close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

9219.Усовершенствование управления системой водяного охлаждения

код для вставкиСкачать
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УПРАВЛЕНИЯ
СИСТЕМОЙ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
G. Laxton, R. Hernandez-Mena, Baker Hughes Inc., Шуга Лэнд, Техас
Предложена новая программа эффективного контроля роста биопленки наряду со снижением
интенсивности коррозии в системах водяного охлаждения
Процессы нефтехимической промышленности
(Hydrocarbon processing industry – HPI) требуют регулирования температуры с целью поддержания химических
реакций, необходимых для получения продуктов в широком диапазоне, и обеспечения гарантии безопасности
процессов. Оборудование, применяемое для нефтехимических процессов, должно быть рассчитано на процессы
водяного охлаждения, чтобы достигнуть поставленных
целей. В настоящее время появились новые разработки
более эффективных биоцидов, способных предотвратить
образование биопленки в системах водяного охлаждения. В данной статье рассмотрено несколько случаев,
показывающих как может быть достигнут эффективный контроль биопленки в условиях нефтехимических и нефтеперерабатывающих процессов наряду со
снижением интенсивности коррозии внутри систем
охлаждения воды.
Теплопроводность, Вт/м/°K
КОНТРОЛЬ ШЛАМА
Более 65 лет в качестве дезинфицирующего средства
эффективно используют двуокись хлора как биоцид для
бытовых целей. Его также широко применяют в нефтехимических производствах как альтернативу общепринятым оксидантам вследствие меньших затрат и проблем
безопасности. Однако на протяжении последних десяти
лет двуокись хлора успешно применяют для очистки
любых сложных микробиологических загрязнений или
для поддержания регулирования нерециркуляционных
и рециркуляционных охлаждающих систем.
Углеродистая Нержавеющая Титан
сталь
сталь
Накипь
CaCO3
Окись
железа
Биопленка
Рис. 1. Теплопроводность конструкционных материалов
теплообменника, биопленки и накипи
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№6 • июнь 2010
На основе проведенных исследований сформировалось несколько точек зрения, почему этот биоцид
так эффективен против образования поверхностной
биопленки и почему ее уникальная характеристика
делает его «соответствующим поставленной цели» (fitfor-purpose) в нефтехимической производстве. Одна
из таких точек зрения заключается в более низкой
реакционной способности по отношению к углеводородам в сравнении с другими оксидантами. Когда
в углеводородном процессе имеют место утечки, то
применение большинства оксидантов приводит к огромным затратам вследствие возрастающей потребности в
углеводородах и внезапного роста микробиологических
загрязнений в системе водяного охлаждения. Двуокись
хлора реагирует (почти избирательно) с микроорганизмами, при этом, не реагируя на углеводороды. Кроме
того, применение двуокиси хлора в системах водяного
охлаждения способствует фактическому снижению
скорости коррозии в них.
ДВУОКИСЬ ХЛОРА –
«СООТВЕТСТВУЮЩИЙ ЦЕЛЯМ» БИОЦИД
Двуокись хлора является микробиоцидом в широком спектре, который эффективен при pH в широком
диапазоне. В то время, как хлор и гипохлорит натрия
(отбеливатель) становятся менее эффективными при
обычных колебаниях pH в большинстве систем водяного
охлаждения, двуокись хлора остается потенциальным
биоцидом. В отличие от других оксидантов при этих
условиях двуокись хлора химически менее активна с
углеводородами и не образует хлораминов в присутствии смесей аммиака-азота. Это делает их частично
«соответствующими целям» биоцида для нефтехимического производства. Особенно важно это свойство
для слабой химической активности двуокиси хлора
при утечках в системе, когда резко возрастает концентрация углеводородов в охлаждающей воде. Двуокись
хлора является также менее химически активной
с большинством химических веществ (ингибиторы
коррозии и накипи), применяемых в градирнях.
МЕХАНИЗМ ВОЗДЕЙСТВИЯ НА БИОПЛЕНКУ
Исследования показывают, что более чем 80 % проблем, возникающих в системах охлаждения воды, возникают вследствие прямых или косвенных проблем
микробиологического контроля, особенно это касается
биопленки. Коррозия, накипь и различные загрязнения
в первую очередь возникают из-за присутствия биопленки. Следовательно, для нормального функциони67
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
рования системы охлаждения воды необходимо удалить
биопленку внутри системы.
