Методы и технологии локализации, сбора и удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов

Министерство образования и  науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

КАЗАНСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ им. А. Н. ТУПОЛЕВА

________________________________________________________

Филиал «Восток»

Реферат

по дисциплине: «Основы технологии нефтегазового комплекса»

на тему: «Методы и технологии локализации, сбора и удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности водоемов»

   Выполнила:                                ст. гр. 21680 Уварова О.А.

                                                          № зач. книжки -     №921726

   Проверил:                                    доцент Мирсайзянова С.А.      

Чистополь

2012

Содержание

Содержание……………………………………………………………………..2

Введение………………………………………………………………………..3

Методы сбора  и удаления нефти с поверхности  водоемов…………………5

Заключение……………………………………………………………………15

Литература…………………………………………………………………….17

Введение

Проблема охраны окружающей среды и рационального  использования природных ресурсов имеет важное социальное и народнохозяйственное значение. С развитием промышленности влияние результатов человеческой деятельности на природу становится настолько большим, что наносимый ей ущерб не всегда может быть восстановлен естественным путем без проведения природоохранных и природовосстановительных мероприятий.

При сооружении и эксплуатации магистральных нефтепроводов проблеме охраны окружающей среды уделяют первоочередное внимание. Воздействие на окружающую среду магистральных нефтепроводов обусловлено их спецификой как линейно протяженных объектов (протяженность от сотен до нескольких тысяч километров), прокладываемых в сложных природно-климатических условиях с применением различных конструктивных схем и технологий сооружения для транспортировки вредных для окружающей среды продуктов.

Учитывая основополагающую роль магистральных трубопроводов как средства транспортирования жидких и газообразных продуктов и вовлечения в хозяйственную деятельность малоосвоенных природных регионов, характеризующихся высокой чувствительностью к техногенным воздействиям, проблема охраны окружающей среды при трубопроводном транспорте является весьма актуальной.

Особую опасность для окружающей среды представляют аварийные утечки при отказах нефтепроводов на подводных переходах.

Взаимодействие  нефти и воды характеризуется  сложными физико-химическими процессами, протекающими с различной интенсивностью на разных стадиях формирования нефтяного загрязнения. Основные из них — растекание, испарение, диспергирование, эмульгирование, окисление, биодеградация и седиментация.

Растекание  нефти по поверхности воды обусловлено  действием сил гравитации и поверхностного натяжения и является доминирующим процессом начального периода (примерно 6—10 ч) формирования нефтяного загрязнения. Испарение легких фракций приводит к уменьшению объема нефти в пленке, снижению воспламеняемости и токсичности, но увеличивает вязкость и плотность остатка. Растворение нефти в воде, главным образом легких фракций, протекает с незначительной скоростью, зависящей от состава и физико-химических свойств нефти, толщины пленки, температуры воды и состояния водоема. Диспергирование заключается в образовании мелких капель нефти вследствие механического перемешивания пленки волнами. Поэтому скорость диспергирования зависит от состояния водоема и свойств нефти.

Эмульгирование  представляет собой процесс образования  смеси воды и нефти, отличающейся при определенных соотношениях высокой вязкостью и устойчивостью к распаду. Эмульгирование сопровождается увеличением первоначального объема в несколько раз. Углеводороды относятся к достаточно устойчивым к окислению соединениям. Однако в контакте с водой в присутствии света процессы окисления заметно активизируются. Масштаб загрязнения определяется, при прочих равных условиях, процессами растекания и испарения.

Прогресс в  развитии трубопроводного транспорта неразрывно связан с выполнением комплекса мероприятий по охране окружающей среды на принципиально новых научно-технических основах проектирования, строительства и эксплуатации магистральных нефтепроводов. Такие мероприятия позволяют существенно снизить, а иногда практически исключить загрязнение окружающей среды.

Методы сбора  и удаления нефти и нефтепродуктов с поверхности воды

При аварийном  разливе нефти по водной поверхности  решаются три основные задачи: локализация, сбор и удаление нефти с поверхности воды. Причем все они должны решаться быстро, так как с потерей времени решение их осложняется вследствие того, что в попавшей в водоемы нефти происходит химическое и биологическое окисление, испарение легких фракций и т.д. Окисляются и испаряются в основном легкие фракции — от керосина до смазочных масел среднего удельного веса, что приводит к накоплению в воде тяжелых трудноокисляемых фракций нефти, которые впоследствии образуют донное загрязнение.

