Инновационное перемешивающее устройство

Инновационное перемешивающее устройство для резервуаров способно решить проблему образования нефтешламов – отходов нефтяной промышленности, загрязняющих окружающую среду.

Справка: Тузовская Екатерина Владимировна, Генеральный директор ООО «ЕВНАТ»

Введение

Когда-то нефть спасла от истребления китов. Но в наши дни отходы нефтяной промышленности представляют серьезную угрозу для окружающей среды. Решить экологическую проблему помогут цифровые технологии и созданное на их основе инновационное оборудование.

В ХIХ веке в моря выходили целые флотилии китобойных судов. Их целью был жир морских гигантов, который использовали для освещения жилищ. Варварское истребление китов продолжалось до середины столетия. Но в 1853 году австрийские аптекари Игнатий Лукасевич и Ян Зех придумали заправлять масляные лампы керосином. Еще через несколько лет началось массовое производство керосиновых ламп. Китобойный промысел пошел на спад, а добыча нефти стала расти. Наступила нефтяная эра, которая продолжается и по сей день. И если будущее нефти как основного энергоносителя находится под вопросом, то в качестве сырья для производства самых разных изделий альтернативы ей нет и не предвидится.

Россия находится в выгодном положении — “черного золота” у страны много. Мы на 7 месте в мире по запасам нефти (по данным ОПЕК), что составляет 80 000 млн баррелей, или 5,16 % от общемировых запасов. По добыче нефти Россия и вовсе на втором месте в мире. Но есть и другая сторона медали — активная добыча и переработка нефти создают большую нагрузку на экологию.[1]

Основная часть.

Рассмотрим подробнее один из этапов “круговорота нефти в природе” — хранение. И снова совершим небольшой экскурс в историю. Как только американец Эдвин Дрейк в 1859 году пробурил первую нефтяную скважину, возник вопрос – каким образом хранить добытую в большом количестве нефть? [2]

Пробовали разливать по бочкам. До сих пор единицей измерения объема нефти служит баррель, что в переводе с английского означает “бочка”. Но бочковой тары не хватало. В конце концов, ценное сырье стали держать в обычных ямах, напоминающих озера. О вреде для экологии при этом не задумывались. В ту эпоху никто и представить не мог, до какой степени человеческая деятельность изменит нашу планету всего лишь за сто с небольшим лет.

Открытый способ хранения нефти был дешев и прост, однако при этом весьма неудобен и опасен. В 1878 году русский инженер Владимир Шухов изобретает резервуар вертикальный стальной, сокращенно — РВС. [3] Такие емкости для хранения нефти, нефтепродуктов и других жидкостей в промышленных объемах используются сегодня по всему миру. Их оснащают системами вентиляции и пожаротушения, поддонами, нагревательными элементами и другими устройствами. Но в основе своей это все та же, проверенная временем, шуховская конструкция.

Казалось бы, хранение любых жидкостей в таких резервуарах сводит их контакт с окружающей средой к минимуму. Тем не менее, резервуарные парки служат причиной как экономических потерь, так и экологического ущерба. В чем причина? Чтобы ответить на этот вопрос, давайте представим себе… обычную жестяную банку с краской. Чем не резервуар в миниатюре? Если мы откроем ее, то обнаружим, что содержимое разделилось: густое красящее вещество находится на дне, а более жидкая олифа — сверху. А ведь на заводе банки заполняют однородной субстанцией. Дело в том, что краска, как и все сложные в химическом отношении жидкости, при хранении подвергается расслоению. Та же самая особенность характерна для нефти и продуктов ее переработки. Более тяжелые фракции неизбежно опускаются вниз. Со временем на дне резервуаров накапливается вязкий осадок — нефтешлам.

Разновидностей нефтешламов несколько. Они считаются отходами третьего класса опасности, то есть среднего воздействия на окружающую среду. Резервуарные нефтешламы занимают среди прочих нефтесодержащих отходов особое место. В России около 39 тыс. резервуаров, их общий объем — 109 млн м3.

