Purification and utilization of co-produced water from oil production fields

Agua de pozos. Muchos miles de millones de metros cúbicos de agua se derraman desde las profundidades de la Tierra y envenenan su superficie y todo vivo en las áreas acuáticas. Estos incluyen agua asociada en la extracción de petróleo, condensado y gas. Y el contenido de gas puede ser solo 15-20% de la masa total; el resto – es agua, pero disuelve el petróleo, los metales y los gases. En algunos regiones, se practica el retorno de tal agua a las capas de la tierra.

De millones de minas continuamente día y noche, bombean agua  y se vierten sin purificar en los ríos, muchos de los cuales ya están muertos.

Las tecnologías de purificación de estas aguas son imperfectas, y en la mayoría de los casos no existen.  

Hay otro grupo de aguas de pozos perforados en la búsqueda de petróleo, carbón y otros minerales o en los estudios del agua.  

La mayoría de estos pozos son improductivos para los productos deseados y se abandonan. A menudo no determinan la composición de los pozos, pero siempre contienen compuestos disueltos de elementos que son dañinos para la flora y la fauna, pero pueden ser útiles para los humanos (Tabla 54).

Tabla 54 – Contenido de elementos en las aguas de los yacimientos mesozoicos

    Yacimientos

Contenido, mg / l

V

Со Ni Сi Zn Мо РЬ

Aq

1

h,- 129

h.- 39 h,- 130 h,- 0,5-250 h.- 4200 h,- 16,6 h- 12,2 sin inf.

vp.

9,8

vp. 7,1 vp 34,1 vp. 23,6 vp. 731 vp. 4,5

vp. 2,1

2

h.

-16

h .-39 h,- 112 h,- 0,6-80 h- 2240 h- 19,8

h- 10,9

sin inf.

1,6

3,3 12,5 7,5 226 2,8

2,5

3

vp,- 176

h,- 4,5 h. -264 0,5-72,6 h- 1660 h. -23

h- 92,5

sin inf.

15,5

4,4 35,4 6,7 176 3,8

4,9

4 sin inf. h. -20 sin inf. sin inf. h.- 100 h. 100 h,- 20

h. -100

Notas: h. – huellas; vp. – valor promedio. En la literatura, se ha acumulado mucha información sobre la composición del agua de los pozos perforados. Casi todas las aguas contienen metales raros e incluso los metales preciosos. El contenido de la Tabla 54 es bastante interesante. Sin embargo, con la profundidad, en particular, si hay un aumento en la temperatura, el contenido de los elementos en el agua crece 2 e incluso 25 veces. A menudo, el agua tiene una fuerte presión y se pulveriza. Alcanza a los 6.000 m3 / día, y el contenido de la suma de metales alcanza a los 200 g / l. Tal concentración de elementos dañinos para el mundo vegetal y animal agrava dramáticamente la situación ecológica en la región. Se encontró que el contenido de metales provenientes de los sedimentos mesozoicos es decenas o incluso cientos de veces más que su contenido en el océano mundial. Los metales alcalinos y alcalinotérreos hacen una contribución significativa, la contribución de los iones SO42 y Cl es grande, pero el contenido de metales útiles es tan grande que muchos investigadores han pensado más de una vez en su extracción. Sin embargo, los métodos tradicionales de extracción de metales con concentraciones relativamente bajas son muy costosos. Pero con la llegada de los dispositivos AVS, todo cambió. La productividad de estos aparatos 6000 m3 / día no es un obstáculo, no se requieren edificios ni grandes estanques de asentamiento, y el consumo de energía es mínimo. Su uso trae un gran efecto económico y elimina la acumulación en la superficie de elementos peligrosos para los humanos y la naturaleza. Como ejemplo, consideremos la neutralización y la utilización del agua producida. Su característica especial es un gran contenido de plata. El diagrama de flujo tecnológico se muestra en la Fig. 150.

Figura 150. – Esquema de flujo de neutralización y utilización del agua producida a partir de barrenos. 1 – Tanque de estabilización; 2 – Bomba; 3, 5 – Recipientes para aditivos; 6 – Tanque intermedio; 7.9 – Tanques de recolección; 8 – Tanque de sedimentación activo; 10 – Separador hidráulico; 11 – Colector de metales; 12 – Acumulador de compuestos de metales.

