Рассмотрены особенности контроля наличия углеводородных примесей в оборотной воде. Отмечено, что существует множество методов, доступных для анализа качества оборотной воды, однако не всегда выбранный метод подходит для требуемого применения. Описаны наиболее используемые методы измерения: ультрафиолетовый, ближнего инфракрасного поглощения, флуоресцентный, пламенно-ионизационный.

Ключевые слова: оборотная вода, пластовая вода, флуоресценция, ультрафиолетовое поглощение, ближнее инфракрасное поглощение, пламенно-ионизационный метод.


А.А. Кигель, Д.А. Чернокозинский (Компания «Модкон Системс»)

 

Предисловие

Зачастую под оборотной водой подразумевают некондиционную воду которая применяется в обрабатывающей промышленности. Требования, предъявляемые к оборотной воде, напрямую зависят от специфики сектора промышленности, в которой она применяется. Для каждой отрасли промышленности, где применяется оборотная вода, должна находится специальная система водоснабжения с учетом потребности и специфики данного производства. Большая часть воды используется на промышленных предприятиях для охлаждения продукции в теплообменных аппаратах и для защиты оборудования от чрезмерного нагрева. Обычно вода такого использования мало загрязнена охлаждающей продукцией. Так же вода применяется для очищения продукции или сырья от различных примесей и такое применение определено как пластовая водой которая характеризуется более высокой мерой загрязнения из-за контакта с различными загрязняющими веществами.

Измерение качества оборотной воды является важной процедурой, которая используется не только для контроля технологических процессов, но так же и для отчетности контролирующих органов. Существует большое количество методов используемых для измерения концентрации углеводородного состава, например: ультрафиолетовое (UV) или ближнее инфракрасное (NIR) поглощения, магнитный резонанс[1] (ЯМР), гравиметрический анализ, газовая хроматография (GC), плазменно-ионизационный (FID) и флуоресцентный методы. Выбор метода подходящего для измерения является важным фактором к успеху решения поставленной задачи и зависит не только от концентрации углеводородного состава в измеряемом потоке оборотной воды, но так же и его физического и химическое состояние.

Разгрузка или слив отработанной оборотной воды так же как повторный пуск в оборот, как правило, регулируется. Анализ оборотной воды дает возможность не только определить качество сливаемой в дренаж воды, но и зафиксировать момент, при котором происходит утечка углеводородного состава из самого технологического процесса в оборотную воду, в результате расстройства системы или поломки.

Условия для анализа

Несмотря на важность анализа углеводородного состава в оборотной воде, многим не до конца понятно, что собой представляет углеводородный состав требуемый к измерению, или какой метод измерения или анализ следует применить в том или ином случае для успешного решения поставляемой задачи. Для начала необходимо понять и проанализировать специфику измеряемого потока. Необходимо понять не только такие составлявшие как концентрация или диапазон измерения, но так же и состояние углеводородного состава: растворенное или в виде эмульсии, наличие взвешенных частиц и в каком количестве, и естественным образом физическое состояние углеводородного состава: жидкое или газообразное.

Другие вопросы которые следует определить при выборе системы и метода измерения это отбор измеряемой пробы и дальнейшую возможность калибровки и поверки системы анализа. Отбор измеряемой к анализу пробы должен осуществляться, беря во внимание всю специфику данной процедуры, то есть при таких условиях, при которых отбираемый к анализу образец не изменял бы своих свойств или составляющих. Наиболее подходящим решением для данных ограничений является измерение потока в прямом режиме времени при помощи проточной ячейки, что дает возможность не только произвести быстрое измерение, но так же и вернуть измеряемый образец обратно в процесс. Так же, для удобного обслуживания, калибровки или поверки, систему следует устанавливать на байпасную линию для последующего отсоединения от измеряемого процесса в случае надобности проведения вышеуказанных процедур.

Состав нефтепродуктов в оборотной воде обычно определён наличием двух составляющих: углеводородного, то есть молекул которые состоят только из двух атомов (углерода и водорода) в различных вариантах соединений, а так же и гетероатомных соединений, которые помимо углеводородного составляющего включают атомы серы, кислорода или азота[2]. Растворимость углеводородного состава находится в обратной зависимости к длине молекулы. Чем длиннее молекула, тем слабее она растворяется в воде однако у разветвлённых молекул растворимость на фактор выше чем у прямых[3]. Такие молекулы как пропан или бутан при нормальных условиях существуют в газообразной фазе, то есть требуют не только специального извлечения из процесса, но так же и анализ должен соответствовать данным физическим условиям.

