An alternative way to prevent mineral deposits

Full Text

Образование минеральных отложений, таких как карбонаты, сульфаты, представляет собой серьезную проблему для промышленности, включая химическую, металлургическую, энергетическую и нефтегазовую отрасли, так как приводит к снижению производительности, повышению эксплуатационных расходов и сокращению срока службы оборудования [1–5]. В частности, в нефтегазовой и нефтехимической промышленности эта проблема проявляется в реакторах и трубопроводах, где кристаллизация растворенных солей может не только ухудшать технологические параметры, но и провоцировать ускоренную коррозию оборудования, увеличивая риск аварийных ситуаций.

На сегодняшний день эффективным решением для предотвращения образования отложений является использование химических реагентов – ингибиторов кристаллизации [6‒9], которые снижают скорость образования минеральных фаз, препятствуя зарастанию трубопроводов и агрегатов. По сравнению с традиционным методом умягчения воды с использованием Na-катионовых фильтров, применение ингибиторов, таких как НТФ-Mg, является более гибким и экономически обоснованным подходом, способным обеспечить длительное действие при низких концентрациях (1–5 мг/л) и минимизировать вредное воздействие на окружающую среду.

Настоящее исследование направлено на изучение ингибитора НТФ-Mg для предотвращения солеотложений в условиях эксплуатации ПАО НК «Роснефть». Ожидается, что предложенный реагент продемонстрирует высокую эффективность и позволит заменить менее экономичные методы умягчения воды, что обеспечит снижение эксплуатационных затрат и уменьшение экологического следа. Экспериментальные данные позволят уточнить механизм действия Mg-НТФ и его влияние на кристаллизацию, что может открыть новые перспективы для улучшения водоочистных технологий в промышленности.

Станция подготовки воды, разработанная и внедренная в технологические процессы компанией ООО «Бантер Групп» на месторождении «Х» ПАО НК «Роснефть» для обеспечения воды хозяйственно-питьевого назначения, предназначена для комплексной очистки воды от различных загрязнений.

Станция обеспечивает очистку воды по заявленным показателям до требований СанПиН 1.2.3684-21 «Санитарно-эпидемиологические требования к содержанию территорий городских и сельских поселений, к водным объектам, питьевой воде и питьевому водоснабжению, атмосферному воздуху, почвам, жилым помещениям, эксплуатации производственных, общественных помещений, организации и проведению санитарно-противоэпидемических (профилактических) мероприятий».

Технические характеристики установки подготовки воды хозяйственно-питьевого водоснабжения приведены в табл. 1.

 

Таблица 1. Технические характеристики установки
Table 1. Technical specifications of the installation

Показатель	Ед. изм.	Характеристика
Производительность	м3/ч	3
Номинальная производительность	м3/сут	50
Максимальная производительность	м3/сут	70
Напор на выходе из УППВ, не менее	МПа	0,4
Температура воды на входе в УППВ	°С	+2…+17
Источник воды	Поверхностный
Режим подачи воды на УППВ	Самотечный
Расположение оборудования	На открытой площадке
Режим работы	Непрерывный, круглосуточный, без постоянного присутствия обслуживающего персонала

 

Некоторые характеристики исходной воды представлены в табл. 2.

 

Таблица 2. Состав исходной воды
Table 2. Source water composition

Загрязняющие вещества	Исходная вода, поступающая на УППВ
Водородный показатель, единицы рН	5,6
Общая жесткость, мг-экв/л	11
Сульфаты, мг/л	8
Хлориды, мг/л	300
Гидрокарбонаты, мг/л	250

 

По технологии, разработанной ООО «Бантер Групп», осветленная сточная вода после прохождения через осветлительные фильтры направляется на дальнейшее умягчение с использованием Na-катионового фильтра (рис. 1).

 

Рис. 1. Принципиальная схема очистки сточной воды с ионообменным аппаратом
Fig. 1. Schematic diagram of wastewater treatment with an ion exchange unit

 

Технологический процесс включает в себя следующие этапы:

1. Фаза фильтрации воды ‒ в этот период Na-катионовый фильтр удаляет из воды жесткие соли, что снижает общую жесткость воды и обеспечивает требуемые параметры качества.
2. Взрыхляющая промывка фильтра ‒ этот этап позволяет очистить фильтрующий материал от накопленных отложений, улучшая проходимость фильтра и поддерживая эффективность фильтрации.
3. Введение регенерационного раствора ‒ на данном этапе в фильтр подается раствор соли для восстановления обменной емкости Na-катионита, что позволяет поддерживать оптимальные рабочие характеристики фильтра.
4. Удаление отработанного регенерационного раствора ‒ использованный раствор сливается из фильтра, обеспечивая его готовность к следующему циклу фильтрации.
5. Окончательная промывка фильтра ‒ завершающий этап, на котором фильтр очищается от остатков регенерационного раствора, что подготавливает его к повторной работе.

Технология обеспечивает непрерывное поддержание обменной емкости Na-катионита за счет циклической регенерации, что позволяет поддерживать стабильное качество умягченной воды и предотвратить накопление отложений в системе.

Операция взрыхляющей промывки применяется с целью устранить уплотнение слежавшейся массы ионита и тем самым обеспечить более свободный доступ регенерационного раствора к зернам ионита. При этом осуществляется удаление из фильтра накапливающихся в слое ионита мелких частиц, вносимых недостаточно осветленной умягчаемой водой и раствором реагентов, а также образующихся вследствие постепенного разрушения ионита в процессе эксплуатации фильтра. По окончании операции взрыхления в ионитовый фильтр пропускают регенерационный раствор хлорида натрия в концентрации 120–200 г/л, который проходит сверху вниз сквозь слой ионита. Ионы натрия из раствора обмениваются на ионы магния и кальция, накопленные в смоле, и, таким образом, ее ионообменная способность восстанавливается.