В системе охлаждения воды существует две основных классификации микроорганизмов: планктоны и
неподвижные микроорганизмы. Планктоны свободно
флотируют в циркуляционной воде, в то время, как
неподвижные микроорганизмы прилипают к поверхности системы. Неподвижные бактерии – одни из
тех микроорганизмов, которые являются причиной
основных проблем в системе охлаждения, таких как
потеря теплопередачи, коррозия, ускоренный рост
загрязнений и накипи [1]. На рис. 1 показан потенциал
биопленки по отношению к другим материалам.
К сожалению, исследования бактерий планктона не всегда обеспечивают правильные показания о
количестве биопленки, присутствующей в системе
охлаждения воды. Для низкого содержания планктонов в охлаждающей воде добавляют в нее определенное количество галогенов, в то время как в системе
допускается значительное количество неподвижных
бактерий, которые быстро размножаются. На рис. 2
показан стремительный рост микробиологической
биопленки.
В системе охлаждения воды биопленка развивается
путем образования органического монослоя, при этом
микроорганизмы прилипают к поверхности системы.
Микроорганизмы планктонов попадают на поверхность
системы из воды и начинается их сцепление. Процесс
сцепления на этой стадии достаточно слабый и сопровождается, в некоторой степени, обратимой адгезией.
Однако некоторые микробы остаются на поверхности
и начинают развиваться, создавая оболочку экзополисахаридов. Эта липкая субстанция захватывает в
свою структуру питательные вещества и остатки органических веществ.
Продолжающийся рост популяции микроорганизмов приводит к «колонизации» поверхности системы
и дальнейшему развитию биопленки. Биопленка продолжает расти до тех пор, пока сдвигающие силы и
физиологические изменения не ограничат ее размеры
[2]. Однако низкая скорость потока может привести
к закупориванию системы, например, в теплообменниках иногда наблюдаются значительные засорения.
Конечными этапами образования пленки являются.
• Потеря передачи тепла. Биопленка является наиболее высокоизолирующим материалом в системе
охлаждения воды.
ClO2 – механизм разрушения пленки
Поверхность
отрицательного
заряда
Пенетрация Отталкивание
Отталкивание
ClO2
HOCl–
HOBrl–
• Коррозия. Создаются условия при различной концентрации кислорода на металлических участках.
• Ограниченная способность ингибиторов коррозии
на контактной и, следовательно, пассивированной поверхности металла. Слой биопленки микроорганизмов
толщиной только от 10 до 12 (небольшой, чтобы видеть
невооруженным глазом) могут создавать анаэробные
условия, которые способствуют росту многих бактериальных популяций, таких как кислотообразующие
бактерии или сульфатоснижающие бактерии (sulfatereducing bacteria – SRB). Эти бактерии способствуют
развитию основной и точечной коррозии путем образования сероводорода или осадков сернистого железа.
• Интенсивное образование накипи в нерециркулируемых системах охлаждения. Отрицательный
заряд поверхности биопленки притягивает образующие накипь ионы (Ca2+, Mg2+ и т.д.), что приводит
к определенной концентрации, которая превышает
пределы растворимости этих веществ. Такое состояние в системе может инициировать накипь в случае
присутствия биопленки.
• Более высокая скорость загрязнения системы.
Липкий слой полисахаридов, образованный биопленкой,
действует как клей для загрязняющих веществ, таких
как шлам, илистый осадок и продукты коррозии.
МОДЕЛЬ УПРАВЛЕНИЯ БИОПЛЕНКОЙ
ДВУОКИСИ ХЛОРА
В системах охлаждения воды традиционно применяют для регулирования микробного роста хлор (гипохлорит натрия). Однако существует много примеров, когда
даже в системах с консистентными остатками хлора
биопленка все же присутствует и, безусловно, при этом
Рис. 2. Рост образования биопленки в течение времени
ClO2 – механизм разрушения пленки
ClO2 реагирует
с бактериями
Возврат к ClO2–
ClO2 – механизм разрушения пленки
Воздействие микробов Образование Уничтожение
под биопленкой
кислоты ClO2 биопленки
с получением кислоты
Биопленка
Поверхность
Поверхность
Микробы
Поверхность
Рис. 3. Механизм с применением двуокиси хлора (ClO2) для уничтожения биопленки
68
№6 июнь • 2010
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
Рис. 5. Состояние насадки градирни
a – обильный микробиологический рост биопленки; b – очищенная
структурная насадка градирни за два месяца обработки двуокиси
хлора
Рис. 4. Конструкция современного простого, компактного
генератора для двуокиси хлора, гарантирующего надежность и безопасность генерации ClO2
специалисты сталкиваются с ранее перечисленными
проблемами. В процессе интенсивной работы во время
эксплуатации выяснилось, что двуокись хлора показала
способность тщательно удалять биопленку, обеспечивая
ее рекристаллизацию и таким образом значительно
улучшая рабочую характеристику системы.