По данным маркетингового исследования, образование нефтешламов резервуарного хранения только в 2018 году составило 451,2 тыс. тонн (см. табл1). [4, стр. 18] Нетрудно подсчитать, сколько так называемых “отходов” образуется за 10 лет. Почему так называемых? Потому, что на 98% процентов резервуарные нефтешламы состоят из сырья, годного для переработки. [6]

Табл. 1. Расчетные данные по ежегодным объемам образования нефтешламов в России. Источник:[4]

Накапливаясь в резервуарах, нефтешлам сокращает их полезный объем, забивает трубопроводы. С разной периодичностью резервуары выводят из эксплуатации на зачистку. В это время компания-владелец резервуарного парка несет убытки. Во-первых, емкость простаивает, во-вторых, за очистку резервуара нужно платить. По данным того же маркетингового исследования, совокупный объем рынка сервисных услуг по очистке РВС в 2018 году составил 4,1 млрд рублей! [4, стр. 256] И это при том, что очистные работы ведутся, как правило, по старинке — с помощью лопат, скребков и щеток. В-третьих, с извлеченным из емкости нефтешламом тоже необходимо что-то делать.

Как известно, избавиться от отходов можно двумя способами — утилизировать их либо переработать. Самые распространенные способы утилизации нефтешламов в нашей стране — сжигание и захоронение. И тот, и другой способ небезопасны для окружающей среды. Донные отложения содержат в своем составе немало токсичных веществ, отравляющих воздух, почву, вызывающих у людей и животных различные заболевания.

Переработка нефтешламов — более цивилизованный подход к решению вопроса. Однако низкая технологическая оснащенность предприятий нефтепромышленного комплекса и высокая себестоимость нефти и нефтепродуктов в России не позволяют компаниям в полной мере наладить переработку отходов. А отходы между тем накапливаются. Согласно официальным исследованиям, запасы нефтешламов в России превышают 100 млн тонн. [5] Это серьезная экологическая проблема (Рис. 1).

Рис. 1. Предприятия не всегда избавляются от отходов законными и безопасными для экологии способами. Источник: «Утилизация отходов нефтепродуктов и нефтешламов» — vtorothody.ru

В нашей стране идет реализация национального проекта “Экология”. Одна из задач нацпроекта — утилизация и переработка промышленных и бытовых отходов. Как в случае с нефтешламами решить эту задачу? Можно выделить из бюджета несколько миллиардов рублей и построить на них комплексы по переработке нефтесодержащих отходов. Такие объекты, безусловно, нужны. Однако деньги можно сэкономить, если значительно снизить количество и скорость образования осадка. И способ для этого есть: путем перемешивания можно поддерживать содержимое нефтяных резервуаров в однородном состоянии. Тогда донные отложения не успеют образовываться в большом количестве.

Следует отметить, что перемешивающие устройства для резервуаров применяются уже давно, но их эффективность оставляет желать лучшего. Ведь емкость объемом, скажем, в 10 000 м3 — это не банка с краской, ее так просто не перемешаешь. Вот почему во всевозможных нормативных документах потери нефти и нефтепродуктов при хранении до сих пор рассматриваются как неизбежные. При существующих стандартах хранения теряется до 5% добытого сырья! И средства на очистку резервуаров от нефтешлама и его последующую утилизацию учтены в перечне расходов компаний на годы вперед. [6]

Но не нужно забывать, что мы живем в эпоху четвертой промышленной революции. Во все сферы жизни проникают цифровые технологии, которые стремительно меняют наш мир. Неслучайно Президент России Владимир Путин, в своем выступлении на международной онлайн-конференции по искусственному интеллекту Artificial Intelligence Journey, заявил о необходимости цифровой трансформации всех отраслей экономики страны. [7] Цифровые технологии позволят решать задачи, которые раньше считались нерешаемыми, и воплощать в жизнь самые смелые идеи. Наглядным подтверждением тому служит инновационное устройство перемешивающее струйное — УПС-ЕВНАТ (рис. 2).