Уменьшение  содержания нефти в пленке в первые дни после ее образования происходит преимущественно за счет испарения. При температуре воды 22+27 °С потери нефти из пленки в результате испарения за первые три дня достигают 26 %, а при 2+5 °С — 12 %. Дальнейшее снижение содержания нефти в пленке обусловливается биохимическим окислением и оседанием на дно водоема.

Разработан  комплекс методов и средств очистки  водных объектов от нефти.

Основным способом сбора нефти с поверхности  воды является установка боновых заграждений и нефтесборщиков. Боновые заграждения удерживают нефть от растекания и направляют ее к нефтесборщику. Нефтесборщик собирает нефтяную пленку; с помощью насосов собранная нефть откачивается в подготовленные емкости (танкеры, резервуары, котлованы и т.д.).

Расстановку плавучих заграждений и нефтесборщиков рекомендуется выполнять по результатам гидравлического моделирования процесса, на основе анализа НТД и литературных источников по проблеме локализации и сбора нефти с поверхности воды.

Варианты расстановки боновых заграждений выбираются в зависимости от конкретных условий с учетом скорости течения и категории рек. Так, для несудоходных рек может быть предложен вариант полного перекрытия реки, а для судоходных рек — варианты частичного перекрытия.

Установка боновых заграждений перпендикулярно течению может осуществляться при скорости течения реки до 0,35 м/с. При больших скоростях течения боновые заграждения устанавливают под углом к течению. Угол установки боновых заграждений и его длина в зависимости от скорости течения могут выбираться по номограмме (рис. 1.1).

Длина секций заграждения  определяется расчетом при условии, что общее продольное усилие, действующее на боновые заграждения и нефтесборщик, не превышает допустимую нагрузку на силовые элементы бонового заграждения.

Чтобы исключить проникновение  нефти под боновое заграждение, сбор ее необходимо осуществлять по проточной схеме, т.е. располагать нефтесборщик в одном ряду с заграждением, обеспечивая возможность протекания потока под нефтесборщиком. При этом производительность нефтесборщика должна быть выше возможного поступления нефти. В случае, когда производительность нефтесборщика меньше, необходимо устанавливать по проточной схеме ниже по течению несколько рядов боновых заграждений с нефтесборщиками с таким расчетом, чтобы суммарная производительность нефтесборщиков была равна возможному объему поступающей нефти (рис. 1.2).

Для локализации загрязнения  применяют плавучие и подводные заграждения. Принцип действия плавучего бонового заграждения заключается в создании механического барьера, препятствующего горизонтальному перемещению или распространению тонкого верхнего слоя воды вместе с нефтяной пленкой. Боновые заграждения состоят из плавучей, экранирующей и балластной частей. Плавучая часть выполняется в виде отдельных поплавков прямоугольного или круглого сечения либо в виде сплошных непотопляемых труб. Экранирующая часть представляет собой гибкую или жесткую пластину, присоединенную к плавучей части бона и нагруженную для придания устойчивости балластной цепью, трубой или растяжками. Боновые заграждения изготавливают в виде нескольких шарнирно-соединяемых секций. Надводная часть бонового ограждения в снаряженном состоянии выступает на одну треть его высоты. При установке бонового ограждения для предотвращения нефтяного загрязнения поверхности водоема учитываются направление и скорость течения, преимущественное направление ветра, а также место расположения источника загрязнения. С учетом указанных факторов боновое ограждение может устанавливаться не по кольцу, а только с одной стороны. Недостаток боновых ограждений — определенные ограничения для движения судов и других плавающих средств. Указанного недостатка лишены пневмозаграждения, которые удерживают пленочную нефть в определенных границах и предотвращают ее растекание. При стационарном расположении источника загрязнения пневмо-заграждение формируется путем пропускания пузырьков воздуха из специального трубопровода, закрепленного вблизи от донной поверхности.

Сбор и удаление нефти с поверхности воды осуществляют нефтесборщиками, скиммерами (сепараторами) различной конструкции, сорбирующими материалами, а также поверхностно-активными веществами (ПАВ).

Для сбора толстых  пленок нефти в спокойной воде эффективно можно использовать малогабаритный скиммер. Он состоит из понтона, емкости и отсасывающего рукава. Поверхностная пленка нефти всасывается в емкость через погруженный в воду передний край скиммера при работе отсасывающего насоса. При увеличении скорости откачки погружение переднего края увеличивается, и больший слой пленки всасывается в емкость. С уменьшением скорости откачки передний край поднимается, а при прекращении откачки выходит из воды. Таким образом, регулируя скорость откачки, можно собирать и удалять нефтяные пленки различной толщины. При ширине переднего края скиммера 1 м максимальная производительность достигает 12 т/ч.

