Мобильный технический модуль для производства композитного сорбента нефтепродуктов

Введение. Ежегодно в Российской Федерации регистрируются тысячи аварийных случаев разлива нефти и нефтепродуктов [1], большая часть их происходит в труднодоступных регионах Западной Сибири, Арктической зоны и Дальнего Востока [2]. Ликвидация таких разливов осложняется удалённостью объектов, недостаточной транспортной доступностью, суровыми природно-климатическими условиями и высокой стоимостью доставки к ним специализированных материалов и оборудования. В связи с этим проблема оперативного реагирования на загрязнение нефтепродуктами территорий имеет высокую экологическую, технологическую и организационную значимость.

Нефтепользование на всех стадиях жизненного цикла — от геологоразведочных работ и строительства буровых сооружений до бурения скважин, интенсификации добычи, подъёма флюида на поверхность, подготовки углеводородов к хранению и транспортировке — оказывает негативное воздействие на компоненты окружающей среды [3][4]. Интенсивность данного воздействия определяется масштабами производственной деятельности, особенностями применяемых технологий и степенью устойчивости природных экосистем к антропогенной нагрузке. Основными последствиями влияния нефтепользования на окружающую среду являются деградация литосферы, нарушение гидрологического баланса и ущерб биоразнообразию.

Деградация литосферы проявляется в механическом нарушении почвенного покрова, уплотнении почв, формировании техногенных форм рельефа, образовании карьеров, провалов и общей трансформации природного ландшафта. Нарушение гидрологического баланса связано с загрязнением и истощением водоносных горизонтов, затоплением территорий промышленными стоками, а также ухудшением качества поверхностных вод вследствие повышения минерализации и увеличения содержания растворённых примесей. Ущерб биоразнообразию выражается в изменении видового состава экосистем, снижении их продуктивности, смещении ареалов отдельных видов и развитии процессов экологической деградации.

Особую опасность представляют аварийные разливы нефти и нефтепродуктов, поскольку они формируют кратковременные, но интенсивные пики антропогенного воздействия, локализованные в зоне происшествия. В труднодоступных районах негативные последствия таких аварий усиливаются из-за сложности своевременной доставки сорбентов и специализированного оборудования к месту загрязнения [5]. В этих условиях традиционная схема ликвидации разливов, основанная на транспортировке готовых сорбционных материалов со стационарных производств или складов, не всегда обеспечивает необходимую оперативность и экономическую эффективность.

Одним из перспективных направлений в решении названной проблемы является организация производства сорбентов непосредственно вблизи места аварийного разлива [6]. Это позволяет сократить время реагирования, снизить логистические затраты и адаптировать свойства сорбента к конкретным условиям загрязнения. Такой подход особенно актуален для удалённых территорий, куда доставка готовых материалов требует значительных временных и финансовых ресурсов.

В научной литературе достаточно подробно рассмотрены вопросы разработки сорбентов различного состава и назначения, включая биосорбенты [7], модифицированные полимерные материалы [8], композитные сорбенты и материалы, предназначенные для поглощения лёгких углеводородов, тяжёлых масел, эмульсий и многокомпонентных стоков [9]. Вместе с тем анализ существующих методов стационарного производства и последующей транспортировки готовых сорбентов показал, что они имеют ряд существенных ограничений. К ним относятся высокая стоимость доставки, которая в отдельных случаях может составлять до 60–80 % от конечной стоимости материала, ограниченный срок хранения некоторых сорбентов, особенно биосорбентов и модифицированных полимеров, сложность выбора материала под конкретный тип загрязнения, а также риск вторичного загрязнения при хранении, перевозке и последующем обращении с отработанными сорбентами [10].

