способ ультразвукового обессеривания ископаемых топлив в присутствии диалкиловых эфиров. Обработка нефти ультразвуком


Ультразвуком обработка - Справочник химика 21

    Авторами проведено исследование влияния ультразвуковой обработки на групповой химический состав мазутов и гудронов (табя. I) при частоте ультразвука 22 кГц. йксперименты проводили с использованием УЗДН-2Т и роторного диспергатора. Кроме нефтяных остатков в чистом виде изучен мазут с буроугольной пылью (ЕУП). характеризующейся высокой степенью дисперсности. В результате исследования показано, что с увеличением времени обработки западносибирского мазута происходит увеличение содержания дистиллятных фракций, выкипающих до 350 и 500°С до 10% для фракции н.к. - 350°С и 20% для фракции н.к. - 500°С. [c.122]     Седиментометрические и реологические исследования, а также поляризационная микроскопия позволили объяснить действие ультразвука на процесс кристаллизации твердых углеводородов при депарафинизации и обезмасливании. При обработке суспензий твердых углеводородов ультразвуком разрушаются связи между кристаллами твердых углеводородов, что приводит к разрушению образованной ими пространственной структуры при дальнейшем охлаждении эта структура не восстанавливается. Сами же кристаллы парафина при обработке ультразвуком почти не разрушаются. В результате резко снижается структурная вязкость системы и исчезает динамическое предельное напряжение при сдвиге. Все это создает условия для роста кристаллов с образованием агрегатов, обусловливающих высокие скорость и четкость отделения твердой фазы от жидкой, что приводит к увеличению скорости фильтрования, выхода депарафинированного масла и снижению содержания масла в твердой фазе. Однако применение метода ультразвуковой обработки суспензий твердых углеводородов при депарафинизации и обезмасливании пока не вышло из стадии лабораторных исследований. [c.163]

    С целью увеличения степени очистки газов смачивают поверхности осаждения, вводят в газ жидкость, чем достигают увлажнения и укрупнения частиц. Укрупнение частиц достигается также обработкой газа ультразвуком [5.2, 5.58] или воздействием электрического и магнитного полей [5.64]. Гидравлическое сопротивление электрофильтров 150—200 Па. Расход электроэнергии на 1000 очищаемого газа от 0,12 до 0,20 кВт-ч. В электрофильтрах улавливается пыль с диаметром частиц более 5 мкм. В результате разделения системы Г — Т образуется газ и твердый остаток, содержащий за счет сорбции на поверхности своих частиц молекулы газообразных соединений. Санитарная очистка газов от пыли данным методом, как правило, не обеспечивается. Уловленные частицы подлежат использованию либо дополнительной переработке. [c.471]

    МЕТАЛЛУ РГ. ЭФФЕКТЫ УЛЬТРАЗВУКОВ. ОБРАБОТКИ гл. X [c.246]

    На практике применяются многочисленные виды процессов травления анодное и катодное травление, очистка ультразвуком, обработка в расплавленных солях и много различных механических способов очистки. Всегда желательно выбрать наиболее дешевый, быстрый и эффективный способ, но для этого требуется достаточно большой опыт. [c.158]

    Ультразвуковой метод обработки газов и жидкостей [5.2, 5.55, 5.58]. Метод основан на воздействии ультразвуковых колебаний на системы Г — Т, Ж —Т, Ж1 — Жг, Г — Ж. Под действием ультразвука получают устойчивые эмульсии двух несмешивающих-ся жидкостей, измельчают твердые тела, повышая дисперсность частиц и устойчивость суспензий, диспергируют жидкость в газе с образованием тумана из частиц диаметром 0,5—5 мкм. В то же время воздействие звуковых колебаний на дисперсные системы (дымы, пыли, туман и т. д.) при определенных условиях приводит к быстрой коагуляции аэрозолей и взвесей с образованием осадков. Ультразвуковые волны при прохождении через жидкость способствуют ее дегазации и ускоряют диффузионные процессы. В 3—4 раза ускоряются сорбционные процессы при ионообменной [c.483]

    Для разделения системы Г —Ж применяются волокнистые фильтры из синтетических волокон. Гидравлическое сопротивление 5—60 Па, эффективность улавливания аэрозолей, туманов выше 99 %. Скорость газа 0,5—1,5 м/с. Капли тумана и аэрозоли за счет сил адгезии прилипают к поверхности ткани и по мере накопления и укрупнения стекают в приемные емкости. Обработка газов ультразвуком и в электромагнитном поле увеличивает степень очистки. Уловленная жидкость содержит —в пределах растворимости — химические соединения, находящиеся в газе, и ее использование зависит от количества в ней загрязнений. Санитарную очистку газов метод, как правило, не обеспечивает [5.64, 5.67]. [c.474]

    Поэтому для ускорения процесса разрушения эмульсии ее наряду с отстоем одновременно подвергают и другим мерам воздействия, направленным на укрупнение капель воды, увеличение разности плотностей, снижение вязкости нефти. Основными мерами являются подогрев эмульсии (термообработка) введение в нее деэмульгатора (химическая обработка) применение электрического поля (электрообработка). Существуют и другие меры воздействия на эмульсию, например перемешивание, вибрация, обработка ультразвуком, фильтрация, способствующие в основном укрупнению капелек воды. [c.34]

    При обработке суспензий дистиллятных продуктов ультразвуком разрушаются связи между кристаллами суспензии [136—140]. При дальнейшем охлаждении они не восстанавливаются, и монодисперсность системы резко возрастает. Сами кристаллы парафина при обработке ультразвуком почти не разрушаются. В результате озвучивания резко снижается структурная вязкость и исчезает динамическое предельное напряжение сдвига. Метод воздействия ультразвуком применим как для депарафинизации, так и для обезмасливания дистиллятного сырья. [c.155]

    Качество сварных швов проверяют просвечиванием. Для выявления внутренних раковин и трещин перед окончательной механической обработкой сварные и цельнокованые цилиндры проверяют ультразвуком. Контроль цилиндров на отсутствие микротрещин производят после окончательной обработки внутренней поверхности и радиальных каналов. [c.327]

    Для того чтобы разрушить эмульсии, в промышленной практике применяются следующие процессы 1) механические — фильтрование, обработка ультразвуком 2) термические — подогрев и отстаивание нефти от воды, промывка горячей водой 3) электрические — обработка в электрическом поле переменного и постоянного тока  [c.112]

    В аналогичном эксперименте при использовании механического перемешивания, после обработки в течение двух минут выход свинца составлял всего 50% против 90% при использовании ультразвука. Кроме того, ультразвук способствует дестабилизации образующейся эмульсии и тем самым — более легкому разделению фаз. Потребление энергии в проточной ячейке составляет примерно 0,020 кВт ч на кг масла. [c.367]

    Некоторые высокомолекулярные вещества деполимеризуются при механической обработке (размол, вальцевание, ультразвук и т. д.). Так, полистиролы деполимеризуются в шаровых мельницах, причем их молекулярный вес доходит до 10  [c.949]

    Наименование Исходный После обработки ультразвуком [c.67]

    Оптимальными условиями обработки сточных вод с целью отделения взвешенных частиц являются время обработки 10 мин, частота ультразвуковых колебаний 0,4—1 МГц при интенсивности 1—2 Вт/см2. При частотах 100—450 КГц происходит полное разложение ксантагенатов и до 40 % таких соединений, как фенол, цианиды и др. Скорость распада органических соединений зависит от интенсивности ультразвука, концентрации соединений и, в основном, от присутствия в воде окислителей. Так, при ультразвуковой обработке скорость окисления цианидов хлорной известью увеличивается в 1,5—2 раза. [c.484]

    Удобнее встраивать УЗ-волновод в дно реактора (рис. 10). При этом в случае обработки стационарною слоя исчезает проблема учета изменения высоты обрабатываемого слоя, связанная с оттоком легких фракций. Интенсивность (амплитуду) У 3-поля необходимо рассчитывать с тем условием, чтобы энергия его силового воздействия превышала энергию броуиовског о движения, но не приводила к появлению крупномасштабных конвекционных течений. Ультразвук в жидкости, как правило, представляет собой продольные упругие волны. Амплитуда УЗ-поля задаст разницу перепада давлений между точками максимума и минимума, а частота определяет расстояние между ними, то есть задает величину градиента давления. Таким образом, градиент давления, а, следовательно, степень усиления флуктуаций, можно ре1 улировать, изменяя как частоту, так и интенсивность УЗ-поля. [c.25]

    Гранулы дезактивированного катализатора (размером 5— 10 мм) покрыты налетом серовато-желтого цвета, и верхний выщелоченный слой обладает довольно высокой механической прочностью. При обработке дезактивированного катализатора кипящей 10%-ной щелочью водород не выделяется. Внутри гранул дезактивированного катализатора имеется невыщелоченный сплав, из которого после удаления пленки может быть получен полноценный катализатор. Попытки восстановить дезактивированный катализатор путем обработки воздухом при 300—500 °С с последующим механическим удалением дезактивированного слоя с поверхности гранул, обработкой нагретым водородом, применением ультразвука и химической обработкой не дали положительных результатов. [c.159]

    Обработка сырьевых суспензий ультразвуком. При фильтрации обработанных ультразвуком суспензий дистиллятных продуктов скорость фильтрации возрастает в 1,5—2 раза, а содержание масла в гаче уменьшается в 2—4 раза [136—140]. Суспензии следует озвучивать в течение 3—15 мин при температуре на 8—10°С ниже температуры начала кристаллизации и интенсивности ультразвукового поля 1.2—3,5 Ультразвуковое облучение суспензии [c.154]

    При ультразвуковом исследовании изделия его поверхность должна быть обработана до шероховатости не выше 2,5. При более иизком классе чистоты обработки ухудшаются условия ввода и приема ультразвука и увеличивается погрешность измерения.  [c.481]

    Материалом для пластин кольцевых и дисковых клапанов служит листовая сталь марок Х15Н9Ю, 3X13 или ЗОХГСА. К стали, идущей на изготовление клапанных пластин, предъявляются повышенные требования. Не допускается наличие неметаллических включений, волосовин, закатов и расслоений. Для повышения чистоты металла перед прокатом заготовку подвергают механической обработке и проверяют ультразвуком отсутствие в ней внутренних пороков. [c.356]