Другим типом  малогабаритного скиммера является устройство, состоящее из четырех попарно соединенных поплавков, поддерживающих желоб с отсасывающим рукавом. Регулировка поплавков осуществляется таким образом, чтобы края желоба были слегка погружены. При этом стекающая в желоб пленка нефти удаляется через гибкий рукав отсасывающим насосом. Стабильность работы обеспечивается поддержанием определенного установившегося уровня нефти в желобе, т.е. регулировкой скорости откачки, соответствующей толщине пленки нефти.

Имеются также конструкции  дискового и барабанного скиммеров, отличающихся от вышеописанных. Принцип  их работы основан на свойстве адгезии  нефти и нефтепродуктов. При вращении барабанов (дисков) нефть увлекается ими вверх, где стекает под действием собственного веса или снимается специальными щитками в накопитель, из которого затем удаляется в резервуар. Эффективность работы таких скиммеров зависит от скорости вращения, размера барабанов (дисков) и вязкости нефти и нефтепродуктов.

Успешно применяется скиммер  АС-400. Устройство содержит 200 дисков диаметром 500 мм со щетками. Нефтесборщик работоспособен при волне до 3 м. Производительность устройства при вязкости нефти от 1 • 10^—4 м²/с составляет от 400 до 150 м³/ч при толщине слоя нефти 20 см и от 100 до 60 м³/ч при толщине слоя 2,5 см.

Нефтесборщик «Нефтесбор-1» предназначен для сбора нефти с поверхности воды при авариях на подводных переходах магистральных нефтепроводов через судоходные реки. Принцип работы устройства основан на эффекте вихревой воронки, создаваемой на поверхности воды. В комплект нефтесборщика входят заборное устройство, вспомогательное оборудование, сборщик, пульт управления и передвижная дизель-электрическая станция мощностью 50 кВт, которая устанавливается на берегу или на плавучем основании. Вспомогательное оборудование включает мостик, переходные и две дополнительные секции, мусоросборщик, боновые ограждения, состоящие из отдельных секций, и якорные секции. Управление нефтесборщиком осуществляется с пульта управления дистанционно. Производительность нефтесборщика при толщине пленки 3,5 мм составляет 30 м³/ч.

Сбор нефти  с поверхности воды с помощью адсорбирующих материалов и поверхностно-активных веществ относится к физико-химическим методам. С их помощью производят рассеивание нефти в толще воды, потопление нефти с помощью тяжелых адсорбентов или путем коагуляции, поглощение нефти плавающими адсорбентами и др.

Для рассеивания  нефти в толще воды обычно применяют  ПАВ эмульгирующего действия, которые  часто разбавляются органическими растворителями. Эффективное рассеивание плавающей нефтяной пленки происходит при расходе эмульгаторов около 25 % от массы диспергирующей нефти. Рассеянные в воде нефть и нефтепродукты подвергаются биохимическому воздействию микроорганизмов водоема и химическому воздействию атмосферы и гидросферы, что приводит к ускорению деструкции загрязнения.

Химические реагенты по целевому назначению могут быть использованы для диспергирования нефтяной пленки на капли с формированием прямой эмульсии (нефть в воде) — рассеивания нефтяного загрязнения на большой площади водной поверхности или, напротив, сбора пленки нефти с увеличением ее толщины, ограничения растекания и предотвращения загрязнения берегов и сооружений, а также для отмывки растительности, берега и кустарников от нефтяного загрязнения. Отдельную группу химических реагентов составляют гелеобразователи, которые переводит пленку нефти в полутвердое состояние, после чего ее удаляют механическим способом.

При аварийных  нефтяных выбросах в портах, вблизи береговых сооружений или на нефтяных промыслах шельфовой зоны резко повышается опасность возникновения пожаров. Поэтому для быстрой ликвидации такой опасности целесообразно с помощью адсорбентов потопить плавающий нефтяной слой. В качестве потопляющих нефть адсорбентов применяются гидрофобизированный кварцевый песок, асбест, доломит, магнезит, каолин и бентонит, тальк, вощеный песок, шамот и мел, сера, гидрофобизированные зола и цемент и т.д.

Эти вещества или  композиции на их основе распыляются  на поверхность разлитой нефти. Образовавшиеся при этом тяжелые хлопья смеси  порошка с нефтью оседают на дно  водоема, где медленно разлагаются нефтеокисляюгцими микроорганизмами.