Исследования и опыт эксплуатации показали эффективность воздействия двуокиси хлора на биопленку, что
лучше объяснить иллюстрацией механизма разрушения
пленки (рис. 3).
Давно известно, что биопленка имеет отрицательный заряд на поверхности системы [3, 4]. Таким образом, гипохлористая кислота и гипобромистая кислота (образуются, когда хлор, гипохлорит натрия или
бром растворяются в воде), обладая отрицательными
ионами, отталкиваются. Это приводит к более высокой дозировке, требуемой для пенетрации биопленки.
Двуокись хлора является молекулой с нейтральным
зарядом, который не отталкивается; таким образом,
обеспечивается лучшая пенетрация при более низкой
дозировке (см. рис. 3а).
В процессе реакции с биомассой большое количество
двуокиси хлора (от 50 до 70 %) возвращается обратно к
Рис. 6. Состояние системы водяного охлаждения аммиачной установки:
а – обильный микробиологический рост;
b – очищенная система водяного охлаждения с последующий обработкой двуокисью хлора
ионам хлорита (ClO2–), как показано на рис. 3, b. Ионы
хлорита способны подвергаться повторному преобразованию через реакцию кислота/хлорит:
5NaClO2 + 4HCl Э 4ClO2 + 5NaCl + H2O
Двуокись хлора, образованная внутри биомассы,
быстро «убивает» ее и разрушает защитный слой полисахаридов (см. рис. 3, c). Путем удаления биопленки
из системы проблемы большинства систем охлаждения
воды исключаются.
СОВРЕМЕННЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ ДВУОКИСИ ХЛОРА
Широкое распространение применения биоцидов
двуокиси хлора затруднено из-за недостаточной надежности и нереальной стоимости очистки. Эффективное
применение двуокиси хлора требует его производства на месте. Устаревшие системы
генераторов из-за их конструкции
«досаждают» утечками, неполными реакциями, сниженной эффективностью производства двуокиси
хлора и высокими требованиями к
техническому обслуживанию.
Современные генераторы работают с системой вакуумного эдуктора,
выдерживающего промышленную
среду. Характеристика конструкции
может гарантировать надежность
производства двуокиси хлора.
• Вода, проводимая через эдуктор, создает вакуум, который приРис. 7. Состояние системы охлаждения морской водой:
тягивает предшествующий продукт
а) – значительный микробиологический рост в однопроходной системе охлаждения в генератор.
морской водой;
• Поскольку насос не требуетв) – очистка системы охлаждения с применением двуокиси хлора;
с) – контрольная маркировка улучшения и регулирования роста водорослей в системе ся, основные повреждения и значительные утечки исключаются, что
охлаждения
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№6 • июнь 2010
69
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
70
Начало обработки ClO2
Циклы концентрации
Градирня завода M.E.
Суммарное железо
CoC Ca
Железо, млн-1
снизит требования к техническому обслуживанию
и стоимости системы.
• Если вода не поступает в эдуктор, вакуум в системе не создается. Следовательно, химические вещества
не поступают, и реакция останавливается.
Улучшенная эффективность производства двуокиси хлора получена за счет применения механизма
управления с обратной связью, который включает
мониторинг в режиме реального времени химического потока, остаточной двуокиси хлора, pH и/или
концентрации отбеливающего средства. Когда это
сочетается с дополнительной возможностью беспроводной коммуникации, то новое производство окажется безопасным и надежным. На рис. 4 показана
система получения двуокиси хлора.
Затраты на программу получения двуокиси хлора
компенсируются дополнительными преимуществами, которые заключаются в обеспечении постоянно
чистой поверхности системы. Опыт эксплуатации
показал, что суммарное время работы системы обычно составляет один-два часа, дважды в день. В зависимости от системы (открытой рециркуляционной
или нерециркуляционной) и уровня загрязнения
дозировка может варьироваться от 0,2 до 1 млн–1 в
течение всего применения. Только очень загрязненные рециркуляционные системы требуют дозировки
приблизительно 2 млн–1.
Пример 1. Большой завод на юге США. Этот завод
имел градирню с рециркуляционной водой производительностью 45 000 галл/мин (1 галл = 3,78 дм3). Были
обнаружены утечки, но завод не имел возможности остановить процесс и отремонтировать текущий
теплообменник. Система очищалась достаточным
количеством газообразного хлора (Cl2)чтобы получить свободный пригодный хлор (free available
chlorine – FAC) в размере 0,5 млн–1. Кроме того,
два биоцида и биодисперсант подавали в систему с
целью регулирования микробиологического роста.