    Параматры ультразвука и время обработки растворителя остались прежними. Полученные результаты занесены в табл.2.9. [c.35]

    Фридаан В,М. Физико-химическое действие ультразвука на гетерогенные процессы жидкостной обработки материалов. Применение ультразвука в химико-технологичеоких процессах,-М.,1960.- С. 107-118,  [c.44]

    Таким образом, при акустическом воздействии на ЛГКК происходит уплотнение (конденсация) надмолекулярных образований и перераспределение углеводородных структур вследствие инициирования радикальных частиц за счет энергии, вносимой в дисперсную систему ультразвуковым полем. Изменение энергетического состояния ЛГКК при обработке ультразвуком оценивалось по показателю концентраций парамагнитных центров (ШЦ) с помощью прибора РЭ 1301 а ходе термолиза (до 190°С). Изменение концентрации ЛЛЦ в зависимости от температуры приведено на рис. б. [c.69]

    Контролируемыми параметрами в процессе экспериментов являлись размеры и распределение частиц дисперсной фазы до и после ультразвуковой обработки, определяемые по фотографиям, полученным на микроскопе с кратностью увеличения 160. Метод определения размеров частиц сводился к фиксации массы конкретного класса частиц на участке фотографии. Распределение частиц по размерам в исходных образцах до и после обработки их ультразвуком показано в табл. 4.3. Как видно, после ультразвуковой обработки размеры частиц дисперсной фазы уменьшаются, при одновременном значительном росте числа частиц с одинаковыми размерами, то есть испытуемая система становилась более однородной. Из физико-химических характеристик саж было видно, что в результате ультразвуковой обработки сырья значитель-1Ю снижается отсев 014К, характеризующий наличие коксовых частиц в техническом углероде, и повышается значение показателя толуольного экстракта, характеризую щего чистоту поверхности технического углерода, полноту процесса сажеобразова-ния. Дальнейшие рекомендации, сделанные на базе проведенных исследований по оптимальной интенсивности воздействия на сырьевые композиции, позволили значительно улучшить показатели процесса производства технического углерода. [c.82]

chem21.info

способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия - патент РФ 2535793

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам обезвоживания нефти. Изобретение касается способа разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия, включающего процесс обработки эмульсии деэмульгатором, ультразвуком и процесс отстаивания, при этом предварительно определяется оптимальный уровень удельной акустической мощности ультразвука, позволяющий достичь минимальной доли воды в нефти, а отстаивание эмульсии осуществляют в процессе обработки ультразвуком. Технический результат - способ позволяет в 2-4 раза сократить время отстаивания и капитальные затраты на обезвоживание нефти. 1 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл., 2 пр.

Рисунки к патенту РФ 2535793

Изобретение относится к нефтяной промышленности, в частности к способам обезвоживания нефти.

Известно, что под влиянием звуковых колебаний между частицами, колеблющимися в акустическом поле, возникают силы притяжения и отталкивания. В водонефтяных эмульсиях такие силы притяжения между каплями воды способствуют их сближению, коалесценции и последующему осаждению в отдельную фазу. Приводится, что эмульсии глицерина с водой и гексана с парафином расслаиваются при обработке ультразвуком с частотой 1 МГц и интенсивностью 2 Вт/см2 (Бергман Л. Ультразвук и его применение в науке и технике / под ред. B.C. Григорьева и Л.Д. Розенберга. - М.: Издательство иностранной литературы, 1957. - 727 с.).

Недостатками данного способа являются невысокая степень разделения веществ и необходимость длительного отстаивания эмульсии после ультразвукового воздействия.

Наиболее близкими по технической сущности являются способ и устройство для деэмульсификации эмульсии вода-нефть посредством воздействия ультразвука (см. пат. RU № 2339679, МПК 7 C10G 33/00, опубл. 27.11.2008 г.), включающие этап формирования потока эмульсий вода-нефть через область воздействия ультразвука вдоль направления потока. При этом создают попутную ультразвуковую волну, направление распространения которой совпадает с направлением потока эмульсий, и противоточную ультразвуковую волну, направление распространения которой противоположно направлению потока эмульсий. На передней и задней сторонах устройства установлены ультразвуковые преобразователи. После деэмульсификации эмульсии вода-нефть осаждают под действием силы тяжести и разделяют или осаждают и разделяют в электрическом поле для обезвоживания.

Недостатком данного способа является необходимость длительного отстаивания водонефтяной эмульсии после ультразвукового воздействия для обезвоживания нефти.

Техническими задачами предлагаемого способа являются сокращение времени отстаивания и снижение капитальных затрат для обезвоживания нефти.

Технические задачи решаются способом разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия, включающим процесс обработки эмульсии деэмульгатором, ультразвуком и процесс отстаивания.

Новым является то, что предварительно определяется оптимальный уровень удельной акустической мощности ультразвука, позволяющий достичь минимальной доли воды в нефти, а отстаивание эмульсии осуществляют в процессе обработки ультразвуком.

Новым является также то, что дополнительно определяется высокий уровень удельной акустической мощности ультразвука, позволяющий за минимально возможное время достичь доли воды в нефти ниже порогового значения, при этом проводят последовательную обработку эмульсии ультразвуком с высоким и оптимальным уровнями удельной акустической мощности.

При высоком уровне удельной акустической мощности ультразвука происходит быстрое отделение основного количества воды, но при таком воздействии возрастает роль процессов диспергирования, что не позволяет добиться высокой глубины обезвоживания нефти. При оптимальном уровне удельной акустической мощности ультразвука максимально интенсифицируются процессы коалесценции капель воды и минимизируются процессы диспергирования, что позволяет достичь максимального эффекта по глубине обезвоживания нефти.

На фиг. 1 и 2 представлены графики, поясняющие способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия.

Для определения значений высокого и оптимального уровней удельной акустической мощности ультразвука заданный образец водонефтяной смеси, состоящей из воды и нефти или воды, нефти и деэмульгатора (Смирнов Ю.С. Применение деэмульгаторов для подготовки нефти на промыслах // Нефтепромысловое дело: - обзорная информация. - 1987. - вып. 20. - 44 с.), обрабатывают ультразвуком с фиксированной частотой колебаний при разных значениях удельной акустической мощности (от минимального до максимального значений) из имеющегося диапазона удельной акустической мощности, определяют остаточную долю воды в образце водонефтяной смеси после обработки ультразвуком при каждом значении удельной акустической мощности и фиксируют время обработки. За оптимальный уровень удельной акустической мощности ультразвука принимается значение удельной акустической мощности, при котором достигается минимальная доля воды в нефти после обработки ультразвуком. За высокий уровень удельной акустической мощности ультразвука принимается значение удельной акустической мощности, при котором за минимально возможное время достигается доля воды в нефти ниже порогового значения. Эмпирическим путем для каждой частоты ультразвука выбирается пороговое значение доли воды в нефти, которое обычно составляет от 2 до 16%.

Для каждой фиксированной частоты ультразвука и для каждой водонефтяной смеси опытным путем определяются свои значения оптимального и высокого уровней удельной акустической мощности ультразвука.

В таблице приведены значения высокого и оптимального уровней удельной акустической мощности ультразвука и времени обработки при частоте ультразвука от 20 до 1000 кГц, температуре нагрева 85°C, концентрации деэмульгатора (Интекс-720, Рекод-118 А2/3 и др.) 50 г/т на примере разрушения эмульсии сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения с применением ультразвукового воздействия. Исходная доля воды в эмульсии составляла 50%. В данном случае при обработке эмульсии ультразвуком с частотой от 20 до 1000 кГц пороговые значения доли воды в нефти составляют от 16 до 2% соответственно, что соответствует отделению основной части воды (от 81 до 98% соответственно) от нефти за минимально возможное время.

Пример 1 (фиг. 1)

Условия процесса обезвоживания сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения: температура нагрева - 85°C, концентрация деэмульгатора (Интекс-720, Рекод-118 А2/3 и др.) -50 г/т, частота ультразвука - 100 кГц.

При данных условиях оптимальному уровню удельной акустической мощности ультразвука соответствует значение 10 Вт/дм 3, при котором достигается минимальная массовая доля воды в нефти 0,9% (время обработки 2 ч).

Обезвоживание нефти без обработки ультразвуком (линия 1) позволяет за 4 ч отстаивания эмульсии снизить массовую долю воды с 50 до 41%. Ультразвуковое воздействие на эмульсию в течение 5 мин с удельной акустической мощностью 10 Вт/дм3 с последующим отстаиванием (линия 2) снижает массовую долю воды в нефти до 0,9% за 4 ч. Отстаивание эмульсии в процессе обработки ультразвуком с удельной акустической мощностью 10 Вт/дм3 в течение 2 ч (линия 3) позволяет в 2 раза сократить время для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,9%. Сокращение времени для обезвоживания нефти в 2 раза позволяет уменьшить объем отстойного оборудования и в 2 раза снизить капитальные затраты.

Пример 2 (фиг. 2)

Условия процесса обезвоживания сверхвязкой нефти Ашальчинского месторождения: температура нагрева - 85°C, концентрация деэмульгатора (Интекс-720, Рекод-118 А2/3 и др.) -50 г/т, частота ультразвука - 100 кГц.

При данных условиях высокому уровню удельной акустической мощности ультразвука соответствует значение 200 Вт/дм3 (линия 4), при котором за время обработки 5 мин (минимально возможное время) достигается массовая доля воды в нефти 5% (выбранное пороговое значение доли воды в нефти при частоте 100 кГц), оптимальному уровню удельной акустической мощности ультразвука соответствует значение 10 Вт/дм 3 (линия 5), при котором достигается минимальная массовая доля воды в нефти 0,9% (время обработки 2 ч).

Последовательная обработка эмульсии ультразвуком с высоким уровнем удельной акустической мощности 200 Вт/дм3 в течение 5 мин (линия 4 ) и последующая обработка в течение 1 ч с оптимальным уровнем удельной акустической мощности 10 Вт/дм3 (линия 5 ) позволяет примерно в 2 раза сократить время обработки эмульсии ультразвуком до 1 ч 5 мин для обезвоживания нефти до массовой доли воды 0,9%. В сравнении с раздельной обработкой ультразвуком и отстаиванием эмульсии (линия 2, фиг. 1) последовательная обработка эмульсии с высоким и оптимальным уровнями удельной акустической мощности позволяет примерно в 4 раза сократить время для обезвоживания нефти и, соответственно, примерно в 4 раза снизить капитальные затраты на отстойное оборудование.