Одним из наиболее широко применяемых физико-химических методов очистки является использование  нефтепоглощающих адсорбентов, способных  плавать на поверхности воды как в свободном, так и в насыщенном нефтью состоянии. Использование такого вида адсорбентов в сочетании с механическим удалением их из зоны очистки представляется наиболее рациональным. В настоящее время в качестве плавающих поглотителей нефти используется довольно много различных веществ природного происхождения, таких, например, как сено, солома, бумага, шерсть, размолотая кукурузная лузга, рисовая шелуха и т.д. Природные материалы во многих случаях не могут удовлетворять постоянно возрастающим требованиям к качеству очистки. Поэтому в последние годы получили развитие методы удаления из воды нефтепродуктов с использованием специально синтезированных пористых полимерных материалов, например, пенополиуретанов и пенополистиролов, которые иногда активируют путем обработки кислотами или модификаторами, повышая при этом их адсорбционную способность. Обработанный пенополиуретан может поглотить с поверхности воды слой нефти толщиной 10 мм и снизить концентрацию нефти в воде с 4000 — 6000 до 10—14 мг/л.

Из полимерных материалов можно изготавливать маты или ограждающие боны. Применяются они и для извлечения из воды эмульгированной нефти. В последние годы получает развитие модифицирование неорганических материалов органическими веществами с целью повышения нефтепоглоти-тельной способности получаемых продуктов. Стоимость таких адсорбентов относительно невелика, технология изготовления довольно проста и может быть реализована в различных районах страны. Известен ряд природных неорганических материалов, которые можно использовать в качестве адсорбентов — собирателей нефти или исходного материала для их получения.

В этой связи  значительный интерес вызывает использование для сбора нефти с поверхности воды гидрофобного адсорбента на основе вспученного перлита. Перлит представляет собой стекловидную вулканическую горную породу.

В зону загрязнения  адсорбент (вспученный перлит) подают из-под воды с помощью гидроэжекторной  установки. По сравнению с распылением  сверху подача на загрязненную поверхность  адсорбента из-под воды исключает  потерю поглотителя, а также повышает эффективность его применения.

Сбор насыщенного  нефтью сорбента и отделение его  от воды проводят с помощью специального судна-нефтесборщика. Насыщенный нефтью сорбент вместе с водой всасывается через заборное устройство и подается по трубопроводу в гравитационный сепаратор, где происходит отделение воды. Адсорбированная нефть накапливается в емкости, расположенной на нефтесборщике.

Для обработки  пленочной нефти используются так  называемые диспергенты.

Применение  диспергентов для обработки пленки нефти оправданно  при использовании их   в теплое   время   года на водоемах с высокой биологической активностью при обширных загрязнениях с тонкой пленкой нефти (менее 0,1 мм). При использовании диспергентов должны строго выполняться требования по дозировке (в пределах допустимых концентраций) и рекомендации по технологии обработки пленочной нефти. В случае малых загрязнений водоема, имеющего рыбохозяйственное значение, предпочтение следует отдавать альтернативным методам, например, сбору пленочной нефти с применением сорбентов.

Для оценки характера  нефтяного загрязнения и целесообразности применения химических препаратов существенное значение имеет изменение толщины пленки нефти. Измерение толщины плавающего слоя может быть проведено физическими, физико-химическими и механическими методами. Из них наибольшее распространение получили методы с использованием сорбирующего материала для извлечения нефтяной пленки с определенной площади.

Технологическое оборудование для обработки пленочной нефти химическими реагентами должно обеспечивать равномерное распределение раствора диспергента по ширине захвата с необходимым уровнем механического воздействия на пленку нефти. Обработка пленки нефти раствором диспергента проводится плоской струей.

Возможно использование  для обработки пленочной нефти  простой центробежной форсунки. Экпериментальными  наблюдениями установлено, что при первых ударах капель раствора диспергента о пленку нефти последняя дробится на капли и увлекается с поверхности в воду; при этом эффективность дробления капель нефти существенно уменьшается, так как последующие капли раствора диспергента обрабатывают чистую водную поверхность. В силу этого обработка струями диспергента из форсунок с полым конусом распыла с борта транспортного средства более эффективна, чем обработка из форсунок со сплошным конусом распыла. Форсунки с полым конусом распыла имеют также более неоднородный распад с меньшей величиной отклонения размеров капель от заданного значения. Для усиления эффективности механического ударного воздействия капель раствора диспергента на пленку нефти представляется также возможным применение пульсирующих сопел. При этом возмущения могут генерироваться механически, например, путем колебания подвижной мембраны. Пульсирующий режим течения может усиливаться подачей воздуха в раствор диспергента. Согласно технологии применения диспергентов пленочной нефти технические средства должны предусматривать подачу воздуха в коллектор на выкиде насоса к выносным стрелам и форсункам. Для эффективной адсорбции ПАВ на поверхности пузырьков в начале и в конце коллекторов устанавливают смесители из тонкой проволоки для формирования однородной тонкодисперсной пены. Применение оборудования с формированием пенного раствора диспергента уменьшает уровень токсического   воздействия   диспергентов   на   окружающую среду.