Альтернативой традиционной модели является мобильное производство сорбентов, при котором к месту применения доставляется не готовый материал, а исходные реагенты или прекурсоры, из которых сорбент формируется непосредственно в полевых условиях. Такой подход позволяет уменьшить объём перевозимых материалов, повысить адаптивность технологического процесса и обеспечить получение материала с заданными характеристиками в зависимости от типа нефтепродукта, температуры окружающей среды, особенностей поверхности загрязнения и требований к последующей регенерации или утилизации.

Авторы ряда исследований предлагают технические решения, направленные на получение сорбентов в условиях, приближенных к полевым. Так, в работе Л. Хименко и соавторов описан способ получения сорбента на основе терморасширенного графита с использованием сорбентной шашки, состоящей из двух герметичных сообщающихся ёмкостей [11]. В одной из них размещаются интеркалированный графит и нагревательная смесь, обеспечивающая быстрое выделение тепла в результате высокоэкзотермической реакции и последующее расширение графита. Вторая ёмкость содержит инициирующий элемент, соединённый с автономным или мобильным источником тока. Такое устройство позволяет получать сорбент непосредственно на месте применения, что снижает зависимость процесса ликвидации разлива от централизованных поставок готового материала.

Перспективным направлением также является получение полиуретановых сорбентов, поскольку жидкие исходные компоненты при вспенивании обеспечивают значительное увеличение объёма конечного материала: из одной тонны жидких компонентов может быть получено 30–50 м³ пенополиуретана [12]. Кроме того, технология получения полиуретановых сорбентов позволяет изменять их ключевые свойства — плотность, соотношение открытых и закрытых пор, гидрофобность, олеофильность и механическую прочность. Эти параметры могут регулироваться изменением рецептуры, в том числе количеством воды и катализатора, а также введением кремнийорганических модификаторов или фторсодержащих добавок.

Подобный подход реализован в работе А.В. Мухамедшина и соавторов, где предложен сорбент на основе полиуретановой матрицы и растительного наполнителя [13]. Сочетание указанных компонентов обеспечивает высокую сорбционную возможность материала, способность быстро поглощать нефтепродукты и длительно удерживать поглощённый объём — от 15 минут до нескольких суток. Это облегчает транспортировку насыщенного сорбента к месту дальнейшей переработки. Кроме того, повышенная механическая прочность материала создаёт предпосылки для его многократной регенерации и извлечения поглощённой нефти. Авторы также отмечают возможность организации производства не только на стационарном предприятии, но и непосредственно на месте аварии с использованием мобильного комплекса, что позволяет сократить время реагирования и снизить логистические затраты.

Следовательно, мобильный технологический модуль может быть использован для получения сорбентов с различными физико-химическими и эксплуатационными характеристиками, адаптированными к конкретным видам нефтепродуктов и условиям проведения работ. Возможность оперативного изменения рецептуры и технологических параметров является важным преимуществом такого подхода, по сравнению с использованием заранее изготовленных и складируемых материалов.

Практическая реализуемость мобильного производства сорбентов подтверждена исследованиями, посвящёнными получению сорбционного материала с использованием мобильного генератора [14]. По мнению их авторов, такое оборудование может применяться при ликвидации разливов нефти и нефтепродуктов как на водной поверхности, так и на суше. Кроме того, мобильные модули могут оснащаться узлами регенерации сорбентов, включая системы механического отжима, центрифугирования, пароциклической десорбции и сушки в сорбере [15].

Авторами статьи [16] предложена установка для регенерации промасленных сорбентов, таких как цеолит и силикагель. Она включает в себя сорбер с нагревательными элементами, вакуумный насос, бак рабочей жидкости, накопительную ёмкость для масла и радиатор охлаждения, объединённые в едином металлическом корпусе. Такая конструкция обеспечивает извлечение нефтепродуктов из сорбционного материала и создаёт условия для его повторного использования. Применение подобных технических решений позволяет снизить объём отходов, подлежащих утилизации, до 90 %, что повышает экологическую и экономическую эффективность ликвидационных мероприятий.