Выбор способа разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия по примеру 1 или примеру 2 определяется экономической эффективностью данного способа по минимальным суммарным затратам на отстаивание и обработку ультразвуком различной мощности.

Предлагаемый способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия позволяет в 2-4 раза сократить время отстаивания и капитальные затраты на обезвоживание нефти.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия, включающий процесс обработки эмульсии деэмульгатором, ультразвуком и процесс отстаивания, отличающийся тем, что предварительно определяется оптимальный уровень удельной акустической мощности ультразвука, позволяющий достичь минимальной доли воды в нефти, а отстаивание эмульсии осуществляют в процессе обработки ультразвуком.

2. Способ разрушения водонефтяной эмульсии с применением ультразвукового воздействия по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяется высокий уровень удельной акустической мощности ультразвука, позволяющий за минимально возможное время достичь доли воды в нефти ниже порогового значения, при этом проводят последовательную обработку эмульсии ультразвуком с высоким и оптимальным уровнями удельной акустической мощности.

www.freepatent.ru

способ ультразвукового обессеривания ископаемых топлив в присутствии диалкиловых эфиров - патент РФ 2287551

Данное изобретение относится к области обессеривания нефти и топлив путем воздействия на них ультразвуком. Способ непрерывного удаления сульфидов из жидкого ископаемого топлива включает смешение топлива, водной среды и диалкилового эфира, имеющего точку кипения при нормальном давлении 25°С или выше, и имеющего формулу R1OR2, в которой R1 и R 2 являются отдельными одновалентными алкиловыми группами и общее число атомов углерода в R1 и R2 от 3 до 7, с образованием многофазной реакционной среды. Многофазную реакционную среду пропускают через ультразвуковую камеру в непрерывном проточном режиме, в которой ультразвук воздействует на многофазную реакционную среду в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать превращение сульфидов в содержащем сульфиды жидком ископаемом топливе в сульфоны. Выходящая из ультразвуковой камеры многофазная реакционной среда самопроизвольно расслаивается на водную и органическую фазы. Органическую фазу отделяют от водной фазы в виде ископаемого топлива с удаленными сульфидами. Изобретение позволяет эффективно снижать содержание серы в исходном сырье. 18 з.п. ф-лы.

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение принадлежит к области обессеривания нефти и топлив на основе нефти путем воздействия на них ультразвуком.

Предшествующий уровень техники

Ископаемые топлива являются самым большим и наиболее широко используемым в мире источником энергии, обеспечивая высокую эффективность, надежные рабочие характеристики и относительно низкие цены. Существует много разных типов ископаемых топлив, начиная от нефтяных фракций до угля, битуминозных песков и горючих сланцев с диапазоном областей применения от персонального применения, такого как автомобильные двигатели и домашнее отопление, до применения в промышленной сфере, например котлы, печи, плавильные установки и электростанции.

К сожалению, в большинстве случаев ископаемые топлива содержат серу, обычно в виде сераорганических соединений. Сера вызывает коррозию в трубопроводах и перекачивающем и холодильном оборудовании, а также преждевременный отказ двигателей внутреннего сгорания. Сера также отравляет катализаторы, используемые при очистке и сжигании ископаемых топлив. Из-за отравления ею каталитических преобразователей в автомобильных двигателях сера частично является причиной выброса оксидов азота (NOx) у грузовиков и автобусов с дизельными двигателями. Сера также ответственна за твердые выбросы (сажу) у грузовиков и автобусов, поскольку высокосернистые топлива имеют тенденцию разрушать используемые на этих транспортных средствах сажевые ловушки. Одной из самых больших проблем, создаваемых соединениями серы, является их превращение в диоксид серы при сгорании. При выпуске в атмосферу диоксид серы приводит к кислым дождям, которые вредны для сельского хозяйства, живой природы и здоровья человека.

Закон о чистом воздухе от 1964 года с последующими поправками касается проблемы серы в ископаемых топливах, устанавливая нормы на выбросы серы. К сожалению, выполнять эти нормы трудно и разорительно. В соответствии с названным законом Агентство по защите окружающей среды (АЗОС) Соединенных штатов установило высший предел на содержание серы в дизельном топливе, равный 15 миллионных долей по весу (вмд), который должен войти в силу с середины 2006 года, что является очень серьезным снижением нормы в 500 вмд, предусмотренной до этого срока существующим законодательством. Для бензина реформинга АЗОС снизил норму до 30 вмд с 1 января 2004 года по сравнению 500 вмд, предусмотренной до этого срока тем же законодательством.

Аналогичные изменения были произведены в Европейском союзе, который введет в силу в 2005 году ограничение предела содержания серы до 50 вмд как на бензин, так и на дизельное топливо.

В связи с этими законодательными мерами существует постоянная потребность в более эффективных способах обессеривания. Обработка топлив с целью достижения достаточно низких выбросов серы, которые бы удовлетворили эти требования, является трудной и дорогостоящей, что неизбежно приводит к повышенным ценам на топливо, оказывая тем самым капитальное влияние на мировую экономику.

Основным способом обессеривания ископаемых топлив в предшествующем уровне техники является гидрообессеривание - способ, в котором ископаемое топливо вводят в реакцию с газообразным водородом при повышенных температуре и давлении в присутствии катализатора. Это приводит к восстановлению органической серы до газообразного h3 S, который затем окисляют до элементной серы с использованием процесса Клауса. К сожалению, остается значительное количество непрореагировавшего h3S, который является серьезной угрозой для здоровья человека.

Другая трудность при гидрообессеривании состоит в том, что когда его проводят в более жестких условиях, необходимых для достижения низкого содержания серы, возникает повышенный риск утечки водорода через стенки реактора.

Гидрообессеривание имеет также ограничения в том, что касается типов сераорганических соединений, которые с его помощью можно удалять. Меркаптаны, тиоэфиры и дисульфиды, например, удаляются с помощью этого способа относительно легко, в то время как другие серосодержащие органические соединения, такие как ароматические соединения, циклические соединения и полициклические соединения, удаляются труднее. Тиофен, бензотиофен, дибензотиофен, другие тиофены с конденсированным ядром и замещенные варианты этих соединений особенно трудно удаляются с помощью гидрообессеривания. Эти соединения составляют до 40% от общего содержания серы в нефтях с Ближнего Востока и 70% содержания серы в нефти из западного Техаса. Условия реакции, необходимые для удаления этих соединений, являются настолько жесткими, что попытки удалить эти соединения часто приводят к разложению самого топлива, ухудшая тем самым его качество.

К настоящему изобретению имеет отношение предмет патента США 6402939 от 11 июня 2002 года "Окислительное обессеривание ископаемых топлив с помощью ультразвука", изобретатели Teh Fu Yen et al., предмет патента США 6500219 от 31 декабря 2002 года "Способ непрерывного окислительного обессеривания ископаемых топлив с помощью ультразвука и получаемые продукты", изобретатель Rudolf W. Gunneman и предмет патентной публикации США 2003 0051988 A1, опубликованной 23 марта 2003 года, под названием "Обработка нефтяных фракций, ископаемых топлив и их продуктов ультразвуком", изобретатель Rudolf W. Gunneman. Все эти три патентных документа приведены в настоящей заявке в качестве ссылочного материала, чтобы показать уровень развития в данной области техники.

Краткое содержание изобретения

В настоящей работе обнаружено, что ископаемое (т.е. нефтяного происхождения) топливо может быть обессерено с помощью непрерывного процесса, в котором ультразвук воздействует на многофазную реакционную среду, которая содержит топливо, водную жидкость и диалкиловый эфир, причем после обработки ультразвуком реакционная среда самопроизвольно расслаивается на водную и органическую фазы, создавая тем самым возможность для немедленного выделения обессеренного ископаемого топлива в виде органической фазы путем простого разделения фаз.

Изобретение предлагает непрерывную проточную систему, в которой ископаемое топливо, водную жидкость и диалкиловый эфир подают в виде многофазной водно-органической реакционной среды в ультразвуковую камеру, где на смесь воздействуют ультразвуком, а выходящую из камеры реакционную среду отстаивают с целью разделения на водную и органическую фазы. После этого органическая фаза представляет собой обессеренное топливо, которое легко отделяют от водной фазы с помощью простой декантации.

В отличие от аналогичных способов обессеривания предшествующего уровня техники, настоящий способ позволяет достигнуть обессеривания без добавления перекиси водорода к топливу или водной жидкости.

Термины "обессеренный" и "лишенный серы" используются здесь вперемежку, и каждый из них предназначен для обозначения топлив, которые не содержат серу ни в какой форме, т.е. не содержат ни молекулярной серы, ни органических или неорганических соединений серы, или же они содержат настолько мало серы, что ее уровень не поддается детектированию традиционными методами детектирования. Термины "обессеренный" и "лишенный серы" используются также для того, чтобы включить в эти понятия топлива, у которых содержание серы (либо молекулярной серы, либо органических или неорганических соединений серы) значительно понижено по сравнению с ее содержанием в исходном ископаемом топливе и, преимущественно, до уровня ниже любого из верхних пределов, законодательно установленных или устанавливаемых, как упоминалось выше.

Эффективность способа иллюстрируют некоторые обычно присутствующие в ископаемом топливе сераорганические соединения. Этими соединениями являются дибензотиофен и родственные серосодержащие органические сульфиды. Эти соединения являются наиболее термостойкими сераорганическими соединениями в ископаемых топливах. Хотя возможны и другие объяснения, полагают, что названные сульфиды превращаются в предлагаемом процессе в соответствующие сульфоны, поскольку сульфоны обладают более высокой растворимостью в водной фазе и, следовательно, легче удаляются путем разделения фаз. Активируемая ультразвуком реакция, которая происходит при осуществлении настоящего изобретения, является селективной в отношении серосодержащих соединений ископаемых топлив, слабо или вообще не воздействуя на не содержащие серы компоненты ископаемого топлива. Непрерывная проточная природа настоящего изобретения позволяет обрабатывать большие количества ископаемого топлива при умеренных производственных расходах и малом времени пребывания в ультразвуковой камере. Эти и другие преимущества, признаки, области применения и варианты изобретения станут понятнее при знакомстве с приведенным ниже описанием.

Полное описание изобретения

Термин "жидкие ископаемые топлива" используется в настоящей заявке для обозначения любой углеводородной жидкости, которая происходит из нефти, угля или любого другого природного материала и которую используют для генерирования энергии для любого типа применения, включая применение в промышленности, применение в сельском хозяйстве, коммерческое применение, правительственные нужды и нужды потребителя. В число этих топлив входят автомобильные топлива, такие как бензин, дизельное топливо, топливо для реактивных двигателей, ракетное топливо, а также котельные топлива на основе нефтяных остатков, включая флотские мазуты и топочные мазуты. Топочные мазуты являются остаточными маслами, используемыми в качестве топлива, применяемого на судах и в промышленности, а также на крупных тепловых установках. Котельное топливо №6, которое известно как котельное масло типа "Bunker С", используют на работающих на мазуте электростанциях в качестве основного топлива, а также используют в качестве основного тягового топлива для судов с глубокой осадкой в области мореходства. Котельное топливо №4 и котельное топливо №5 используют для отопления больших зданий, таких как школы, многоквартирные дома и офисные здания, а также для больших стационарных судовых двигателей. Наиболее тяжелым котельным топливом является остаток вакуумной фракционной перегонки, обычно называемый "вакуумным остатком" с температурой кипения 565°С и выше, который обычно используют в качестве асфальта и сырья для коксования. Настоящее изобретение применимо для восстановления сернистого содержимого в любом из названных топлив, включая котельные топлива. В отдельных вариантах изобретения жидким ископаемым топливом является дизельное топливо в виде прямогонного дизельного топлива, стеллажного дизельного топлива (дизельное топливо, продаваемое потребителям на бензозаправочных станциях) и смесей прямогонного дизельного топлива с легким рецикловым маслом в соотношениях от 50:50 до 90:10 (прямогонное дизельное топливо:легкое рецикловое масло).

Степень снижения содержания серы, достигаемая с помощью настоящего изобретения, варьирует в зависимости от состава исходного топлива, включая количество общей серы, содержащейся в топливе, и форм, в которых эта сера присутствует. Степень снижения содержания серы варьируется также в зависимости от условий обработки ультразвуком и от того, рециркулировал или не рециркулировал продукт в ультразвуковую камеру перед его окончательным отводом и, если рециркулировал, от числа проведенных рециклов. В большинстве случаев изобретение позволяет получить топливный продукт, имеющий общее содержание серы ниже 100 вмд, преимущественно ниже 50 вмд, предпочтительнее ниже 25 вмд и, наиболее предпочтительно, ниже 15 вмд.

Как отмечалось выше, многие и возможно все обессеренные топлива, производимые с использованием описанного здесь способа, демонстрирует высокую воспламеняемость. Для дизельного топлива цетановый индекс, называемый также в технике "цетановым числом", является широко распространенной мерой топливных характеристик. Способ настоящего изобретения способен обеспечить производство дизельных топлив с цетановым числом выше 50,0 и во многих случаях выше 60,0. Изобретение способно также обеспечить производство дизельных топлив с цетановым числом от примерно 50,0 до примерно 80,0 и преимущественно от примерно 60,0 до примерно 70,0. Цетановый индекс, или число, имеет то же самое значение в настоящем описании, какое оно имеет у специалистов по автомобильным топливам. Аналогичные улучшения, выраженные в октановых оценках, получены и для бензинов.

Как также было отмечено выше, многие и возможно все продукты, полученные с помощью настоящего изобретения, обладают пониженной плотностью в градусах АНИ (Американского нефтяного института). Термин "плотность в градусах АНИ" используется в настоящей заявке в том же значении, в каком он используется специалистами по нефти и нефтепродуктам. В общем случае, термин предполагает шкалу измерений, принятую Американским нефтяным институтом, в которой значения на шкале уменьшаются с увеличением значений плотности. Шкала простирается от 0,0 (эквивалент плотности 1,076) до 100,0 (эквивалент плотности 0,6112). В случае дизельных топлив, обработанных согласно настоящему изобретению, плотность топливного продукта в градусах АНИ преимущественно выше 30,0 и, наиболее предпочтительно, выше 40,0. В ином выражении предпочтительная плотность дизельного топлива составляет от примерно 30,0 до примерно 60,0 и, наиболее предпочтительно, от примерно 40,0 до примерно 50,0.

Используемая в процессе настоящего изобретения водная жидкость может быть водой или любым водным раствором. Относительные количества жидкого ископаемого топлива и воды могут варьироваться и, хотя они могут оказать влияние на производительность процесса или удобство работы с жидкостями, критическими для процесса они не являются. В большинстве случаев, однако, наилучшие результаты будут достигнуты тогда, когда объемное отношение ископаемого топлива к водной жидкости составит от примерно 8:1 до примерно 1:5, преимущественно от примерно 5:1 до примерно 1:1 и, наиболее предпочтительно, от примерно 4:1 до примерно 2:1.

Диалкиловый эфир, который используется при осуществлении настоящего изобретения, является диалкиловым эфиром, имеющим точку кипения при нормальном давлении по меньшей мере 25°С и который может быть либо циклическим эфиром, либо ациклическим эфиром, выражаемым формулой R1OR2, в которой R1 и R2 являются либо отдельными одновалентными алкиловыми группами, либо они объединены в единую двухвалентную алкильную группу, в любом случае либо насыщенную, либо ненасыщенную, но предпочтительно насыщенную. Используемый в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения термин "алкил" включает как насыщенные, так и ненасыщенные алкильные группы. Вне зависимости от того, являются ли R1 и R2 двумя отдельными одновалентными группами или одной двухвалентной группой, общее число атомов углерода в R1 и R2 составляет от 3 до 7, преимущественно от 3 до 6 и, наиболее предпочтительно, от 4 до 6. В альтернативном определении диалкиловым эфиром является далкиловый эфир, молекулярный вес которого не превышает приблизительно 100. Примерами диалкиловых эфиров, которые можно было бы предпочесть при осуществлении настоящего изобретения, являются диэтиловый эфир, метил-трет-бутиловый эфир, метил-н-пропиловый эфир и метилизопропиловый эфир. Наиболее предпочтительным является диэтиловый эфир.

Количество используемого в реакционной смеси диалкилового эфира может варьироваться и не является для изобретения критическим. В большинстве случаев наилучшие результаты будут получены при объемном отношении эфира к ископаемому топливу в пределах от примерно 0,00003 до примерно 0,003 и предпочтительно в пределах от примерно 0,0001 до примерно 0,001. Диалкиловый эфир можно добавлять непосредственно либо к органической фазе, либо к водной фазе, но для удобства добавления эфира к той или другой фазе его можно также предварительно разбавить в подходящем растворителе. В предпочтительном в данном случае способе эфир вначале растворяют в керосине из расчета 1 объемной части эфира на 9 объемных частей керосина, и полученный раствор добавляют к котельному топливу перед вводом последнего в контакт с водной фазой.

В некоторых вариантах изобретения для ускорения реакции в реакционную систему включают металлический катализатор. Примерами таких катализаторов являются катализаторы на основе переходных металлов и преимущественно металлов с атомными номерами 21-29, 39-47 и 57-79. Особо предпочтительными металлами из этой группы являются никель, серебро, вольфрам (и вольфраматы) и их сочетания. Для некоторых систем в рамках изобретения пригодны катализаторы Фентона (соли железа[II]) катализаторы на основе ионов металлов, как правило, таких как катализаторы на основе железа[II], железа[III], меди[I], меди[II], хрома[III], хрома[VI] и вольфрама. Из них предпочтительными являются катализаторы на основе железа[II], железа[III], меди[II] и вольфрама. Для некоторых систем, таких как сырая нефть, предпочтителен катализатор типа катализаторов Фентона, в то время как для других, таких как дизельное топливо и другие системы, в которых важным компонентом является дибензотиофен, предпочтительны вольфраматы. В понятие вольфраматов включены вольфрамовая кислота, замещенные вольфрамовые кислоты, такие как фосфовольфрамовая кислота и вольфраматы металлов. В случае их присутствия металлические катализаторы используются в каталитически эффективных количествах, что подразумевает любое количество, которое ускоряет протекание реакции (т.е. повышение скорости реакции) в желаемом направлении, в особенности окисление сульфидов до сульфонов. Катализатор может присутствовать в виде металлических частиц, гранул, сеток или других форм, удерживаемых в ультразвуковой камере при пропускании реакционной среды физическими преградами камеры или другими ограничивающими средствами.

Дальнейшего улучшения эффективности изобретения часто можно достичь, предварительно нагревая ископаемое топливо, водную жидкость или и то и другое перед введением этих жидкостей в ультразвуковую камеру. Степень предварительного нагрева не является критической и может варьироваться в широких пределах, в то время как оптимальная степень зависит от конкретного ископаемого топлива и отношения водной фазы к органической. Как правило, наилучшие результаты получают при предварительном нагреве до температуры в пределах от примерно 50 до примерно 100°С. Для топлив с плотностью от примерно 20 до примерно 30 градусов АНИ предварительный нагрев проводят преимущественно от примерно 50 до примерно 75°С, в то время как для топлив с плотностью от примерно 8 до примерно 15 градусов АНИ предварительный нагрев проводят преимущественно от примерно 85 до примерно 100°С. При проведении предварительного нагрева следует обращать внимание на то, чтобы топливо не испарялось. Водную фазу можно нагревать до температуры вплоть до ее температуры кипения.

Используемый согласно настоящему изобретению ультразвук представляет собой звукоподобные волны с частотой выше области нормальной слышимости для человека, т.е. выше 20 кГц (20000 циклов в секунду). Генерируется ультразвуковая энергия с частотами до 10 ГГц (10000000000 циклов в секунду), но для целей изобретения полезные результаты достигаются при частотах в пределах от примерно 20 кГц до примерно 200 кГц и предпочтительно в пределах от примерно 20 кГц до примерно 50 кГц. Ультразвуковые волны могут генерироваться механическими, электрическими, электромагнитными или термическими источниками энергии. Интенсивность звуковой энергии также можно широко варьировать. Для целей настоящего изобретения наилучшие результаты обычно достигаются при интенсивности в пределах от примерно 30 до примерно 300 Вт/см2 или предпочтительно от примерно 50 до примерно 100 Вт/см2. Типичным электромагнитным источником является магнитострикционный преобразователь, превращающий магнитную энергию в звуковую энергию при приложении переменного магнитного поля к некоторым металлам, сплавам или ферритам. Типичным электрическим источником является пьезоэлектрический преобразователь, в котором используются природные или синтетические монокристаллы (такие как кварц) или керамические материалы (такие как титанат бария или цирконат свинца). При этом вдоль противоположных граней кристалла или керамического материала прилагается переменное электрическое напряжение, вызывающее попеременное расширение и сжатие кристалла или керамического материала с заданной частотой. Ультразвук широко применяется в таких областях как очистка в электронике, автомобильной и авиационной промышленности и в прецизионном приборостроении, измерение параметров потоков для закрытых систем, таких как охладители на атомных электростанциях или для кровотока в сосудистой системе, для тестирования материалов, механической обработки, пайки и сварки, в электронике, сельском хозяйстве, океанографии и методах медицинской визуализации. Специалистам в области ультразвуковой технологии хорошо известны разные способы производства и применения ультразвуковой энергии и поставщики ультразвукового оборудования.

Время пребывания многофазной реакционной среды в ультразвуковой камере не является критическим для осуществления или успеха изобретения, а оптимальное время пребывания будет зависеть от типа обрабатываемого топлива. Преимуществом изобретения, однако, является то, что высоких и полезных результатов можно достичь при относительно коротком времени пребывания. Как правило, наилучшие результаты получают при времени пребывания в пределах от примерно 8 сек до примерно 150 сек. Для топлив с плотностью от примерно 20 до примерно 30 градусов АНИ предпочтительное время пребывания лежит в пределах от примерно 8 до примерно 20 сек, в то время как для топлив с плотностью от примерно 8 до примерно 15 градусов АНИ предпочтительное время пребывания лежит в пределах от примерно 100 до примерно 150 сек. Сразу же после выхода многофазной среды из ультразвуковой камеры фазы самопроизвольно расслаиваются, после чего их сразу же разделяют с помощью декантации или других средств.

Дальнейших улучшений в производительности и эффективности способа можно достичь путем рециркулирования органической фазы в ультразвуковую камеру вместе со свежепоступающей водой. Для получения еще более высоких результатов рециркуляцию можно повторять, осуществляя в сумме три пропускания через камеру. Альтернативным образом выходящую из ультразвуковой камеры органическую фазу можно подвергнуть второй стадии ультразвуковой обработки в отдельной камере и возможно третьей стадии ультразвуковой обработки в третьей камере, подавая на каждую камеру свежую воду.

Хотя в процессе настоящего изобретения в водную фазу экстрагируется большое количество сернистых соединений, выходящая из ультразвуковой камеры органическая фаза может содержать остаточные количества сернистых соединений. Удобным путем удаления этих соединений являются традиционные методы экстракции полярных соединений из неполярной жидкой среды. Типичными из этих методов является адсорбционная экстракция с использованием адсорбентов, таких как силикагель, активированная окись алюминия, полимерных смол и цеолитов. Может быть также использована жидкостная экстракция полярными растворителями, такими как диметилформамид, N-метилпирролидон или ацетонитрил. Могут быть использованы разные органические растворители, которые либо не смешиваются, либо минимально смешиваются с ископаемым топливом. Одним из их примеров является толуол.

Ультразвук генерирует тепло. Поэтому с некоторыми ископаемыми топливами для сохранения контроля над реакцией предпочтительно удалять определенное количество тепла. Когда, например, бензин обрабатывается в соответствии с настоящим изобретением, целесообразно производить охлаждение реакторной среды в ультразвуковой камере. Охлаждение легко осуществимо с помощью традиционных средств, таких как применение охлаждающей рубашки с жидкостью или охладителя, циркулирующего через внутреннюю часть ультразвуковой камеры, например, в охлаждающем змеевике. Вода при атмосферном давлении является эффективным для этих целей охладителем. Когда охлаждение осуществляют погружением ультразвуковой камеры в охлаждающую баню или циркулирующий охладитель, температура охладителя может быть порядка 50°С или ниже, преимущественно -20°С или ниже и, более предпочтительно, в пределах от примерно -5°С до примерно 20°С. Способы или приборы, которые являются подходящими для охлаждения, очевидны для специалистов в данной области. В случае дизельного топлива охлаждение, как правило, не обязательно.

Приведенный ниже пример предлагается для целей иллюстрации и не предназначен для ограничения объема изобретения.

ПРИМЕР

Используется проточная ультразвуковая камера, содержащая внутреннюю металлическую сетку, на которой находится слой твердого металлического катализатора, состоящего из смеси хлопьев вольфрама и серебряных гранул, а над слоем катализатора помещен ультразвуковой датчик, чей нижний торец находится приблизительно в 5 см над слоем катализатора. Ультразвук подается на датчик от ультразвукового генератора следующего типа.

Поставщик: Sonica & Materials, Inc., Newtown, Connecticut, США

Электроснабжение: полезная выходная мощность 800 Вт (работа на 50%)

Напряжение: 120 В, однофазное

Ток: 10 А

Частота: 20 кГц

Сырую нефть смешивают с водой при объемном отношении 70:30, добавляя диэтиловый эфир, растворенный в керосине при объемном отношении эфир/керосин, равном 1:10, и объемном отношении 1 части эфира и керосиновой смеси к 1000 частям нефти (также по объему). Время пребывания двухфазной смеси в ультразвуковой камере равно приблизительно десяти секундам, а выходящий из камеры смешанный продукт разделяется на водную и органическую фазы. Органическая фаза была проанализирована на серу на анализаторе серы, модель SLFA-20, поставляемая фирмой Horiba Instruments, Knoxville, Tenessee, США.

В тестах с использованием в качестве исходного материала сырой нефти из Колорадо и Вайоминга, содержащих 3,5% серы, содержание серы было снижено до 1,5 и 1,1 мас.% соответственно.

В целях сравнения тот же самый тест был выполнен с использованием ди-н-бутилового эфира вместо диэтилового эфира. Это демонстрирует явное превосходство диэтилового эфира над ди-н-бутиловым эфиром в способе настоящего изобретения.

Предыдущее предложено прежде всего в целях иллюстрации. Другие изменения в материалах, добавках, рабочих условиях и оборудовании, которые не выходят за рамки изобретения, являются совершенно очевидными для специалистов в данной области.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Способ непрерывного удаления сульфидов из жидкого ископаемого топлива, включающий:

(a) смешение названного жидкого ископаемого топлива, водной среды и диалкилового эфира, имеющего точку кипения при нормальном давлении 25°С или выше, и имеющий формулу R1OR2, в которой R1 и R 2 являются отдельными одновалентными алкильными группами и общее число атомов углерода в R1 и R2 от 3 до 7, с образованием многофазной реакционной среды;

(b) пропускание многофазной реакционной среды через ультразвуковую камеру в непрерывном проточном режиме, в которой ультразвук воздействует на многофазную реакционную среду в течение времени, достаточного для того, чтобы вызвать превращение сульфидов в содержащем сульфиды жидком ископаемом топливе в сульфоны;

(c) самопроизвольное расслоение выходящей из ультразвуковой камеры многофазной реакционной среды на водную и органическую фазы;

и

(d) отделение органической фазы от водной фазы в виде ископаемого топлива с удаленными сульфидами.

2. Способ по п.1, в котором R 1 и R2 являются насыщенными алкильными группами.

3. Способ по п.1, в котором R1 и R2 являются насыщенными алкильными группами, а общее число атомов углерода в R1 и R2 составляет от 3 до 6.

4. Способ по п.1, в котором R1 и R2 являются насыщенными алкильными группами, а общее число атомов углерода в R1 и R2 составляет от 4 до 6.

5. Способ по п.1, в котором упомянутый диалкиловый эфир выбирают из группы, состоящей из диэтилового эфира, метил-трет-бутилового эфира, метил-н-пропилового эфира и метилизопропилового эфира.

6. Способ по п.1, в котором диалкиловым эфиром является диэтиловый эфир.

7. Способ по п.1, в котором дополнительно вводят в контакт многофазную реакционную среду с катализатором на основе переходного металла при одновременном воздействии ультразвуком.

8. Способ по п.8, в котором катализатор на основе переходного металла является элементом, выбираемым из группы, состоящей из металлов с атомными номерами 21-29, 39-47 и 57-79.

9. Способ по п.8, в котором катализатор на основе переходного металла является элементом, выбираемым из группы, состоящей из никеля, серебра, вольфрама и их комбинаций.

10. Способ по п.1, в котором на стадии (а) смешивают жидкое ископаемое топливо с водной средой при объемном отношении ископаемого топлива к водной среде от примерно 8:1 до примерно 1:5.

11. Способ по п.1, в котором на стадии (а) смешивают жидкое ископаемое топливо с водной средой при объемном отношении ископаемого топлива к водной среде от примерно 5:1 до примерно 1:1.

12. Способ по п.1, в котором на стадии (а) смешивают жидкое ископаемое топливо с водной средой при объемном отношении ископаемого топлива к водной среде от примерно 4:1 до примерно 2:1.

13. Способ по п.6, в котором объемное отношение диалкилового эфира к жидкому ископаемому топливу составляет от примерно 0,00003 до примерно 0,003.

14. Способ по п.6, в котором объемное отношение диалкилового эфира к жидкому ископаемому топливу составляет от примерно 0,0001 до примерно 0,001.

15. Способ по п.1, в котором дополнительно нагревают ископаемое топливо до температуры от примерно 50°С до примерно 100°С с последующим смешением ископаемого топлива с водной средой.

16. Способ по п.1, в котором стадию (d) проводят через три минуты после начала стадии (b).

17. Способ по п.1, в котором стадию (d) проводят через от примерно 8 до примерно 150 с после начала стадии (b).

18. Способ по п.1, в котором ископаемое топливо представляет собой топливо, имеющее плотность от примерно 20 до примерно 30° АНИ, температуру нагрева от примерно 50 до примерно 75°С перед его смешением с водной жидкостью, а стадию (d) проводят через примерно 8 до примерно 20 с после начала стадии (b).

19. Способ по п.1, в котором ископаемое топливо представляет собой топливо, имеющее плотность от примерно 8 до примерно 15° АНИ, температуру нагрева от примерно 85 до примерно 100°С перед смешением ископаемого топлива с водной средой, а стадию (d) проводят через примерно 100 до примерно 150 с после начала стадии (b).

www.freepatent.ru

Реферат: влияние ультразвука на реологические свойства нефти, цена: 770 руб.

Введение 31. Реологические особенности нефти 41.1. Понятие реологии и ее влияние на показатели нефти 41.2. Реология нефтей, обработанных ультразвуковым излучением 112. Влияние ультразвуковых волн на реологические показатели нефтей и ее составляющих.. 152.1. Методы активирования углеводородного сырья воздействием ультразвука 152.2. Модельный нефтепровод для изучения влияния физических полей на реологические показатели нефтей и водонефтяных эмульсий 182.3. Применение программного комплекса ANSYS/FLUENT при анализе транспортировки аномальных нефтей, обработанных ультразвуковым излучением 212.4. Влияние ультразвуковой обработки на вязкость битума как нефтесодержащего вещества 28Заключение 34Список использованных источников 35

Фрагмент для ознакомления

На рис. 3.2 представлена зависимость вязкости обрабатываемой нефтей от температуры. Исследования проводились в интервале от 20 до 80(С, в интервале от 20 до 40(С с более коротким температурным шагом. Обработка ультразвуковым излучением проводилась в течение двадцати минут, давление 100 кПа. Исходя из данных, представленных на графике, следует, что ультразвук мощностью 15 Вт/см2 при довольно продолжительном воздействии производит эффект уменьшения вязкости динамической аномальной нефтей в среднем на 35%. Предположительно, этот эффект происходит вследствие возникновения сильного эффекта кавитации, который, в свою очередь, ускоряет диффузию нефтей в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефтей на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина. Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют некоторую гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому данная система оказывает существенное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая при этом связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому требуется несущественное воздействие акустических волн.

Рисунок 2.3 – Необработанные Харьянгинская нефть и нефть, обработанная ультразвуковым излучением мощностью 15 Вт/см2

Таким образом, кавитация оказывает влияние на изменение структурной вязкости, т. е. на временный разрыв Вандервальсовых связей. Растет течение нефтей до обработки и после с дальнейшим сравнением полученных результатов проводился в программном комплексе ANSYS/FLUENT. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким интервалом изменения теплофизических показателей посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных способов с улучшенной сходимостью. ANSYS/FLUENT использует при расчете метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ – сеточный метод, при котором модель объекта задается системой дифференциальных уравнения в частных производных с заданными краевыми условиями. Для описания турбулентных течений вязких жидкостей в программном комплексе ANSYS/FLUENT реализован подход, в основе которого лежит решение уравнений Навье-Стокса. Хотя нестандартные уравнения Навье-Стокса дают возможность описания реальных турбулентных течений, практическое их исследование способами прямого численного моделирования по системе уравнений Навье-Стокса на сегодня затруднено из-за больших вычислительных затрат. Поэтому в компьютерном моделировании гидродинамических процессов применяется подход, основанный на использовании осредненных по времени величин. В итоге решение модифицированных уравнений требует намного меньше машинных ресурсов. Для замыкания полученных уравнений используются различные модели турбулентности. Ни одна из известных моделей турбулентности не является универсальной для всех существующих классов инженерных задач. Выбор оптимальной модели имеет зависимость от типа течения, специфического класса задачи, требуемой точности решения, доступных вычислительных ресурсов и т. п. Для проведения требуемого численного анализа была построена виртуальная модель, представляющая собой надземный нефтепровод условным диаметром 450 мм, длиной 300 м, без теплоизоляции. Модель состояла из трех тел: тела нефти, тела трубы и набегающего на нее холодного воздуха (окружающая среда). Расчет виртуальной модели проводился на основе k-( RNG-модели турбулентности, ввиду того, что по сравнению с остальными моделями, которые имеются в наличии в программном комплексе ANSYS/FLUENT, она обладает оптимальной для поставленной задачи точностью и, в то же время, не слишком требовательна к вычислительным машинным ресурсам. Одним из условий получения корректных CFD-результатов (CFD – Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика) является создание высококачественной расчетной сетки. Расчетная сетка модели перекачиваемой нефтей состояла из 1299806 элементов с 459671 узлами, модель окружающей среды – из 238075 элементов с 293832 узлами. Ввиду наличия повышенных градиентов скоростей и температур в пристеночной области, важным является условие создания в этой зоне сетки повышенной точности. по сравнению с ядром потока. т. е. с минимальным размером ячеек. Граничными условиями для виртуальной модели являлись следующие параметры: скорость нефтей на входе трубы 0,8 м/с; давление нефтей на выходе 1001202 Па; начальная температура нефтей 47 (С; скорость потока воздуха 3 м/с; температура воздуха -20(С. Ниже представлены результаты расчета. После обработки нефтей градиент падения ее температуры по длине нефтепровода возрастает (см. рис. 2.4). Это объясняется увеличением интенсивности процесса тепломассопереноса при внутритрубном течении нефтей ввиду уменьшения ее вязкости.

Рисунок 2.4 – График падения температуры нефтей по длине нефтепровода нефть и нефть, обработанная ультразвуковым излучением мощностью 15 Вт/см2

Однако, несмотря на то, что процесс охлаждения обработанной нефтей происходит более интенсивно, чем для исходной нефтей при прочих равных условиях, в целом это явление слабо оказывает влияние на положительный эффект по снижению линейных потерь напора вдоль нефтепровода. Кривая падения давления для нефтепровода, транспортирующего обработанную нефть, имеет меньшую величину уклона по сравнению с кривой, построенной для исходной нефтей (рис. 2.5).

Рисунок 2.5 – Линии гидравлического уклона

Таким образом, можно сделать следующие выводы: Ввиду своей универсальности и экономической целесообразности метод обработки высоковязких нефтей ультразвуковым излучением высокой мощности (15 Вт/см2) является перспективным при решении вопросов уменьшения энергетических расходов на их транспортировку. Однако, этот эффект требует дополнительных исследований. В дальнешем предполагается провести аналогичные исследования ысокопарафинистойнефтей с применением ультразвукового излучения еще более высокой мощности (свыше 15 Вт) на единицу площади. Метод численного эксперимента позволяет проанализировать характер течения исходной и обработанной нефтей с высокой точностью, а также позволяет отказаться от лабораторных испытаний по сравнительному анализу рассматриваемых нефтей. Кроме того, использование математического аппарата при моделировании движения жидкости позволяет с легкостью варьировать заданные исходные показатели с целью нахождения оптимального решения поставленной задачи.

2.4. Влияние ультразвуковой обработки на вязкость битума как нефтесодержащего вещества Качество асфальтобетона имеет зависимость как от технологических критериев, так и от состава и показателей вяжущего, применяемого при производстве смеси. Содержание вяжущего в смеси имеет зависимость от особенностей формирования его адсорбционно-сольватных слоев на поверхности минеральных материалов. В частности, одним из важных технологических показателей битума является его вязкость при температурах производства смеси. Одним из основных способов целенаправленного изменения и регулирования структурно-реологических показателей битумов является использование добавок различной химической природы, структурирующих битумную матрицу. Исследования структурно-реологических показателей композиций сводятся к описанию закономерностей их течения и являются важным инструментом, который позволяет прогнозировать работу материала в условиях его эксплуатации. Применение ультразвукового излучения в области дорожно-строительных материалов было рассмотрено в Харьковском автомобильно-дорожном институте Золотарёвым В.А., Зинченко В.Н. и их коллегами еще в 1970-х годах. В соответствие с данными материалами, ультразвуковая обработка битума снижает его вязкость и повышает адгезию. Эффект ультразвуковой обработки длится определенный временной интервал, поэтому оценивать показатели вяжущего требуется в кратчайшие сроки после обработки. При проведении эксперимента использовался ротационный вискозиметр Fungilab Expert позволяющий определять динамическую или кинематическую вязкость среды (рис. 2.6). В комплекте с вискозиметром поставляются специальные шпиндели для различных интервалов величины вязкости.

Рисунок 2.6 - Общий вид ротационного вискозиметра Fungilab Expert

Показатели вискозиметра: - Точность ± 1% - Разрешение: При использовании адаптера малых проб: 0.01 Для образцов с вязкостью меньшей 10.000 сПз: 0.1 Для образцов с вязкостью равной или большей 10.000 сПз: 1 - Воспроизводимость: 0.2% Для определения зависимости вязкости битума от режимов ультразвуковой обработки, сначала требуется получить величину вязкости исходного битума до обработки при различных температурах. Был рассмотрен температурный интервал от 100°С до 180°С, который перекрывает основной интервал технологических температур вяжущего, а также соответствует определенному уровню разрушения надмолекулярной структуры битума. В центр ёмкости с предварительно разогретым до 180°С битумом помещался измерительный шпиндель вискозиметра, проводилось измерение вязкости в сантипуазах при данной температуре. За значение вязкости принимался усреднённый итог трёх замеров. Дальнейшие измерения при охлаждении битума осуществлялись в интервале 10°С до достижения битумом 100°С.

Рисунок 2.7 - Зависимость вязкости от температуры

По графической обработке полученных данных (рис. 2) получена зависимость вязкости битума от температуры. Основываясь на полученных итогах, можно определить изменения вязкости битума после ультразвуковой обработки в любой точке технологического интервала температуры. В дальнейших исследованиях была принята температура 150°С. Для проведения испытаний применялась ультразвуковая установка, собранная на основе стержневой магнитострикционной колебательной системы, имеющей потребляемую мощность 1,5 кВт и резонансную частоту 22 кГц. Колебательная система возбуждалась ультразвуковым генератором УЗГ-2-22 мощностью 2,0 кВт, который снабжен системами автоматической подстройки частоты и амплитуды колебаний. Проба битума подвергалась ультразвуковой обработке с амплитудой смещения 5 мкм в течение 30, 60, 90 секунд, после каждых тридцати с обработки проводилось измерение вязкости. Изменение величины вязкости оценивалось в процентах относительно исходного необработанного битума. Из графика, построенного по полученным данным (рис. 2.7) можно сделать ряд выводов. Снижение вязкости битума наблюдается уже после 30 секунд обработки, далее снижение величины продолжается и достигает минимума при 60 секундах, что соответствует максимальному значению диэлектрической проницаемости, полученному ранее [4]. При длительности обработки более 60 секунд наблюдается стабилизация величины вязкости, а значение, которое получено при 90 с отличается незначительно от величины при 60 с.

Рисунок 2.8 - Зависимость вязкости от времени обработки ультразвуковым излучением

Полученные результаты объясняются разрушением надмолекулярной структуры битума, в частности мицелл асфальтенов с образованием свободных радикалов. Снижение вязкости битума с одновременным увеличением адгезии является важным условием для обеспечения равномерной тонкой плёнки вяжущего, которое покрывает поверхность минеральных материалов, т.к. равномерность и полнота покрытия имеют зависимость от величины смачивания битумом минералов. Величина смачивания битумом поверхности минерального материала определяется, среди прочих условий, молекулярно-поверхностными показателями битума и его вязкостью.

Рисунок 2.8 - Вискозиметр вибрационный ВВН-8 с блоком управления

При переходе от лабораторных условий к производственным, требуется учитывать, что вязкость битума должна быть измерена в непрерывном потоке при технологических температурах. Для этой задачи выбран вибрационный вискозиметр ВВН-8, осуществляющий непрерывное измерение и регулирование вязкости (рис. 2.8). Этот аппарат может быть использован как самостоятельно, так и с устройством пробоотбора и пробоподготовки. В основу работы вискозиметра ВВН-8 положен вибрационный метод измерения вязкости, заключающийся в том, что в измерительном преобразователе при помощи электромагнитной схемы поддерживается постоянная амплитуда колебаний чувствительного вибрационного элемента, который погружен в анализируемую жидкость, при этом измеряется значение переменного тока, протекающего в цепи возбуждения электромагнитной системы, который пропорционален вязкости анализируемой жидкости.

Рисунок 2.9 - Схема установки вискозиметра ВВН-8 на битумопровод

Конструкция и показатели данного вискозиметра позволяют смонтировать его в комплексе технологического оборудования для ультразвуковой обработки битума на асфальтобетонных заводах (рис. 2.9). Вискозиметр может быть установлен как после узла ультразвуковой обработки битума, так и перед ним, таким образом, появляется возможность определять изменения, которые вносятся однократным проходом битума через ультразвуковую установку. Выполненные исследования и рассмотренное оборудование позволяют измерять вязкость битума, прошедшего ультразвуковую обработку, как в лабораторных, так и в производственных условиях. Вискозиметры ВВН-8 в сочетании с измерителями температуры битума и измерительными конденсаторами для оценки величины адгезии по показателю диэлектрической проницаемости позволяют оценивать нужные технологические показатели битума в итоге производства асфальтобетонных смесей.

Заключение

Таким образом, можно подвести следующие итоги. Ультразвуковая обработка оказывает существенное влияние на дисперсное строение нефтей. В случае нефтей с повышенным содержанием смол наблюдается эффективное долговременное снижение вязкости нефтей за счет разрушения структуры асфальтенового ядра дисперсной фазы. Доказано, что ультразвуковая обработка высокопарафинистой нефтей приводит к возрастанию структурной вязкости в несколько раз, по-видимому, за счет диспергирования кристаллической фазы парафиновых углеводородов и взаимодействия их с асфальтенами. Также ультразвук оказывает существенное влияние на реологию нефтей. Установлено, что комплексное воздействие постоянного, импульсного магнитного поля и ультразвуковых колебаний приводит к более значительному уменьшению динамической вязкости высокопарафинистых нефтей, чем при раздельной обработке магнитным полем или ультразвуковыми колебаниями. Специалистами определены параметрические показатели магнитного поля и ультразвуковых колебаний, которые позволили разработать методику изменения реологических показателей аномальных нефтей в целях сокращения энергетических расходов на их транспортировку. Установлено увеличение времени релаксации высокопарафинистой нефтей (по сравнению с тепловой обработкой) не менее трех суток при комплексном воздействии магнитного поля и ультразвуковых колебаний.

Список использованных источников

Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2006. – 78 с. Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических показателей транспортируемой высоковязкой нефтей с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. – с. 194-196. Патанкар С.В. Численное решение целей теплопроводности и конвективного теплового обмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с. Применение схемы ANSYS/FLUENTк решению целей механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. - 227 с.

Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2006. – 78 с. Патанкар С.В. Численное решение целей теплопроводности и конвективного теплового обмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с. Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических показателей транспортируемой высоковязкой нефтей с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. – с. 194-196. Применение схемы ANSYS/FLUENTк решению целей механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. - 227 с.

2

1. Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2006. – 78 с.2. Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических показателей транспортируемой высоковязкой нефтей с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. – с. 194-196.3. Патанкар С.В. Численное решение целей теплопроводности и конвективного теплового обмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.4. Применение схемы ANSYS/FLUENTк решению целей механики сплошной сре-ды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. - 227 с.

myknow.ru

Изменение реологических свойств высоковязкой структурированной нефти при ультразвуковой обработке

УЧЕНЫЕ ЗАПИСКИ ФИЗИЧЕСКОГО ФАКУЛЬТЕТА 6, 146315 (2014) Изменение реологических свойств высоковязкой структурированной нефти при ультразвуковой обработке И.Н. Евдокимов, Н.Ю. Елисеев, А.А. Фесан Российский государственный университет нефти и газа имени И. М. Губкина, факультет разработки нефтяных и газовых месторождений, кафедра физики, Россия, 119991, Москва, Ленинский пр-кт, д. 65, корп. 1 (Статья поступила 14.11.2014; Подписана в печать) В ходе исследований проводилась кратковременная и длительная ультразвуковая обработка образцов высоковязкой структурированной нефти с содержанием асфальтенов 15 16 %. Результаты измерений и расчетов при кратковременной ультразвуковой обработке высоковязкой нефти показывают, что на реологических зависимостях есть интервалы скоростей сдвига, в которых наблюдаются уменьшение или возрастание вязкости. Длительная ультразвуковая обработка не приводит к качественным изменениям коллоидно дисперсной структуры. После ультразвуковой обработки структурированной нефти могут наблюдаться как положительные эффекты (снижение вязкости) так и отрицательные последствия (увеличение вязкости, выпадение осадков, кольматация порового пространства пласта). Для каждого конкретного случая (индивидуальный тип нефти, пластовые условия, мощность источника ультразвука) необходимо определять свое оптимальное время обработки, обеспечивающее достижение максимального положительного эффекта. PACS: 43.25.+y УДК: 534.8.081.7: 553.982.22 Ключевые слова: ультразвуковая обработка, высоковязкая структурированная нефть, асфальтены, коллоидно дисперсная структура. ВВЕДЕНИЕ В последние годы резко возросло количество коммерческих предложений оборудования и технологий ультразвуковой обработки добываемых нефтей. В связи с этим может возникнуть представление о том, что механизмы и последствия подобной обработки уже достаточно хорошо изучены. На самом деле, как в отечественных, так и в зарубежных публикациях приводятся результаты лишь ограниченного числа соответствующих исследований. Следует иметь в виду, что механизмы специфического воздействия ультразвуковых колебаний на молекулярно-коллоидные структуры нефти являются основными лишь при малых мощностях облучения. При больших мощностях главными становятся неспецифические механизмы перехода энергии ультразвука в тепловую энергию, т. е. дополнительный прогрев нефти, а также кавитационные процессы, результатом которых может быть разрыв связей в молекулах углеводородов, т. е. нежелательное изменение химического состава нефти. На сегодняшний день, хорошо обоснованным можно считать лишь качественный вывод о том, что маломощная ультразвуковая обработка нефтей заметно изменяет характеристики коллоидных систем асфальтенов [1, 2] и парафинов [3]. При этом, в зависимости от типа нефти и условий обработки, размеры коллоидных частиц могут как уменьшаться, так и увеличиваться; связи между этими частицами могут ослабевать и уси- E-mail: [email protected] ливаться. Соответственно, после ультразвуковой обработки нефти могут наблюдаться как положительные эффекты (снижение вязкости) так и отрицательные последствия (увеличение вязкости, выпадение осадков, кольматация порового пространства пласта). Для каждого конкретного случая (индивидуальный тип нефти, пластовые условия, мощность источника ультразвука) существует свое оптимальное время обработки, обеспечивающее достижение максимального положительного эффекта. 1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ Объектом наших исследований являлась высоковязкая нефть со скв. 238 ООО «Татнефть-Самара», обогащенная асфальтенами, содержание которых составляет 15 16 %. Обработка исследуемой высоковязкой нефти проводилась с использованием маломощной ультразвуковой ванны СТ-400А (CT Brand Inc.), потребляемая мощность 35 Вт, частота ультразвука 43 45 кгц. В описываемых ниже лабораторных реологических исследованиях был использован ротационный вискозиметр Rheotest R RN4.1 (MessgeräteMedingen GmbH). Проведенные нами исследования показали, что в исследуемой высоковязкой нефти наблюдается термически индуцированный переход [4, 5], который имеет пороговый характер. В связи с этим, температура фазового перехода T c является важной характеристикой структурно-механических свойств нефти. В связи с описанными выше причинами, диапазон скоростей сдвига, общий для всего исследованного интервала температур, был ограничен значениями γ =0,04 1/с и γ =5,0 1/с. С целью выявления темпера- 146315-1

