Optimizing refinery water networks

By Steve Bakas

It is well know that many regions of the world suffer from increasing water scarcity and poor water quality. The resulting lack of clean water, not only for potable purposes, but also for industrial and agricultural use, combines to create significant strain in these regions. In response, governments are beginning to create regulations, or more strictly enforce existing regulation, to manage scarce water resources. Such is the case in Russia, for example, where regulations on water discharge are becoming more stringent and as a result, refineries and petrochemical plants are looking for solutions to comply.

Forward thinking companies have begun to take up the challenge to reduce water footprint and meet more stringent discharge requirements by adopting technologies that enable decreased water consumption through conservation and recycle strategies.

Significant water reduction can be obtained by cycling-up cooling water systems, which lowers wastewater load and decreases water make-up requirements. Eliminating steam losses and reducing steam system blowdown not only reduces water footprint, but saves energy. While these strategies reduce water consumption, they also create stress within the system that must be managed by careful selection of chemical treatments and excellent control of the water and process chemistry through on-line direct measurement and control of key chemical variables that are vital to system performance when operating in this region.

Cascading wastewater streams is also practiced to reduce water consumption. It is for example, not uncommon for refiners to use sour water stripper bottoms as desalter wash and/or other unit overhead water wash options. Additional opportunities are possible but situational.

The largest opportunity to impact water footprint and minimize outflow is to recycle plant wastewater, reducing water input needs primarily to make-up associated with losses due to evaporative cooling. In order to accomplish this, one must remove organic contamination and enough of the dissolved solids in the wastewater to reuse as cooling and boiler system make-up. Technologies such as membrane bioreactor (MBR), electrodialysis reversal (EDR), and reverse osmosis (RO) in the right combination are used today to make this happen.

When pursuing this kind of strategy, it is vital to recognize that the plant water network becomes interconnected in a way that was rarely the case in the past. Small changes in one part of the system will now ripple through the network. For example, a transient in the desalter caused by a crude change could result in significantly increased organic loading to the wastewater system, upsetting that part of the network and impacting the volume and quality of water back into the cooling system. If the desalter and cooling water systems' chemistry is not carefully measured and controlled, fouling of key heat exchangers could occur with resultant loss of efficiency and/or throughput. Understanding the interconnected plant water balance and the potential variation in quality throughout the system during normal and transient conditions is critical to designing and operating the water network in the new world of constrained resources.

These kinds of network challenges are not new to the refining or petrochemical industries. Regardless, their use and evolution has materialized at different points in time in various geographies and require thoughtful analysis in order to apply the right technology to the particular situation faced by the plant.

Just as the industry moved to optimize energy/heat exchange networks as energy costs rose, and hydrogen networks as significant hydrogen requirements came to pass with the advent of low sulfur fuels, we will see similar approaches to plant water networks as water moves from being "just a utility or commodity," to a scarce and precious resource to be managed.

Biography

Steve T. Bakas is the Global HPI/CPI Marketing Director at GE Power & Water, Water & Process Technologies. Steve joined GE in 2004 as NDT Strategic Platform Leader, with subsequent assignments leading Product Management and Marketing in Process Chemicals, Advanced Solutions, and Monitoring & Control Solutions. Prior to GE, Steve worked at UOP LLC for 24 years serving the refining and petrochemicals industries. He holds 8 patents and has a BS degree in Chemical Engineering from the University of Massachusetts, and an MBA from the University of Chicago Graduate School of Business.

Оптимизация сетей водоснабжения НПЗ

Хорошо известно, что многие регионы мира страдают от растущего дефицита и низкого качества воды. Отсутствие чистой воды как для питьевых целей, так и для промышленного и сельскохозяйственного использования создает значительные трудности в этих регионах. В ответ на это правительства начинают издавать законы или более строго применять существующее законодательство в целях контроля над скудными водными ресурсами. Так, например, обстоит дело в России, где правила расхода воды становятся все более жесткими, в результате чего нефтеперерабатывающие и нефтехимические заводы ищут пути решения данной проблемы в целях соблюдения законодательства.