Растворимость при 25 °C (мг/кг) Состав
100 н-Пропан
60 н-Бутан
47.6 н-Пентан
12.4 н -Гексан
3.37 н -Гептан
1 н -Октан
0 н -Декан
1755 Бензол
573 Толуол

 

Таблица 1: Растворимость углеводородов при 25 °C

Применение ультрафиолетового (UV) метода измерения

Физическая основа ультрафиолетового метода измерения состоит в исследовании процессов взаимодействия электромагнитного излучения с веществом. Среди этих процессов можно выделить возбуждения молекул и атомов (ионов) светом в видимой ультрафиолетовой области. Вследствие такого перехода наблюдается поглощение, а затем и последующее выделение энергии[4]. Метод ультрафиолетового поглощения широко используются при исследовании органических соединений, для анализа и контроля качества нефтепродуктов. Результатом успешного использования этой технологии в области анализа нефтепродуктов и послужило использование этой же технологии в проверке качества оборотной воды.

Анализатор MOD-C-4000 с ультрафиолетовыми датчиками MOD-A45 и MOD-A46 (см. рис.1А) широко применяется для такого рода анализа в нефтеперерабатывающих, биотехнологических и химических отраслях. Они устанавливаются в технологических трубопроводах и обеспечивают точное измерение концентрации с  высокой степенью точности и воспроизводимости.

Модулярная конструкция даёт максимальную гибкость при адаптации датчиков к потребностям различных процессов. В число опций входит взрывоопасное исполнение, фланцы различных диаметров и оптической длины, различные химически устойчивые материалы, а также применение при высокой температуре и давлении.

Специальная ртутная лампа генерирует постоянный пучок света, который проходит через технологическую среду. Ослабление интенсивности света, вызванное поглощением и/или рассеянием растворёнными и нерастворёнными веществами, детектируется герметичными кремниевыми фотодиодами. Интенсивность света самой лампы измеряется герметично закрытыми кремниевыми фотодиодами с использованием того же фильтра, который используется для измерения длины волны. Кремниевые фотодиоды также компенсируют любое отклонение интенсивности света лампы. Это обеспечивает высочайший уровень точности и длительный срок работы. Особая конструкция лампы и возможности конвертеров модели MOD, работающих с самыми низкими фототоками, обеспечивает длительный срок службы при самых минимальных затратах.

Для анализа растворенных углеводородов в чистой оборотной воде (при отсутствии взвешенных частиц) используются УФ датчики моделей MOD-A45 и MOD-A46. Различие между датчиками заключается в том, что МОD-A46 позволяет производить фоновую компенсацию дополнительным измерительным каналом.

Оптические окошки сделаны из единого кристалла сапфира, что придаёт устойчивость ко всем абразивным и агрессивным средам. Благодаря правильному выбору корпуса датчика и оптических линз с различным фокусом можно получить оптимальную величину OPL (оптическая длина пути). Это позволяет достичь соответствия требований к измерениям, т.е. получить оптимальный диапазон измерений.

Применение  ближнего инфракрасного (NIR) метода измерения

Метод колебательной спектроскопии (инфракрасная спектроскопия — ИКС), основан на поглощения электромагнитного излучения веществ в ИК диапазоне. Для ИК спектроскопии существуют два метода изменения: трансмиссия и отражение[4].

В процессах, где технологический поток может содержать нерастворенные масла (углеводороды) или твердые частицы, для обнаружения полного содержания частиц используется датчик рассеянного света МОD T16-N или МОD A16-N (см. рисунок 1B и схему 1B и 1C). Цвет или изменения цвета в потоке не влияет на измерения, т.к. измерение осуществляется в ближней ИК-области.

Свет, рассеиваемый частицами (взвешенные твёрдые частицы, эмульсия или пузырьки воздуха), измеряется восемью герметично закрытыми кремниевыми фотодиодами под углом 11°. Одновременно нерассеянный свет детектируется эталонным фотодиодом аналогичным датчику MOD-A16-N. Датчик можно настроить на измерение в единицах ppm (DE), EBC или FTU.

Как правило, датчик MOD-Т16-N используется в измерениях низкой и средней концентрации углеводородов при низкой мутности (до 750 ppm) тогда как датчик MOD-А16-N используется для средней и высокой концентрации углеводородов при высокой мутности (750 ppm и выше). Все датчики и контролеры серии MOD-C-4000 адаптированы для работы во взрывоопасных условиях и так же для работы при высоких температуре.

Применение флуоресцентного метода измерения

Анализатор MOD-1100-FL с флуоресцентным датчиком обычно применяется в процессах, где требуется измерить углеводородный состав пластовой, сильно загрязненной сточной или оборотной воды. Например, такой метод измерения является типичным для мониторинга пластовых вод на выходе сепараторов воды и нефти. В этих или похожих аппликациях следы нефти допустимы, но в соответствии с требованиями к контролю над насосами и сигнализациям выбросов должен быть проведен мониторинг скопления нефти на поверхности воды. Применение флуоресцентной технологии исключает помехи других параметров воды, таких как турбулентность, мутность или суспензии твердых частиц которые мешают для проведения качественного анализа другими методами.

Принцип измерения MOD-1100-FL отличается от аналогов доступных на рынке тем, что не использует  стеклянные трубки, через которую протекает поток. Система анализа углеводородов в потоке воды, спроектирована с расчётом измерения потока в свободном падении через измерительную  ячейку фазы (как показано на Схеме 2). Вода не контактирует с линзами процесса, система внутренней обдувки создаёт воздушную подушку над оптическими линзами и препятствует выпадению конденсата и оседанию частиц грязи на оптические линзы.

Применение плазменно-ионизационного (FID) метода измерения

Анализ газовой фазы углеводородного состава в оборотной воде производится анализатором MOD-1100-FID оснащённым плазменно-ионизационным датчиком. Зачастую плазменно-ионизационный метод измерения применяется при утечках сжиженного газа в оборотную воду и используется для определения аварийного состояния системы. Обычно в аппликациях такого рода требуется измерять наличие таких газов как пропан или бутан, то есть, то составляющее которое тяжело или не возможно достоверно измерить перечисленными выше методами.

В начале анализа газовая фаза углеводородного состава отделяется от жидкой фазы и при помощи газа носителя (водорода) поступает в печь. В печи постоянно поддерживается высокая температура пламени, которая контролируется подачей кислорода. Пламя ионизует газ, который находится между двумя электродами и тем самым образует ионизированные частицы, которые уменьшают сопротивление электрод и тем самым усиливают ток. Сам ток измеряется чувствительным амперметром, и результат измерения переводится в количественную величину, которая обозначает концентрацию углеводородного состава в измеряемой жидкости.

Заключение

Использование поточных датчиков для анализа в прямом режиме действия, дает возможность не только обнаружить и своевременно устранить утечки технологического процесса, но так же и определить качество воды для слива или повторного использования. Правильная постановка задачи и выявление всех составляющих технологического процесса поможет правильно выбрать метод подходящий для надлежащего анализа качества. Все приведенные выше методы анализа не требуют трудоемкого технического обслуживания, и плановый сервис таких систем ограничивается заменой фильтров и источников света. Аналитические системы контроля качества могут быть использованы как для контроля качества оборотной воды, так и для анализа самого технологического процесса[5]. Они просты в эксплуатации и обеспечивают быструю окупаемость капиталовложений. Поточный анализ качества приводит к снижению потребления воды и простою теплообменников, позволяет увеличить не только межремонтный цикл оборудования, но так же и сократить расход энергии. Гарантия чистоты оборотной воды позволяет использовать ее повторно для питания котлов или в других процессах. Использование такого рода ресурса является выгодным применением, используемым для оптимизации производства.

[1] А. Кигель и И.И. Зильберман, ”Контроль качества сырья и нефтепродуктов в режиме реального времени с использованием корреляционных методов измерения БИК и ЯМР”, Автоматизация в промышленности, июнь 2013.

[2] M. Yang, “Measurement of oil in produced water”, Produced Water. Environmental risks and advances in mitigation, Springer, chapter 2, p 57-88, 2011.

[3] J. Polak and Benjamin C.Y Lu, ”Mutual solubility’s hydrocarbons and water”, Canadian Journal of Chemistry Vol. 51, 1973

[4] Е.А. Пауштис, » Оптическая спектроскопия в адсорбции и катализе. Применение ИК спектроскопии», Институт катализа им. Г.К. Борескова, 2010

[5] Ф.Г. Сорокин, ”Использование фотометрической технологии в процесса поточного анализа качества нефтепродуктов”, Автоматизация в промышленности, октябрь 2013.

 

Документы

iconDocument_PDF_24

КОНТРОЛЬ СОДЕРЖАНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ

See More