El agua del tanque de estabilización 1 es alimentada por la bomba 2 con aditivos del tanque 3 al AVS 4, con un coagulante del tanque 5 a través del tanque intermedio 6 al tanque de sedimentación 8. El agua purificada se descarga en un río, estanque o se utiliza irrigación

Esta tecnología reduce los compuestos de plata por las agujas de hierro y por electrólisis en la cámara de procesamiento del AVS 1. Al mismo tiempo, los compuestos de metal se separan de la solución en forma de lodo. El grueso de la plata, al ser más pesado, se separa de la suspensión y se acumula en el tanque intermedio 6, y se recoge en el tanque de recolección 7. Los compuestos metálicos se recogen primero en un tanque de recolección 9 se separan en el tanque de sedimentación activo 8. La parte restante de la plata y los metales del grupo del platino se separan en el separador 10. Los lodos se recogen en un contenedor 12 con un contenedor removible, se envasan y se envían para su procesamiento. El esquema de flujo en la Fig. 150 difiere un poco del tratamiento de lodos y aguas residuales. La diferencia es una posible producción de metales: plata, oro o platino.

Debe entenderse que la cantidad de lodo es bastante notable. Entonces, desde el pozo con un caudal de 1000 m3 / día, su rendimiento teniendo en cuenta los iones contenidos en el agua SO42– de cloro, sodio, calcio y otros con aproximadamente 3 toneladas / día, en términos de lodo espesado – 6 -7 toneladas / día, en el año 2000-2100 toneladas.  

En algunos depósitos significativos de bromo y yodo, que en forma de diversos compuestos forman parte del agua que proviene de varios pozos. La Tabla 55 da una idea de la composición de las aguas de algunos de ellos.

Tabla 55 – Composición del agua de los pozos

                                  Grupos de depositos

Parametros

                                I                          II
    A -1   А – 2   А – 3   А – 4   B – 1  B – 2  B – 3
Profundidad, m 100 280 870 Superficie 3350 3600 330
Mineralización, g / l 15 23 175 100 121 328 290
Bicarbonato, mg / g 134 100 49 60 275 275 61
Calcio, mg / l 2180 1218 1523 1200 11423 26650 11825
Magnesio, mg / l 385 3405 1945
Yodo, mg / l 22 26 23 29 121 127 42
Bromo, mg / l 14 45 100 204 464 1438 864
Velocidad de trabajo, m3 / día por grupo. 500 m3 / dia 1 000 m3 / día con menor aireación
Reservas de yodo, t 21500 25100 28800 35600 85800 154400 145800

La tabla no muestra el contenido de metales pesados, raros y de tierras raras que se encuentran en las aguas producidas en esta región.

Se nota que con más profundidad llega más yodo, bromo y otros elementos. Los datos presentados reflejan las reservas, que están contorneadas, pero de hecho, las reservas son muchas veces mayores. Las tecnologías existentes para el aislamiento del yodo se basan en reacciones químicas, que requieren tanques grandes, ácidos y otros reactivos, con un problema de desechar los residuos del proceso.

Como es bien sabido, el yodo está presente en soluciones acuosas de álcalis y carbonatos en forma de NaJ y NaJO3. Las sales del ácido de yodo son estables y son agentes oxidantes fuertes. Las sales HJO3 (yodatos) en presencia de ácido pueden emitir yodo elemental, pero con interacción con yoduros. El yodo resultante se absorbe por el carbón activo, que se trata con álcali, por ejemplo, NaOH.

Se forma una solución de NaJ + NaJO3. De esta solución, bajo la acción del ácido sulfúrico, se aísla el yodo metálico (en presencia de cloro elemental) mediante la reacción:

NaJO3 + 5NaJ + 3H2SO4 = NaSO4 + H2O

La obtención de yodo puro con AVS es mucho más simple y no es necesario utilizar ácidos y cloro. La Tabla 55 no incluye metales, pero también pueden ser destacados (Figura 151.).