Микробиологический рост пленки был достаточно
обильным (рис. 5a). Завод планировал остановить
работу градирни, чтобы заменить насадку вследствие
потерь теплопередачи.
В качестве эксперимента в градирне применили двуокись хлора, воздействуя на пленку в течение 30 минут
три раза в день с целью достижения оставшихся наслоений 0,5 млн–1. На протяжении двухмесячного
периода обработки поверхности она была полностью
очищена (рис. 5, b), таким образом, исключили необходимость замены насадки. Экономия затрат при
этом составила 850 тыс. долл. и свыше 1 млн долл/год
за восстановление теплопередачи.
Пример 2. Аммиачная установка на юге США.
Большая аммиачная установка с отремонтированной градирней была исследована с применением
газообразного хлора, чтобы поддержать свободные
остатки. Это было связано с увеличенным микробиологическим ростом в новой заполненной среде.
Установили программу применения двуокиси хлора с
целью решения рассмотренных проблем. Незадолго
до этого времени обнаружили утечки аммиака, которые в дальнейшем увеличили микробиологический
рост.
Дата
Рис. 8. Понижение уровня железа в системе и циклы концентрации (cycles of concentration – CoC), указывающие на
снижение скорости коррозии
Двуокись хлора подавали в размере 0,8 млн–1 три
часа в день. Система работала 15 мес до того, как заказчик остановил градирню для ремонта. Система
водяного охлаждения оказалась чище, чем на начальном этапе ее работы (рис. 6a и 6b).
Пример 3. Система охлаждения морской водой
на Среднем Востоке. В очень большой центральной
однопроходной системе водяного охлаждения использовали морскую воду, чтобы обеспечить охлажденной водой большие промышленные комплексы
Саудовской Аравии. В этой системе применяли электролитическую генерацию гипохлорита натрия, полученного в определенной дозе из морской воды, для
микробиологического регулирования. Вследствие интенсивного характера открытых распределительных
систем не было возможности подавать допустимое
количество гипохлорита натрия, чтобы исключить в
летний период рост водорослей на внутренней стороне каналов. Была установлена система генерации
двуокиси хлора на площади с регулированием небольшого количества водорослей. Продукт нагнетали в
количестве 0,25–0,5 млн–1 два часа в день. Наличие
водорослей тщательно контролировали (рис. 7).
Пример 4. Градирня завода на Среднем Востоке.
На этом заводе система водяного охлаждения имеет
градирню с открытой рециркуляцией. Источником
подпитки водой является городская вторичная канализационная вода с высоким органическим и аммиачным содержанием. Эта система исторически имела
достаточно тяжелые загрязнения и очень высокую
скорость коррозии. В прошлом в разное время специалисты завода использовали все возможные виды
микробиологического регулирования (хлор, бром,
неокисляющие биоциды, комбинацию окисляющих и
неокисляющих биоцидов). Большинство современных
программ очистки состояло из непрерывной подачи
брома двух неокисляющих биоцидов и биодисперсанта.
Была применена двуокись хлора, приблизительно
три часа в сутки при дозировке 1,2 млн–1 (примерно
0,5 млн–1 остатков). Снижение неподвижных и анаэробных бактерий планктона было зарегистрировано
примерно на 99,9 % (рис. 8). В настоящее время теплообменники и трубы, относящиеся к ним, свободны от
№6 июнь • 2010
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
Copyright ОАО «ЦКБ «БИБКОМ» & ООО «Aгентство Kнига-Cервис»
HYDROCARBON PROCESSING: ОБОРУДОВАНИЕ
пленки. Уровень железа в системе водяного охлаждения значительно ниже допустимых пределов.
ВЫБОР НОВОЙ СИСТЕМЫ ОЧИСТКИ
Двуокись хлора имеет широкий спектр микробиоцидов, которые достаточно эффективны для получения
широкого диапазона pH. В отличие от других оксидантов
двуокись хлора менее химически активна по отношению к углеводородам и не образует хлораминов, когда в
системе присутствует аммиакоазотная смесь. Двуокись
хлора более эффективна, чем другие галогенсодержащие
вещества при утечках в системах.
Нейтральный заряд молекулы двуокиси хлора позволяет эффективнее проникать в отрицательно заряженную структуру биопленки, что способствует скорейшему
устранению биопленки.
Перевел А. Степанов
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Characklis, W. and K. Marshall, Biofilms, Wiley Interscience
Publications, John Wiley and Sons, Inc., New York, 1990.
2. Sauer, K., A. K. Camper, G. D. Ehrlich, J. W. Costerton and D.
G. Davies, «Pseudomonas aeruginosa Displays Multiple Phenotypes
During Development as a Biofilm», Journal of Bacteriol, Vol. 184, pp.
