации (Перекопский бромный завод), из

минералов (брусита и магнезита), из хлормагниевых рассолов (Березниковский

химический завод) [105].