La tecnología se basa en la obtención de compuestos de yodo prácticamente insolubles, que solo pueden obtenerse en AVS. El aditivo para el aislamiento de yodo a partir de soluciones, vuelve a la cabeza del proceso. El yodo se purifica por el método de destilación. Los compuestos de metales raros y pesados se aíslan de acuerdo con la tecnología desarrollada para el tratamiento de lodos o aguas residuales. El sedimentador debe seleccionar solo yodo, mientras que el bromo pasa casi sin obstáculos. El proceso de reciclaje es continuo. El agua del tanque 1 ingresa al AVS 3. Delante de la máquina 3, se agrega un sedimentador de yodo del tanque de aditivos 2. Una fracción sólida, que contiene prácticamente solo el compuesto de yodo, se separa en el tanque intermedio 4 y se sedimenta en el tanque de sedimentación activo 6. La fracción pesada se acumula y se compacta rápidamente en el colector (tanque receptor de lodo) 13. En el secador 14, la masa se seca y ingresa al destilador 15, en el que el yodo se evapora, se captura y, después de la separación, se empaqueta y se envía al cliente. El resto se diluye con agua o ácido y se devuelve al cabezal de proceso frente al AVS 3.   

Fig. 151. Esquema de flujo de utilización de salmuera natural (con yodo): 1 – Tanque para salmuera; 2,7 – Cisternas para aditivos; 3, 8 – AVS; 4, 5 – Tanque intermedio; 5, 10- Bomba; 6, 11,12 – Hidrociclones; 13, 17 – Absorbente de lodos; 14 – Secadora; 15 – Tanque de recogida de residuos; 16 – Destilador.

Una solución de metales del tanque de sedimentación 6 ingresa a la máquina 8 con un aditivo del tanque 7 y pasa el camino similar al tratamiento de aguas residuales y la separación de metales pesados que se concentran en forma de lodo en el tanque de recepción de lodo 17.

El resultado del procesamiento de agua coproducida a partir de perforaciones es: yodo, compuestos metálicos y agua que contiene metales alcalinos y bromo. El bromo se puede aislar según el mismo esquema, con solventes orgánicos o utilizando las técnicas.

El rendimiento de un día de los pozos del grupo A podría ser de 12,5 kg y de los pozos del grupo B – 97 kg (según los datos de la Tabla 56), siempre que se mantenga la misma velocidad de procesamiento. En consecuencia, se recibirán hasta 35 toneladas de yodo en un año. La cantidad de yodo producido puede fluctuar dependiendo de la situación y del rendimiento.

Para garantizar el procesamiento de tal volumen de agua coproducida, se requerirán de 1 a 6 máquinas AVS para obtener simultáneamente, al menos 80-90 toneladas de otros compuestos de metales. El sitio de procesamiento de la salmuera de los pozos examinará los indicadores técnicos y económicos, como se muestra a continuación (Tabla 56).

Tabla 56

Indicadores principales del sitio para el procesamiento de agua de pozos (salmuera)

Nombre

Unidad de medida Valor

Nota

Productividad: – yodo – metales pesados t/hora t/hora 30-32 80-90
Consumo de energía kW 60 6 unidades activas en un marco
El personal personas 5 para 1 turno
Área de trabajo m2 50-60

Aguas de mina

Recientemente, el tema de la neutralización, la purificación y la utilización de las aguas de la mina y debido al cierre masivo de minas y cuencas no rentables, se ha vuelto particularmente relevante. Hasta la fecha, en la literatura no hay prácticamente información sobre la limpieza profunda de las aguas de las minas en ninguna cuenca de nuestro país y en el extranjero.

El agua de la mina tiene una gran variedad de componentes (tabla 57), lo que dificulta la creación de una tecnología unificada basada en los métodos tradicionales de purificación.  

La neutralización de reactivos del agua se ha generalizado mucho y, por lo tanto, no es necesario realizar una revisión de los métodos. Solo se debe tener en cuenta que las aguas naturales con alta mineralización y dureza son difíciles de procesar para obtener una composición adecuada para su uso posterior en piscifactorías. Por lo tanto, sólo se considera la purificación parcial.

Los métodos tradicionales requerirán grandes estanques de sedimentación, un sistema de mezclador complejo, áreas de producción significativas y grandes costos de equipo, energía y operación sin ninguna promesa de limpieza exitosa. Además, también es necesario neutralizar una gran cantidad de hierro y otros metales, incluidos los metales pesados. Aparentemente, esto es lo que llevó a sistemas de limpieza de agua de mina prácticamente inexistentes.

Un sistema no tradicional para la purificación de aguas naturales con el AVS no puede garantizar la eliminación completa de la mineralización, pero puede reducirla debido a la precipitación casi completa de compuestos de calcio y magnesio, y también llevar la dureza al nivel correspondiente a las normas. MPC, y al mismo tiempo reduce el contenido de hierro y otros metales, incluidos los metales pesados, al nivel de MPC.

No es completamente posible eliminar la mineralización, ya que originalmente son sulfatos y cloruros de metales alcalinos que son poco solubles o insolubles en agua. Se pueden eliminar solo por destilación, por cromatografía de intercambio iónico o por varios tipos de electrólisis, que se mencionaron anteriormente.

Sin embargo, el método propuesto permite reducir los costos de reducir la dureza muchas veces al eliminar metales pesados, acelerando significativamente la separación de fases líquidas y sólidas, reduciendo los costos para edificios y áreas de trabajo y reduciendo el consumo de reactivos. En el caso de que el agua de la mina contenga predominantemente dureza carbonatada y no carbonatada, por ejemplo, el agua de los pozos No. 48 y 52, se puede llevar a una composición que cumpla con los requisitos de los criaderos.

Tabla 57

Composición de agua descargada de mina (ejemplos)

Ubicación del agua de salida(ejemplos)    Color pH Na+К, mg/l Dureza, mg-eq /l Са, mg/l Mq, mg/l Cloruros, mg / l Sulfatos, mg / l Fe total, mg / l Ion amonio, mg / l Mineralización, mg / l
№1 marrón 6,8 104 32,3 275,2 233,5 602,7 2343 14,92 0,01 15400
№2 amarillo 6,98 887,8 39 248 324,5 460,8 2728 21,0 2,00 16000
№3 no hay inf. 6,6 880 57 530 370 410 3600 12,1 no hay inf. 15800
№4 no hay inf. 5,8       244 250 1600 2074 319 11850 330 no hay inf.   19000
№5 no hay inf. no hay inf. no hay inf. 569 14 265 10 693 293 no hay inf. no hay inf.
№6 no hay inf. no hay inf. no hay inf. 552 21,6 405 17 473 257 no hay inf.   no hay inf.
№7   transparente 6,55    – 7-10     –      – 350 500 0,3      – 1000

Cabe señalar que la soda o el hidróxido de sodio se utilizan ampliamente, al tiempo que reduce la dureza del agua y aumenta simultáneamente la mineralización. Por lo tanto, deben aplicarse con gran prudencia.

La neutralización de las aguas de la mina se basó en reacciones conocidas:

CO2Ca(HCO3+Ca(OH)2=CaCO32CaCO3+H2O2H2O

Mg(HCO3)2MgCO3+Ca(OH)2=CaCO3+MgCO3Mg(OH)2+H2O

CaCl2CaSO4+Na2CO3=CaCO2+2NaClNa2SO4

Disminución de la dureza de carbonatos y no carbonatos. Con la introducción de la soda, la mineralización puede incluso crecer.

También se probaron aditivos de sodio cáustico (NaOH).

Su influencia en el cambio de composición se describe mediante las ecuaciones:

Ca(HCO3)2Mg(HCO3)2+2NaOH=CaCO3Mg(OH)2+NaCO3+H2O+1CO2

                      CO2+NaOHNa2CO3

      CaSO$CaCl2+NaCO3=Na2SO42NaCl+CaCO2

        MgSO4MgCl2+2NaOH=Na2SO42NaCl+Mg(OH)2

La dureza se reduce rápidamente, pero la mineralización aumenta debido a la formación de sulfato y cloruro de sodio. Simultáneamente, el contenido de hierro se reduce a 0,5 mg / l. La desventaja del método es un aumento en el pH del medio, hasta 10-11. Pero con este factor se puede luchar.

El uso de coagulantes conocidos, poliacrilamida y sulfato de aluminio, es probable que sea ineficaz, ya que a un pH alto, por ejemplo, el sulfato de aluminio no forma un hidróxido de absorción activa.