Дальновидные компании стали ставить перед собой задачу сокращения потребления водных ресурсов и соответствия более строгим требованиям расхода воды путем использования технологий, позволяющих снизить потребление воды с помощью стратегий сохранения и переработки.

Значительное уменьшение потребления воды может быть достигнуто с помощью циркуляционной системы подачи охлаждающей воды, которая уменьшает количество отработанной воды и снижает требования по обработке воды. Исключение потери пара и сокращение продувки паровой системы не только снижает потребление воды, но также позволяет сэкономить энергию. В то время как эти стратегии сокращают потребление воды, они также создают нагрузку в системе, которая должна управляться с помощью тщательного выбора способов химической обработки и четкого контроля воды и химической технологии с использованием интерактивного прямого измерения и контроля ключевых химических переменных, которые являются жизненно важными для производительности системы при работе в данном регионе.

Потребление воды также планируется сократить с помощью каскадирования потоков отработанной воды. Например, для нефтеперерабатывающих компаний не является редкостью использование днища установок очистки кислой воды в качестве опреснителя и (или) других способов надземной промывки. Возможно использование других способов в зависимости от ситуации.

Самой большой возможностью воздействовать на потребление воды и сведение оттока к минимуму является рециркуляция отработанной воды завода, что позволяет сократить количество поступающей воды и использовать главным образом подпиточную воду, потери которой связаны с испарительным охлаждением. Для этого нужно удалить органические загрязнения и достаточное количество растворенных твердых веществ в отработанной воде, что позволит повторно использовать ее в качестве подпиточной воды для систем охлаждения и котельных. Такие технологии, как мембранный биореактор (МБР), обратный электродиализ (ОЭД) и обратный осмос (ОС), используемые сегодня в правильном сочетании, позволяют осуществить данную задачу.

При реализации такого рода стратегии важно осознавать, что сеть водоснабжения на заводах в настоящее время более взаимосвязана, чем раньше. Небольшие изменения в одной части системы отразятся на всей сети. Например, переходное состояние в опреснителе, вызванное изменением сырья, может привести к значительному увеличению органической загрузки системы очистки отработанных вод, негативно отражаясь на этой части сети, а также на объеме и качестве воды, подающейся обратно в систему охлаждения. Если химический состав опреснителя и системы подачи охлаждающей воды тщательно не измеряется и не контролируется, может произойти загрязнение ключевых теплообменников, что в свою очередь приведет к потере эффективности и (или) пропускной способности. Понимание взаимосвязанности водного баланса завода и потенциальных изменений качества всей системы в нормальных и переходных режимах имеет решающее значение для разработки и эксплуатации сетей водоснабжения в новом мире ограниченных ресурсов.

Такие задачи, связанные с сетями, не являются новыми для нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Несмотря на это, их использование и эволюция материализовались в разное время и в разных регионах, что требует тщательного анализа в целях применения правильной технологии в конкретной ситуации, в которой находится завод.

Подобно тому, как промышленность перешла к оптимизации сетей энергии/теплообмена при росте расходов на энергию, а также водородных сетей - при росте потребности в водороде с появлением низкосернистого топлива, мы станем свидетелями аналогичного подхода к сетям водоснабжения заводов по мере того, как вода перестанет быть "просто объектом коммунальных услуг или товаром" и превратится в дефицитный и ценный ресурс, нуждающийся в контроле.

Biography

Стив Т. Бакас - маркетинговый директор по мировой нефтеперерабатывающей и химической промышленности в компании GE Power & Water, Water & Process Technologies. Пришел в GE в 2004 году; до этого 24 года работал в компании UOP LLC в области нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности. Имеет 8 патентов и степень бакалавра по химической инженерии Университета штата Массачусетс, США, а также степень магистра Высшей школы бизнеса при Чикагском университете.