Заключение

Таким образом, нефть и ее продукты в водах поверхностного стока могут находиться в двух состояниях. Первое состояние – эмульсионное, когда двухфазная жидкость представляет собой неоднородную систему, которая состоит из капель воды, распределенных между молекулами нефти или ее продуктов.  Второе состояние – стратифицированная жидкость, независимо от толщины нефти или ее продуктов на поверхности воды.

При эмульсионном состоянии нефти и ее продуктов  в воде их выделение наиболее доступно следующими методами:

- сепарация  в поле больших центробежных  сил. Метод реализуется на центрифугах  и характеризуется возможностью  обработки лишь небольших объемов  воды и высокими энергозатратами, что не позволяет использовать его при очистке вод поверхностного стока;

- фильтрование, как на напорных, так и на  безнапорных фильтрах. Фильтры классифицируются  по материалам, из которых они  изготавливаются, по компоновке, по способу промывки и регенерации и т. д. Любой фильтрующий материал задерживает частицы, соизмеримые с диаметром ячеек на самом фильтре. Когда речь идет о задержании нефти и ее продуктов на фильтрах, необходимо рассматривать частицы в пределах нескольких десятков микрометров.

- метод гравитационной  стратификации. Реализация метода  гравитационной стратификации потока  может быть осуществлена без  специальных сооружений. Зная расходы  жидкости, необходимо задать скорости  потока, исключающие эмульгирование  и обеспечивающие окончательное расслоение жидкости.

Второе состояние  системы "нефть или ее продукты плюс вода", которое подлежит рассмотрению, – это состояние стратифицированной жидкости. Ведь добившись стратификации  жидкости в одном случае или имея это состояние как исходное в другом случае, мы должны собрать нефть или ее продукты с поверхности воды.

При стратифицированной жидкости собрать нефть или ее продукты с поверхности воды можно  фильтрованием, адсорбцией, механическим сбором с использованием сил вязкости нефти и ее продуктов, а также сепарацией в поле слабых центробежных сил.

Список  используемой литературы

1. РД 39-30-499—80. Положение о техническом обслуживании и ремонте линейной части магистральных нефтепроводов. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1980.
2. РД 39-110—91. Инструкция по ликвидации аварий и повреждений на магистральных нефтепроводах. - Уфа: ИПТЭР, 1992.
3. Временные указания по технологии и организации ре-монтно-восстановительных работ на нефтепроводах, пролегающих в условиях болот и переувлажненных грунтов. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1973.
4. РД 39-00147105-006—97. Инструкция по рекультивации земель, нарушенных и загрязненных при аварийном и капитальном ремонтах магистральных нефтепроводов. -
5. Уфа: ИПТЭР, 1997.
6. РД-39-0147103-360—89. Инструкция по безопасному ведению сварочных работ при ремонте нефте- и продуктопро-водов под давлением. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1989.
7. Инструкция по созданию герметизирующих тампонов из карбамидной композиции для перекрытия нефтепровода при выполнении  ремонтно-восстановительных работ.   -
8. Уфа: ИПТЭР, 1990.
9. 7. РД 39-016-90. Положение о воздушном патрулировании 
   магистральных нефтепрвоодов.   - Уфа ВНИИСПТнефть,
10. 1990.
11. 8. РД 39-025—90. Норматив-табель технического оснащения 
    аварийно-восстановительных пунктов магистральных 
    нефте- и продуктопроводов. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1990.
12. 9 РД 39-00147105-011—97. Табель технического оснащения служб капитального ремонта магистральных нефтепроводов. - Уфа: ИПТЭР, 1998.
13. Каталог технических средств для аварийно-восстановительных работ на магистральных нефтепроводах. - Уфа: ВНИИСПТнефть, 1983.
14. СНиП 2.05.06—85. Магистральные трубопроводы. — М.: Минстрой России, 1997.