Рис. 2. Устройство перемешивающее струйное УПС-ЕВНАТ. Источник:[6]

УПС превосходит все известные смесители примерно так же, как реактивный самолет превосходит старинный аэроплан. Принцип его действия заключается в создании управляемых турбулентных потоков жидкости в резервуаре. Проходя через устройство, потоки охватывают и приводят в движение весь объем жидкости любой вязкости в емкости любого объема. Буквально за несколько часов работы УПС содержимое резервуара становится полностью однородным по плотности, температуре и химическому составу. УПС-ЕВНАТ — первое в мире устройство, которое смогло перемешать и сделать однородным разносортный мазут в резервуаре объемом 4000 м3 за 2 часа! [6]

Преимуществом устройства является и то, что оно не имеет движущихся деталей, не нуждается в обслуживании и ремонте. УПС приводится в действие тем же насосом, который служит для заполнения резервуара. Поскольку перемешивание происходит быстро, меньше времени работает насос, меньше расходуется электроэнергии, экономятся время и деньги.

А при чем здесь цифровые технологии? Дело в том, что именно с их помощью компании ЕВНАТ впервые удалось сконструировать действующее перемешивающее устройство струйного типа. В процессе работы по созданию УПС были получены 3 Евразийских и 4 Российских патента на изобретения. [8]

Но роль цифровых технологий на этом не исчерпывается. Каждое устройство уникально и проектируется для конкретного резервуара с учетом его индивидуальных характеристик.

Рис. 3. Цифровые технологии и 3D-моделирование применяются при проектировании каждого устройства перемешивающего струйного. Источник:[6]

Для выполнения расчетов используется самый передовой программный комплекс для вычислительной гидродинамики ANSYS. Этот же комплекс применяется в авиастроении. Создаются цифровые двойники устройства и резервуара, в котором оно будет установлено, воспроизводятся физические свойства рабочей среды. 3D моделирование процесса перемешивания позволяет добиться идеального результата. И только после этого, с учетом необходимых корректировок, УПС-ЕВНАТ воплощается в металле (см. Рис. 3, 4).

В компании ЕВНАТ осуществили интеграцию цифровых технологий в производственный процесс. Раньше выполнить сложнейшие расчеты для каждого конкретного случая не представлялось возможным, сейчас компьютеры поставили такие вычисления на поток (рис. 5).

Первыми новинку по достоинству оценили производители растительных масел. В резервуарах с маслами также накапливался осадок — фуз, и бороться с ним было сложно. Оказалось, что только УПС способно “деликатно” перемешать масло без ущерба для качества. В масложировой отрасли УПС-ЕВНАТ используются в течение четырех лет, установлено уже порядка 50 устройств на предприятиях России и ближнего зарубежья. В резервуарах с растительным маслом после установки УПС осадок исчез полностью. Осадка нет, потерь нет (рис.6). [6]

Рис. 4. Направления тока (течения) жидкостей внутри УПС-ЕВНАТ, воссозданное с помощью программного комплекса ANSYS. Источник:[6]

Выводы:

Осадок, который при хранении образуется в резервуарах с нефтью и нефтепродуктами (нефтешлам) является проблемой как экономического, так и экологического характера.
Решить эту проблему поможет профилактика образования осадка путем установки в резервуарах современного высокотехнологичного перемешивающего устройства УПС-ЕВНАТ.
Применение УПС-ЕВНАТ в нефтяных резервуарах позволит сократить объем нефтешлама на 70%. Устройство может выполнить и много других задач. Например, качественно подготовить сырье к переработке, ускорить процесс производства светлых нефтепродуктов. В 2020 году УПС прошло успешные испытания на одном из заводов структуры “Роснефть”.

Рис. 5. Карта размыва осадка. Источник:[6]

Рис.6. 3D-моделирование показывает: потоки охватывают все внутреннее пространство резервуара, не перемешанных мест внутри него нет. Источник:[6]

Инновационное оборудование способно сохранить ценный продукт и деньги компаний. А сокращая количество нефтесодержащих отходов, УПС-ЕВНАТ поможет сохранить и природу.