1140–1154, 2002.
3. Shibley, G. S., «Studies in Agglutination – The Relationship of
Reduction of Electrical Charge to Specific Bacterial Agglutination»,
Department of Medicine of the College of Physicians and Surgeons of
Columbia University, and the Presbyterian Hospital, New York, 1924.
4. Burke, V., and F. Gibson, «The Gram Reaction and the Electric
Charge of Bacteria», Bacteriological Laboratories, State College of
Washington, 1932.
G. Laxton (Г. Лакстон), технический консультант по применению
двуокиси хлора в отделе Baker Petrolite Industrial Technology Group
компании Baker Hughes. М-р Лакстон имеет 33-летний стаж исследовательских работ в области утилизации и очистки воды, включая семь
лет работы над проблемой технологии утилизации и 26 лет исследований в области промышленной очистки воды. С 2004 по 2006 гг. м-р
Лакстон работал техническим менеджером на Среднем Востоке. Он
специализировался последние 18 лет на проблеме технологии двуокиси
хлора, работая и в Северной Америке, и на Среднем Востоке. М-р
Лакстон – автор и соавтор многочисленных научно-технических статей
по двуокиси хлора и имеет по этой теме патент США. М-р Лакстон
окончил Техасский университет в 1976 г. со степенью бакалавра по
специализации инженер-механик.
R. Hernandez-Mena (Р. Эрнандес-Мена), микробиолог в отделе Baker
Petrolite Industrial Technology Group компании Baker Hughes. М-р
Эрнандес-Мена свыше 25 лет занимается проблемами микробиологического роста в системах охлаждения. М-р Эрнандес-Мена проводит
исследования в применении новейших методов контроля биопленки и
имеет на эту тему три патента США. Его исследовательские интересы
распространяются на мониторинг роста биопленки в режиме реального
времени и на эту тему имеются многочисленные публикации. М-р
Эрнандес-Мена окончил университет в Пенсильвании по биологии
и имеет степень бакалавра.
ИННОВАЦИИ
НОВЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ
ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ
Компания Emerson Process Management интегрировала систему защиты и прогнозирования критического состояния механического оборудования
в своей цифровой системе автоматизации DeltaV.
Новая система полностью соответствует требованиям пользователей, касающимся доступности и
производительности. С ухудшение характеристик
турбин и механического оборудования ухудшается производительность и снижается пропускная
способность, что может стать следствием незапланированной остановки предприятия. Когда операторы заводов имеют представление о состоянии
активов, они могут скорректировать процесс и
смягчить последствия.
В традиционных системах управления, интеграция является достаточно сложной и дорогостоящей, требующей применения систем Modbus.
Типичная система защиты механизмов может потребовать более 2000 шагов и до пяти дней для завершения процесса интеграции. С таким числом
шагов и проблемами с сетью может потребоваться
дополнительное время для проведения тестирования. На пути интеграции могут возникнуть значительные препятствия, даже при получении исчерпывающей информации.
Emerson-интегрированная система защита и
прогнозные решения, а также ключевой компонент
PlantWeb цифровой архитектуры завода, легко под-
НЕФТЕГАЗОВЫЕ
Т
Е
Х
Н
О
Л
О
Г
И
И
№6 • июнь 2010
ключается к DeltaV-системе (в три простых шага,
менее чем за 10 минут). Параметры активов сканируются, отбираются и импортируются с AMS Suite
программного обеспечения и CSI 6500 Machinery
Health Monitor на DeltaV. После импортирования
автоматически включается сигнал DeltaV и система
полностью настраивается с функциональными блоками, которые могут в дальнейшем использоваться
в стратегиях управления.
Интеграция интерфейса оператора также включает шаблоны для графов вибрации, и автоматические маркеры для того, чтобы позволить любому оператору работать в графическом режиме
DeltaV.
«Преимущества объединения процесса получения информации и поддержания работоспособности очевидны, но это в первую очередь автоматическая интеграция и проектирование работ, а
также надежность и квалификация персонала»,
– сказал Craig Llewellyn, президент отделения
Emerson Asset Optimization.
Emerson также предоставляет услуги PlantWeb
Services, чтобы помочь пользователям осуществить
проектирование, установку и обеспечить защиту и
прогнозирование. С такими возможностями система DeltaV обеспечит интегрированное решение
управления процессом, обеспечения безопасности
технологического процесса, защиты и прогнозирования.
Выберите 4 на www.HydrocarbonProcessing.com/RS
71
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
11
Размер файла
2 287 Кб
Теги
водяного, усовершенствования, системой, 9219, управления, охлаждения
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа