Основы проектирования опреснительных установок



Растущий мировой дефицит пресной воды может быть скомпенсирован опреснением солёных (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2–10 г/л) океанических, морских и подземных вод, запасы которых составляют 98 % всей воды на земном шаре. Известно, что 97,5 % воды сосредоточено в Мировом океане, соленость которого составляет 35 %, или 35 г/л. На пресные воды приходится 2,5 %, при этом более 2/3 ее законсервировано в ледниках и снежниках и всего 0,32 % приходится на озера и реки.

Ключевые слова: опреснение вод, опреснительные установки, вакуум-выпарная установка, ионообменная установка, адсорбционная установка.

Задачи рационального использования природных ресурсов, охраны окружающей среды, обеспечения населения и техники питьевой и технической водой являются актуальными, особенно в пустынных регионах. Наряду с существующими в регионе указанными проблемами имеются значительные запасы подземных промышленных вод, получаемых в процессе добычи нефти, газового конденсата и природного газа.

Различные регионы Республики Узбекистан испытывают потребность в питьевой воде. Эти регионы богаты подземными солеными водными источниками, причем при добыче нефти и газа получают пластовые воды с минерализацией более 90 г/л и попутные нефтяные газы с низкими давлениями. Пластовые воды рассматриваются в качестве полезного ископаемого.

В Узбекистане ежегодный объем добываемых попутно с нефтью пластовых вод составляет более 10 млн. м³, практически неисчерпаемые объемы залегаемых пластовых вод делают их переработку чрезвычайно актуальной.

Использование попутно добываемых вод, особенно на месторождениях с нерентабельной добычей нефти, даст возможность снизить стоимость добываемого сырья за счет дополнительного получения товарной продукции, и, как следствие, сохранить имеющуюся инфраструктуру нефтепромыслов и рабочие места, значительно улучшить экологию.

Следует отметить, что добыча пластовых вод не требует затрат, они отделяются от добытой нефти и конденсатов в качестве побочных вод.

Практическая значимость исследований, направленных на опреснение существующими методами (способами), оборудования и новых технологий с целью возможного применения по этим вопросам в условиях пустынных зон республики, не вызывает сомнений и позволит решить проблему обеспечения населения пресной водой. В настоящее время имеется достаточное количество методов опреснений подземных вод от солей.

Разработанный метод и установка позволяют получать опресненные воды для технических нужд и питьевую воду.

Задачей исследования является –экспериментальная технологическая схема опреснения и выбор режимов очистки пластовых вод на месторождениях нефти и газа.

Нехватка пресной воды все больше ощущается даже в индустриально развитых странах, таких как США и Япония, где потребность в пресной воде для бытовых нужд, сельского хозяйства и промышленности превышает имеющиеся её запасы. В таких странах, как Израиль или Кувейт, где уровень осадков очень низок, запасы пресной воды не соответствуют потребностям в ней, которые возрастают в связи с модернизацией хозяйства и приростом населения. В дальнейшем человечество окажется перед необходимостью рассматривать океаны как альтернативный источник воды [1].

Россия по ресурсам поверхностных пресных вод занимает первое место в мире. Однако до 80 % этих ресурсов приходится на районы Сибири, Севера и Дальнего Востока. Всего около 20 % пресноводных источников расположено в центральных и южных областях с самой высокой плотностью населения и высокоразвитыми промышленностью и сельским хозяйством. Некоторые районы Средней Азии (Туркмения, Казахстан), Кавказа, Донбасса, юго-восточной части России, обладая крупнейшими минерально-сырьевыми ресурсами, не имеют источников пресной воды. За последние годы были также предложены новые альтернативные методы опреснения морской воды за счёт воздействия ультразвуком, акустическими, ударными волнами, электромагнитными полями и др.

Существует множество способов опреснения воды, проблема заключается в том, чтобы проводить опреснение с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно потому, что государство, которое вынуждено в большей мере полагаться на опресненную воду, должно выдерживать экономическую конкуренцию с другими государствами, располагающими более обильными и дешевыми источниками пресной воды.

Различают следующие методы опреснения вод:

− химическое опреснение;

− опреснение путем дистилляции;

− опреснение воды ионным методом;

− обратный осмос;

− электродиализ;

− замораживание.

Вопросы концентрирования солей минеральных вод и опреснения воды — две стороны одной проблемы разделения жидких смесей на отличающиеся по составу фракции. В частности, в процессе дистилляции жидкость разделяется на достаточно чистую от примесей воду и концентрат солей. При опреснении воды концентрация растворенных солей снижается до степени (обычно до 1 г/л), при которой вода становится пригодной для питьевых и хозяйственных целей. Рассмотрим способы опреснения воды, дистилляции и далее — концентрирование соленых (солесодержание более 10 г/л) и солоноватых (2–10 г/л), океанических, морских и подземных вод. Транспортировка пресной воды по трубопроводам или каналам из районов, в которых она находится в избытке, к районам, где имеется ее недостаток, не всегда рентабельна, в сравнении с опреснением соленой воды на месте. Поэтому строительство опреснительных установок (ОУ) выгоднее, чем транспортировка на расстояние более 200 км [2].Также надо иметь в виду что ОУ на морских судах и удаленных нефтяных разработках выгоднее, чем хранение пресной воды или транспортировка ее по трубопроводам. Опреснение воды может быть осуществлено как с изменением агрегатного состояния воды (дистилляция, замораживание), так и без её изменения (электродиализ, гиперфильтрация, или обратный осмос, ионный обмен, экстракция воды органическими растворителями, экстракция воды в виде кристаллогидратов, нагрев воды до определённой температуры, сорбция ионов на пористых электродах, биологический метод с использованием способности некоторых водорослей поглощать соли на свету и отдавать их в темноте и др.).

В соответствии со способами очистки воды существуют различные типы опреснительные установки (ОУ). Дистилляционные ОУ (однокорпусные и многокорпусные, по способу опреснения — парокомпрессионные и солнечные) применяются при опреснении морской и солёных вод вообще. Опреснение воды электродиализом и гиперфильтрацией (обратным осмосом) экономично при солесодержании 2,5–10 г/л, ионным обменом — менее 2,5 г/л. Из всего объёма получаемой в мире опреснённой воды 96 % приходится на долю дистилляционных ОУ, 2,9 % — электродиализных, 1 % — гиперфильтрационных и 0,1 % — на долю замораживающих и ионообменных ОУ [2–4].

Разработанные технологические линии оформляются в виде технологической документации. Оценкой рациональности создания технологических линий является их эффективность и, прежде всего экономичность. Правильно разработанная технологическая линия должна обеспечить производство продукции с минимальными затратами сырья, труда и энергии.

Проведенные эксперименты показывают оптимальное разделение предлагаемой технологической линии на следующие основные технологические процессы и использование оборудования:

1) Процессы очистки пластовых вод от органических компонентов. Для очистки пластовых вод выбран комбинированный метод. Глубокая очистка осуществляется с помощью адсорбции, а отстаивание используется с целью уменьшения расхода адсорбента;

2) Выпаривание пластовых вод в вакууме для получения рассола и дистиллированной воды. Для выпаривания пластовых вод используются теплообменник для нагрева воды, парогенератор для образования водяного пара, вакуум-камера для разделения на фракции пластовых вод, вакуум-насос или бароконденсатор для образования вакуума;

3) Очистка ПНГ от соединений серы для использования в качестве топлива;

4) Получения готовой продукции — концентрат с микроэлементами и опресненные воды. Для получения концентрата с микроэлементами из рассола осуществляется разделение на фракции — микроэлементы из солей натрия и кальция. Накопленная насыщенная микроэлементами вода (рассол) в установке подается на дальнейшую переработку в отстойник, где рассол отстаивается и на днище отстойника накапливаются кристаллы солей, а концентрат с микроэлементами на верхе отстойника. Для получения питьевой воды требуется глубокая очистка дистиллированной воды от соединений различных токсичных элементов. Очистка пластовых вод осуществляется с помощью ионитов. Ионообменный материал за счет меньшей количества токсичных ионов в составе воды поменяется в течение года, а также поможет глубокие очистки, чем лучшие других методов.

Вышеуказанные процессы и оборудование считаются неотъемлемой частью предлагаемой созданной технологической линии, используемой для получения качественной продукции.

Главная задача опреснения воды заключается в том, чтобы проводить процесс с минимальной затратой энергии и минимальными расходами на оборудование. Это требование важно, потому что страна, которая вынуждена в большей мере полагаться на опресненную воду, должна выдерживать конкуренцию с другими странами, располагающими более обширными и дешевыми источниками пресной воды.

На сегодняшний день наилучшие экономические, экологические и технологические показатели имеют комбинированные схемы водоподготовки, когда первая стадия обессоливания воды осуществляется безреагентным методом — обратным осмосом или выпаркой, а глубокая доочистка воды — ионным обменом. Такая схема позволяет сократить по сравнению с «чистым» ионным обменом расход реагентов и объем солевых стоков примерно в 10 раз при максимальном качестве очистки воды. Именно такой вариант наиболее часто употребляется во всех разрабатывающихся и строящихся в республике и за рубежом схемах получения высокочистой воды для энергетики, электроники и медицины.

С целью разработки новых способов для комплексной переработки пластовых вод предложена технологическая схема (рис.1) на основе результатов [5–7] по производству опресненной воды с использованием в качестве топлива факельных газов нефтегазоконденсатного месторождения и в качестве охладителя соленые воды, а также улучшение экологической обстановки в регионе.

Технология комплексной переработки пластовых вод рис.1 включает в себя емкость для пластовой воды (на практике –это пруд для большого объема воды) 1, насосы 2, 4, 7, 16, 19, термический отстойник 3, адсорбер 5 для очистки пластовых вод от органических соединений, емкость 6 для очищения пластовой воды, циркуляционный насос 8, теплообменник 9 для нагрева пластовых вод, парогенератор 10, очистительную установку 11 факельного газа, вакуум-выпарную камеру 12, емкость 13 для концентрата, барометрический конденсатор 14, вакуум-насос 15, холодильник 17, емкость 18 для технических вод, ионообменный адсорбер 20 для глубокой очистки дистиллята, емкость 21 для получения питьевой воды.

Рис.1. Технология комплексной переработки пластовых вод: 1-емкость для пластовой воды; 2, 4, 7, 16, 19-насосы; 3-термический отстойник; 5-адсорбер для очистки пластовых вод; емкость для очищенной пластовой воды; 8-циркуляционный насос; 9-теплообменник; 10 — парогенератор; 11- установка для очистки факельного газа; 12-вакуум-выпарная камера; 13-емкость для концентрата; 14-барометрический конденсатор; 15- вакуум-насос; 17-холодильник; 18-емкость для технических вод; 20-ионоообменный адсорбер для глубокой очистки дистиллята; 21-емкость для сбора питьевой воды

С помощью данного способа пластовая вода перерабатывается следующим образом: из установок первичной переработки нефтегазоконденсата с расходом более 1500 м³/сутки пластовая вода поступает в емкость 1, где она с остаточными углеводородами собирается в большом количестве. Здесь пластовая вода отстаивается в течение нескольких дней, и в процессе осаждения тяжелых механических примесей эти фракции нефти отстаиваются, легкие углеводороды всплывают на поверхность воды. Эффективность отстаивания зависит от времени отстаивания воды в пруде. В способе предусмотрено использование пруда с пластовыми водами в качестве холодильника для охлаждения конденсата, выходящего из нижней части бароконденсатора, в условиях отсутствия на местности охлаждающей пресной воды и озера с солеными водами. Изучена мировая практика и рассчитано использование водохранилища в качестве холодильника. Внизу пруда устанавливается труба и подается горячий дистиллят (температура не более 60°С) внутри трубопровода и горячая вода охлаждается (до 10- 25^ОС) от пластовых вод пруда. Обычно в пруде имеется не более 20000 м³ пластовой воды. Расчет показывает, что барометрический конденсатор расходует 30 м³/ч чистой холодной воды с температурой от 15 до 25°С при переработке 25 м³ пластовой воды. В качестве охлаждающей воды (чистая вода) из конденсата, выходящей из нижней части бароконденсатора с температурой 50–55°С, не имеющей местного контакта с охлаждающей водой. Кроме того, преимущество использования в качестве холодильника пруда с пластовыми водами является ускорение отстаивания пластовых вод от нефтепродуктов и органических веществ и выпаривания различных газов в составе пластовых вод.

Литература:

1. Ли Дж., Генри В. Н., Уэллс М. Эксплуатация обводняющихся газовых скважин. Технологические решения по удалению жидкости из скважин // Москва, Премиум инжиниринг, 2008Г., 384 стр.
2. Слесаренко В. Н. Дистилляционные опреснительные установки. М.: Энергия, 2008г.
3. Бакиев С. А., Калабугин JI.A., Щеглов B. C., Умаров Р. Б. Промышленные воды Узбекистана и перспективы их использования // В сб. гидрогеологические исследования в Узбекистане. Труды посвященные 50-летию гидрогеологической службы Узбекистана. — Ташкент. 2007. -С.45–50.
4. Бакиев С. А. Гидроминеральные ресурсы Узбекистана. В сборнике тезисов докладов Республиканской конференции «Техносфера, человек, микроэлементы». -Т.: ТашГТУ, 2004, -27–29 с.
5. Норкулова К. Т. Микроэлементы и биопродукты гидролиза растительного вторичного сырья. ТашГТУ, 2005. -256 с.
6. Норкулова К. Т. Применение технологии концентрирования минеральных вод при устранении микроэлементоза в экосистемах. //Вестник ТашГТУ, Специальный выпуск, 2005. 151–156 с.
7. Норкулова К. Т., Умартаев A. M., Маматкулов М. М. Многокаскадные опреснители и их экономическая эффективность. Сб. науч. труд. Международной научно-технической конференции «Современное состояние и перспективы развития энергетики». -Т.: ТашГТУ, 2006. -С. 315–316.