Несмотря на наличие разработок в области мобильного получения и регенерации сорбентов, их анализ показывает, что проблема создания эффективного мобильного комплекса для работы в труднодоступных районах остаётся недостаточно изученной. В частности, в литературе ограниченно представлены сведения о переносе технологических схем получения композитных сорбентов на мобильный носитель, а также о конструктивно-технологических параметрах таких установок. Кроме того, многие известные решения характеризуются сложностью и трудоёмкостью производства, не предусматривают использования проходимой колёсной базы, необходимой для доставки оборудования и материалов непосредственно к месту аварийного разлива.

Таким образом, можно сделать вывод, что существует пробел в научных знаниях, заключающийся в недостаточной проработанности конструктивно-технологических решений, обеспечивающих мобильное производство композитного сорбента для оперативной ликвидации разливов нефтепродуктов в труднодоступных местах. Для заполнения этого пробела необходимо адаптировать ранее разработанные технологические схемы к мобильному исполнению, определить параметры используемого оборудования и дать оценку возможности его применения в полевых условиях.

Целью настоящего исследования является перенос ранее разработанной технологической схемы получения композитного сорбента на мобильный носитель и определение конструктивно-технологических параметров мобильного технологического модуля, предназначенного для оперативной ликвидации разливов нефтепродуктов.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Проанализировать ранее разработанную технологическую схему получения композитного сорбента (растворение пенополистирола, введение наполнителя, сушка) и адаптировать её к мобильному исполнению — подобрать оптимальные режимы процесса (температура, продолжительность стадий, соотношения компонентов) с учётом ограничений по энергопотреблению, габаритам оборудования и условиям полевой эксплуатации.
2. Сформировать состав и компоновочную схему мобильного технологического модуля — определить перечень необходимого оборудования, его расположение, требования к несущей раме и крепёжным элементам, а также обеспечить соответствие габаритов модуля стандарту EUR-палеты для удобства транспортировки и развёртывания.
3. Определить конструктивно-технологические параметры МТМ— рассчитать и обосновать распределение нагрузки на транспортное средство, допустимые значения массы модуля, площади размещения, а также требования к транспортному носителю (на примере УАЗ 23632) для интеграции и безопасной эксплуатации оборудования.
4. Выполнить валидацию предложенного решения— с помощью математического моделирования и сопоставления с данными по аналогичным установкам подтвердить воспроизводимость технологии на оборудовании со сопоставимыми характеристиками, а также оценить возможность масштабирования и тиражирования модуля для использования другими исследовательскими и эксплуатационными коллективами.

Материалы и методы. Ранее авторами были разработаны алгоритм [17] и стационарная схема получения композитного сорбента [18] (рис. 1).

Для получения композитного сорбента использовались следующие компоненты: дихлорэтан, ПАВ (цетиламин), вермикулит и измельченный пенополистирол. После утилизации композитного сорбента минеральный наполнитель использовался повторно. Количество циклов повторного использования равно трем. Установлено, что после третьего цикла происходит значительная потеря сорбционных свойств, которая составляет 35 %.

Для определения необходимой для размещения компонентов модуля площади произведен ряд расчётов: время производственного цикла, общая масса модуля и площадь, занимаемая мобильным технологическим модулем:

1. Расчёт времени производственного цикла проводился по формуле 1. Была выбрана формула для последовательного метода производства (когда операции выполняются одна за другой):

где n — размер партии (количество изделий); t₁, t₂, ...; t_n — время выполнения каждой операции, мин.;
Т_обсл. — время обслуживания модуля, мин.; Т_прост — время простоя, время, затрачиваемое на смену эксплуатационных жидкостей, расходного материала (замена фильтров и т. д.).

Таким образом, Тц = 1×(20 + 20 + 40 + 180) + 20 + 20 = 300 мин., или 5 час.

Расчёт производился для партии, состоящей из 20 листов сорбента размером 210×297×5 мм. Время технологического цикла рассчитывалось при сушке при температуре 22 °С. При введении в схему строительного фена для просушивания листов композитного сорбента время сокращалось до четырех часов.