Aparentemente, el cloruro de hierro debe usarse para acelerar la precipitación. Pero al mismo tiempo, también aumenta significativamente la mineralización. Obviamente, es necesario buscar aditivos que sean tan efectivos como el Na0H y el Na2CO3, pero que no aumenten la mineralización.

Se investigaron los compuestos de aluminio, NH4OH y (NH4) 2CO3. Además, se abren grandes perspectivas con diversas combinaciones de aditivos. Se sabe que las partículas sólidas, independientemente del tamaño que se forman en la cámara de procesamiento del AVS, se sedimentan mucho más rápido que las formadas en reactores con agitadores. Además, cuando se filtra a través de un nuevo filtro de arena, solo aparece el tipo de película de filtración. Estas circunstancias son de gran importancia tecnológica, ya que eliminan los estanques de sedimentación tradicionales.

El agua, presentada en la Tabla 57, fluye desde minas o pozos en cantidades superiores a 1000 m3 / h. Dicha velocidad de flujo influye en los factores cinéticos que pueden cambiar estas u otras reacciones a menudo de una manera indeseable, por ejemplo, una mezcla mala de agua con aditivos. El resultado planificado no se logra. Los movimientos turbulentos del agua impiden la separación completa de las fases y la separación de los sedimentos. Por lo tanto, la máquina que es capaz de superar estas dificultades adquiere un significado especial.

Los tanques de sedimentación activos, que son una modificación de los hidrociclones, pueden ser muy efectivos.No menos difícil es la tarea de utilización de lodos, que se acumula en grandes cantidades. El lodo es una mezcla de hidróxidos de magnesio, carbonatos de calcio y magnesio con una pequeña cantidad de sulfatos y cloruros. Los campos magnéticos giratorios afectan la composición elemental del agua, las propiedades físicas del sedimento, así como el efecto de los aditivos en el agua de la mina.

Tabla 58

Aditivos, ml / l рН Dureza total Sustancias suspendidas         Residuo seco
СаО NaОН Na2С0P3 NН2ОН (NH4)2СО2 mg- eq % Inferior mg/l % Inferior mg/l % Inferior
1 Inicial      6 6,0 31 140 5921
2 16       – 6,5 15,0 -52 43 -70 5017 -15
3        – 16 10 0,7 -98 128 -8,5 7255          увел + 22
4        –                   20 10 16,2 -51,6 79 -43,5 4861 -18
5      –     – 10 7,0 16,0 -52,2 159 13 5018               -15,2
6 16 6 8,9 7,4 -76 83 -41 5124 -13
7 16     – 5 8 10,3 -67,0 246 75 4984               -15,7
8 16     – 20 11 10,8 -65 38 -73 4558 -33

El cloruro férrico se utilizó como coagulante. Los aditivos se introdujeron como soluciones al 10% y se cambiaron según la tarea. La suspensión acuosa de cal contenía 5% de CaO. According to the tests performed at the mine, it was found that the content of Ca can drop from 275.2 to 4-8 mg / l, Mq from 233.5 to 4.88-5.6 mg / l. Estos componentes determinan la dureza del agua y este cambio brusco en su contenido reduce la dureza. Hay que tener en cuenta el efecto de los aditivos muestra que un aditivo no siempre conduce a un resultado deseado. Más eficiente introducir dos o más aditivos. Esto se relaciona con la dureza. Al mismo tiempo, la mineralización se cambia y no siempre en la dirección requerida.  

La prueba (pero no en la composición real del agua) estuvo influenciada por la turbidez del agua después del tratamiento. La mayor parte de los sedimentos (95-98%) se sedimentaron en los primeros 5-10 minutos. Luego, después de sedimentarse durante 5-10 horas, el agua se aclara por completo.

Figura 153. Esquema de flujo de neutralización y limpieza de aguas mineras: 1 – Tanque receptor; 2 – Bomba; 3 – AVS; 4, 5 – Depósitos para aditivos; 6.7 – Tanques de sedimentación activos; 8 – Tanque de recogida de lodos. Figura 154. Esquema de flujo de neutralización de aguas de mina con filtración: 1-8 – Ver Fig. 153; 9 – Filtro Así, el agua de la mina y el agua de las perforaciones se pueden neutralizar total o parcialmente, lo que depende de su composición inicial.