По окончании регенерации катионита осуществляется отмывка катионита от регенерирующего раствора и продуктов регенерации, оставшихся в жидкости, заполняющей поры между зернами катионита. Отмывка производится умягченной водой и заканчивается, когда концентрация хлоридов превышает содержание их в умягчаемой воде не более чем на 30–50 мг/л. После окончания отмывки фильтр включается в работу по умягчению воды.

В условиях эксплуатации контроль за работой катионитных фильтров производится путем периодического отбора проб воды до и после умягчения и анализа их на щелочность, общую жесткость и хлориды. Задача контроля заключается в том, чтобы не допустить ухудшения качества умягченной воды против заданных норм и предотвратить проскок катионов Са²⁺ и Mg²⁺ путем своевременного вывода фильтра на регенерацию.

Согласно санитарным нормам (СанПиН 1.2.3684-21), очищенные сточные воды могут использоваться для различных нужд, включая эксплуатацию производственных и общественных объектов, а также проведение санитарных и противоэпидемических мероприятий. Однако в условиях, указанных в табл. 3, качество этой воды может способствовать образованию минеральных отложений в трубопроводах. Как альтернативный метод предотвращения образования отложений предлагается применять реагентную обработку воды с использованием ингибитора солеотложений НТФ-Mg.

 

Таблица 3. Влияние реагента НТФ-Mg на количество образующихся отложений
Table 3. The influence of the reagent NTf-Mg on the amount of deposits formed

Реагент	Концентрация, мг/л	Количество отложений, мг
Контроль	-	8,7 ±0,2
НТФ-Mg	0,5	1,4±0,12
	0,75	0,8±0,05
	1,0	0,5±0,03
	1,25	0,1±0,03
	1,5	0,1±0,03
	1,75	0,1±0,02

 

В лабораторных условиях был приготовлен модельный раствор, имитирующий состав, приведённый в табл. 2. Исследования стабилизационной обработки воды проводились в динамических условиях при температуре 70 °C (табл. 3) на установке (рис. 2), предназначенной для определения образовавшихся отложений [10]. Количество отложений было определено путем растворения на внутренней поверхности теплообменника отложений, образовавшихся в результате эксперимента, с использованием 0,1н раствора соляной кислоты, и подсчета количества образовавшегося карбоната кальция с применением стандартного комплексонометрического метода. Время экспозиции для каждого эксперимента составляло 60 мин. Для оценки величины погрешности использовали методы математической статистики (число выполненных определений – три).

 

Рис. 2. Принципиальная схема лабораторной установки
Fig. 2. Schematic diagram of the laboratory setup

 

Из данных, представленных в табл. 3, видно, что использование реагента НТФ-Mg позволяет снизить интенсивность образования отложений в 6–80 раз при концентрации реагента 0,5–1,75 мг/л. Стоит отметить, что при концентрации 1,25 мг/л количество отложений идентично тому, что наблюдалось при концентрации 1,75 мг/л. Это позволяет предположить, что в данном диапазоне концентраций механизм образования отложений не зависит от концентрации ингибитора. Принципиальная схема очистки сточной воды с применением ингибитора солеотложений представлен на рис. 3.

 

Рис. 3. Принципиальная схема очистки сточной воды с применением ингибитора солеотложений
Fig. 3. Schematic diagram of wastewater treatment using a scale deposition inhibitor

 

Технология применения ингибиторов солеотложений представляет собой эффективное решение для сокращения капитальных и эксплуатационных затрат на очистку сточных вод (см. рис. 3). Традиционные методы, основанные на регенерации ионообменных смол, требуют значительных объемов химических реагентов, таких как соль (NaCl), щелочи и кислоты. Это не только увеличивает затраты на материалы, но и создает необходимость в хранении и транспортировке этих реагентов, что может быть особенно неудобно и экономически обременительно для небольших объектов.

Кроме того, использование соли в процессе регенерации может иметь негативные последствия для окружающей среды. Неконтролируемое попадание хлористого натрия в почву или водоемы может привести к загрязнению и нарушению экосистем. Также следует учитывать, что регенерация смолы приводит к образованию концентрированного раствора солей кальция и магния, который требует утилизации или дополнительной обработки. Это создает дополнительную нагрузку на систему водоотведения и может потребовать дополнительных затрат на утилизацию сточных вод.

Вывод. Внедрение ингибиторов солеотложений позволяет минимизировать указанные проблемы, обеспечивая более устойчивое и экологически чистое решение для управления отложениями в оборудовании. Использование таких технологий не только способствует снижению эксплуатационных расходов, но и улучшает общую эффективность очистки сточных вод, что является важным шагом к достижению более устойчивого и безопасного водного управления.

About the authors

Boris N. Driker

Ural State Forestry University

Author for correspondence.
Email: Bndriker70191@mail.ru

Doctor of Technical Sciences, Professor, Professor of the Physical and Chemical Technology of Biosphere Protection Chair

Russian Federation, 620100, Yekaterinburg, Sibirsky tr., 37

Afanasy An. Protazanov

Ural State Forestry University; Banter Group LLC

Email: Protazanov.a@yandex.ru

PhD of Technical Sciences, Senior Lecturer of the Physical and Chemical Technology of Biosphere Protection Chair, Project Manager

Russian Federation, 620100, Yekaterinburg, Sibirsky trakt, 37; 620027, Yekaterinburg, Krasny Lane, 5

Danila Al. Sitnikov

Banter Group LLC

Email: Sitnikov.D@bunter.ru

Project Manager

Russian Federation, 620027, Yekaterinburg, Krasny lane, 5

References

Supplementary files