2. Расчет общей массы модуля. Его компоненты собирались из фторопласта (ПТФЭ) и пластин 2×300×300 мм марки Ф 4 по ТУ 6-05-810-88. В таблицах 1, 2 приведены характеристики этих пластин, предоставленные производителем.

Количество листов, используемых при сборе МТМ, представлено в таблице 3.

Кроме того, учитывалась еще масса насосов для подачи смеси (шестерёнчатый насос BYD NYP-3.6), строительного фена (Greenworks, G24HG, 24V без АКБ и ЗУ) и конденсатора. В сумме вес основных элементов мобильного технологического модуля без учёта компонентов композитного сорбента составил 65 кг.

Вес компонентов композитного сорбента из расчёта на объём пятилитровой емкости: дихлорэтан — 6,25 кг, вермикулит — 0,6 кг, пенополистирол измельчённый — 0,6 кг.

Таким образом рабочий вес МТМ — 78 кг.

3. Площадь, занимаемая МТМ, состоит из суммы площадей компонентов модуля (таблица 4) и допусков на размещение желобов и гидравлической арматуры.

В рамках решения задачи по оперативной локализации и ликвидации разливов нефтепродуктов в труднодоступных районах критически важным является не только подбор эффективного сорбционного материала, но и обеспечение его доставки. В связи с этим авторами был рассмотрен для размещения мобильного технологического модуля автомобиль УАЗ 23632 (пикап). Данный тип транспортного средства был определён как оптимальный с точки зрения совокупности эксплуатационных характеристик: повышенная проходимость позволяет преодолевать участки со сложными рельефом и грунтами, типичными для отдалённых и труднопроходимых территорий, при этом грузоподъёмность и габариты грузовой платформы обеспечивают возможность размещения на ней технологического оборудования, необходимого для получения композитного сорбента в полевых условиях.

Результаты исследования. В ходе проведенных экспериментов получен композитный сорбент в соответствии с ранее разработанной авторами технологической схемой. Процесс включал в себя следующие последовательные стадии: перевод пенополистирола в вязкотекучее состояние посредством воздействия растворителя, введение минерального наполнителя в сформированный полимерный студень и последующая сушка полученной композиции до стабилизации массы и достижения требуемых физико‑механических характеристик.

Производственный цикл для партии, состоящей из 20 листов сорбента номинальным размером 210 × 297 × 5 мм, составил четыре часа при использовании в качестве источника нагрева строительного фена. Указанная продолжительность отражает суммарное время, включающее в себя стадии растворения пенополистирола, равномерного распределения наполнителя в матрице, формования листов и их сушки. Контроль за завершением сушки осуществлялся путем гравиметрического анализа по стабилизации массы образцов при выдержке в течение 15 минут.

Масса мобильного технологического модуля в полной комплектации, включающей в себя конструктивные элементы, технологическое оборудование, расходные материалы и прекурсоры, необходимые для производства сорбента, составила 78 кг. Данный показатель учитывает массу несущей рамы, нагревательных устройств, ёмкостей для растворителя и прекурсоров, а также средств фиксации и транспортировки оборудования. Распределение массы по осям транспортного средства (УАЗ 23632) при размещении МТМ на грузовой платформе соответствует допустимым нормативам и не превышает 30 % от максимальной грузоподъёмности автомобиля.

Габаритные характеристики МТМ обеспечивают его компактное размещение: занимаемая площадь соответствует стандарту EUR-палеты и составляет 0,9 м² (1200 × 800 мм). Такая компоновка позволяет эффективно использовать рабочее пространство грузовой платформы, обеспечивает удобство погрузочно-разгрузочных операций и возможность быстрой развёртки модуля в полевых условиях. При этом сохраняется доступ к его основным узлам для технического обслуживания и контроля параметров процесса.

Дополнительно были зафиксированы вспомогательные параметры технологического процесса: температура нагрева при сушке поддерживалась в диапазоне 60–70 °C, что исключало термическую деструкцию полимерной матрицы и обеспечивало равномерное удаление растворителя. Степень однородности распределения наполнителя в объёме полимерной матрицы оценивалась визуально и методом оптической микроскопии — отмечено отсутствие крупных агломератов и равномерное распределение частиц минерального наполнителя по сечению листа.

Обсуждение. Полученные в ходе исследования результаты подтверждают реализуемость предложенного авторами способа получения композитного сорбента в мобильном исполнении, а также демонстрируют соответствие характеристик МТМ требованиям транспортировки и эксплуатации в условиях ограниченного пространства и сложной дорожной инфраструктуры.

Доказана техническая реализуемость размещения всех компонентов сорбционного комплекса на платформе выбранного транспортного средства (УАЗ 23632). При компоновке учитывались не только габаритные размеры оборудования, но и требования к устойчивости при транспортировке, балансировке нагрузки на оси автомобиля, а также к обеспечению доступа для обслуживания агрегатов в условиях ограниченного пространства. Результаты расчётов свидетельствуют о том, что суммарная масса оборудования, включая расходные материалы и элементы крепления, не превышает допустимую грузоподъёмность УАЗ 23632, а распределение нагрузки соответствует требованиям безопасной эксплуатации.

Важным аспектом исследования стали результаты проведенной валидации разработанного МТМ с позиции его воспроизводимости и масштабируемости. Проверка возможности использования модуля проводилась в два этапа: посредством математического моделирования рабочих режимов оборудования и путём сопоставления результатов с данными, полученными на аналогичных образцах техники. Моделирование позволило оценить устойчивость технологических параметров (в том числе производительности и качества получаемого сорбента), это позволяет в будущем рассматривать различные варианты эксплуатации в различных климатических зонах и дорожных условиях.

Сопоставление с экспериментальными данными по существующим установкам подтвердило воспроизводимость ключевых показателей процесса при использовании оборудования с сопоставимыми техническими характеристиками.

Расчётные данные свидетельствуют о том, что для достижения целевых показателей работы МТМ достаточно воспроизвести установку с соблюдением заданных технических параметров — производительности, энергопотребления, температурно-временных режимов и соотношений компонентов сырья. При этом установлено, что технологический процесс получения композитного сорбента не является критичным для конструктивных особенностей отдельных агрегатов, входящих в состав модуля, определяющими факторами здесь выступают именно выходные параметры оборудования (расход, температура, давление, время контакта фаз), а не их конкретная реализация. Это существенно расширяет потенциал тиражирования предложенной схемы: исследователи и эксплуатационные службы могут адаптировать состав оборудования под имеющиеся ресурсы при условии сохранения регламентированных технологических режимов.

Авторами доказано, что выбор платформы УАЗ 23632 в сочетании с модульным принципом компоновки оборудования и воспроизводимостью технологического процесса обеспечивает высокую операционную гибкость МТМ и подтверждает его пригодность для применения в условиях, где традиционные методы ликвидации разливов оказываются неэффективными или технически невыполнимыми.

Заключение. В ходе проведенного исследования были рассчитаны время производства композитного сорбента, общая масса мобильного модуля и площадь, занимаемая технологическим оборудованием. Применение МТМ на практике обеспечит мобильность, исключит затраты на доставку сорбента, снизит логистические издержки и минимизирует экологическую нагрузку за счёт сокращения числа транспортных рейсов и связанных с ними выбросов CO₂. Переработка отходов пенополистирола также позволит уменьшить негативное влияние на окружающую среду. Эти выводы подтверждают полученный результат: разработанный авторами мобильный технологический модуль может быть использован для ликвидации разливов нефтепродуктов в труднодоступных районах и может быть рекомендован в качестве оборудования для ликвидации аварийных ситуаций.