туры структурного фазового перехода, для обоих граничных значений γ были рассчитаны величины максимальной эффективной вязкости (η эфф ) макс = τ 0 / γ, соответствующие «начальным» структурным состояниям потока, наименее подверженным механическому воздействию. Соответствующие графики приведены на рис. 1. В связи с большим диапазоном изменений η эфф, для представления этого параметра использована логарифмическая шкала. Данные рис. 1 отчетливо показывают наличие двух четко различимых участков на температурных зависимостях ln(η эфф ) для обеих скоростей сдвига. В области повышенных температур, где структурномеханические свойства нефти были отождествлены как «жидкоподобные», наблюдается относительно медленное возрастание логарифма вязкости с уменьшением температуры. Для обоих значений γ соответствующие последовательности экспериментальных данных с высокой точностью (R 2 1, 00) могут быть аппроксимированы линейными функциями (красные прямые на рис. 1). С другой стороны, при пониженных температурах (для «твердоподобных» гелевых структур нефти) рассматриваемые температурные зависимости становятся более крутыми. При этом данные для γ = 5, 0 1/с по-прежнему могут быть аппроксимированы линейной функцией (синяя прямая на рисунке). Данные же для γ = 0, 04 1/с демонстрируют гораздо более быстрое изменение, и для их аппроксимации пришлось использовать полином 3-й степени (синяя кривая на рисунке). Температура обсуждаемого структурного фазового перехода в исследованной нефти T c была отождествлена с точкой пересечения низкотемпературных (синих) и высокотемпературных (красных) аппроксимаций данных на рис. 1. Как видно из рисунка, определяемая таким способом величина T c увеличивается при уменьшении скорости сдвига, использованной для получения рассматриваемой последовательности данных ( T c 26, 5 С для γ =5, 0 1/с и T c 27, 5 С для γ = 5, 0 1/с). Подобное поведение является, очевидно, следствием возмущающего действия механической энергии потока. Воздействие ультразвуком малой мощности производилось на протяжении 5 минут при комнатной температуре (24 С). Реологические исследования обработанного образца и контрольного образца исходной нефти проводили при 45 С (в условиях существования «жидкоподобной» структуры исходной нефти). Кратковременная ультразвуковая обработка не приводит к качественным изменениям структурномеханических свойств нефти. Наличие осцилляционного характера тиксотропии при малых γ (0,8 и 3,0 1/с) в обоих образцах свидетельствует о сохранении связнодисперсной «жидкоподобной» структуры. Отсутствуют также принципиальные различия в процессах перехода к свободнодисперсной структуре микрогелевых частиц при больших γ (50 и 120 1/с). В то же время, наши данные показывают, что да- Рис. 1: Приближенные оценки температуры структурного фазового перехода в нефти по результатам реологических исследований же кратковременная ультразвуковая обработка приводит к количественным изменениям вязкости нефти. При этом наблюдаемые величина и знак этих изменений определяются конкретным значением скорости сдвига в потоке. С целью более наглядной иллюстрации количественных эффектов, для каждого значения γ были рассчитаны максимальные эффективные вязкости (η эфф ) макс = τ 0 / γ, а также относительное изменение этого параметра после ультразвуковой обработки. Результаты расчетов представлены на рис. 2, где хорошо видны интервалы γ, в которых наблюдаются положительные или отрицательные эффекты обработки (уменьшение или возрастание вязкости). Данные рис. 2 показывают, что положительный эффект кратковременной ультразвуковой обработки наблюдается лишь при больших скоростях сдвига, при наличии в нефти свободнодисперсной системы микрогелевых частиц. Конкретной причиной снижения вязкости может быть ослабление каркаса микрогелевых дисперсных частиц, формируемых коллоидами асфальтенов. Из рис. 2 видно также, что проявление отрицательного эффекта кратковременной ультразвуковой обработки наблюдается при малых скоростях сдвига, в условиях существования связнодисперсной системы микрогелевых частиц в нефти. Соответственно, вероятной причиной увеличения вязкости является появление добавочных связей между индивидуальными микрогелевыми частицами в результате воздействия ультразвука. Непрерывное продолжительное воздействие ультразвуком малой мощности производилось на протяжении 3-х часов при комнатной температуре (24 C). Реологические исследования обработанного образца и контрольного образца исходной нефти проводили при 10 60 C (в условиях существования как «жидкоподобной», так и «твердоподобной» структуры исходной нефти). Длительная ультразвуковая обработка также не 146315-2

Рис. 2: Слева влияние скорости сдвига на величину максимальной эффективной вязкости в образцах исходной ( ) и обработанной ( ) нефти. Справа относительное изменение эффективной вязкости после кратковременной ультразвуковой обработки Рис. 3: Слева влияние скорости сдвига на величину максимальной эффективной вязкости при 45 C в образцах исходной ( ) и обработанной ( ) нефти. Справа относительное изменение эффективной вязкости после длительной ультразвуковой обработки приводит к качественным изменениям коллоиднодисперсной структуры. Осцилляционный характер тиксотропии при малых γ (0,08; 0,8 и 3,0 1/с) в обоих образцах свидетельствует о сохранении в них связнодисперсной «жидкоподобной» структуры. Схожими являются также процессы перехода к свободнодисперсной структуре микрогелевых частиц при больших γ (50 1/с). Наши результаты вновь показывают, что даже после долговременной обработки возможны проявления отрицательных эффектов ультразвукового облучения данные для γ = 0, 08 1/с демонстрируют увеличение напряжения сдвига (и, соответственно, вязкости) в обработанном образце. Для выявления условий существования отрицательных эффектов обработки, как и выше, для каждого значения γ были рассчитаны максимальные эффективные вязкости (η эфф ) макс = τ 0 / γ, а также относительное изменение этого параметра после длительного ультразвукового облучения. Результаты расчетов показаны на рис. 3. Видно, что отличия от случая кратковременного облу- Рис. 4: Влияние скорости сдвига на размах осцилляций напряжения сдвига при 45 C в образцах исходной нефти ( ) и нефти, подвергнутой долговременной ультразвуковой обработке ( ) 146315-3

Рис. 5: Влияние температуры на эффективную вязкость при различных скоростях сдвига для образцов исходной нефти ( ) и нефти, подвергнутой долговременной ультразвуковой обработке ( ). T c температура фазового перехода от «твердоподобных» к «жидкоподобным» структурам нефти чения (рис. 2) не являются принципиальными и состоят лишь в том, что отрицательные эффекты обработки (возрастание вязкости) наблюдаются при несколько меньших скоростях сдвига. По результатам кратковременной ультразвуковой обработки был сделан вывод, что вероятной причиной возрастания вязкости является возникновение добавочных связей между микрогелевыми частицами. Этот вывод подтверждается и реологическими исследованиями нефти, подвергнутой долговременному ультразвуковому облучению. На рис. 4 показано влияние скорости сдвига на величину этого параметра осцилляций в обработанном и контрольном образцах нефти (при 45 C). Приведенные данные наглядно демонстрируют увеличение энергии связей в области проявления отрицательного эффекта длительной ультразвуковой обработки. В области существования «твердоподобных» структур нефти (T <T c ) наблюдаются гораздо более выраженные эффекты обработки, чем в области существования «жидкоподобных» структур (T >T c ). При реологических исследованиях было установлено, что эти эффекты являются «отрицательными». Как видно из рис. 5, при T <T c для любых скоростей сдвига наблюдается возрастание эффективной вязкости после длительной ультразвуковой обработки. ЗАКЛЮЧЕНИЕ Таким образом, приведенные выше результаты показывают, что специфические воздействия маломощного ультразвукового облучения является благоприятным (приводит к снижению вязкости исследованной нефти) лишь при достаточно высоких температурах и больших скоростях сдвига. Последствия неспецифического (кавитационного) воздействия мощного ультразвукового облучения не могли быть исследованы в лабораторных условиях в связи с бурным выделением газов уже на первых секундах обработки образцов нефти. Работа выполнена при финансовой поддержке ОАО «Татнефть» имени В. Д. Шашина. [1] Najafi SnI., Amani M. Advances in Petroleum Exploration and Development. 2, N 2. P. 32. (2011). [2] Mousavi S.M.R., Amani M., SnplaceNajafi SnI., Ghazanfari M.H. J. Energy Resour. Technol. 134, N 2. P. 022001. (2012). [3] Lionetto F., Coluccia G., D Antona P., Maffezzoli A. Rheol Acta 46. P. 601. (2007). [4] Евдокимов И.Н., Елисеев Н.Ю. Влияние термообработки ромашкинской нефти на реологические свойства. Х Российская конференция по теплофизическим свойствам веществ. Материалы конференции. С. 84. (Казань: Изд. «Бутлеровские сообщения», 2002). [5] Evdokimov I.N., Eliseev N.Yu., Eliseev D.Yu. Thermophysical properties and phase-behaviour of asphaltene-containing petroleum fluids. Fluid Phase Eqilibria. 212, Iss.1-2. P. 269. (2003). 146315-4

The change of rheological properties of high viscosity of the structured oil when ultrasonic processing I. N. Evdokimov, N. Yu. Eliseev a, A. A. Fesan Department of Physics, Faculty of Development Oil and Gas Reservoirs, I. M. Gubkin Russian State University of Oil and Gas, Moscow 119991, Russia E-mail: a [email protected] In the course of the research was conducted short-term and long-term ultrasonic treatment samples of high viscosity structured oil content of asphaltenes 15 16 %. The results of measurements and calculations for short ultrasonic processing of high-viscosity oil show that the rheological dependencies there are intervals of shear rate, showing a decrease or increase in viscosity. Prolonged ultrasonic treatment does not lead to qualitative changes in the colloid-dispersed structure. After ultrasonic treatment of the structured oil can be observed as positive effects (reduced viscosity) and negative effects (increase in viscosity, precipitation, clogging of the pore space of the reservoir). For each case (individual type of oil, reservoir conditions, the power source of ultrasound), it is necessary to determine the appropriate processing time for achieving maximum positive effect. PACS: 43.25.+y Keywords: ultrasonic treatment, high viscosity structured oil, asphaltenes, colloid-dispersed structure. Received 14.11.2014. Сведения об авторах 1. Евдокимов Игорь Николаевич докт. физ.-мат. наук, профессор, профессор кафедры физики; тел.: (499) 233-95-42, e-mail: [email protected] 2. Елисеев Николай Юрьевич канд. техн. наук, доцент, доцент кафедры физики; тел.: (499) 507-83-32, e-mail: [email protected] 3. Фесан Алексей Александрович аспирант кафедры физики; тел.: (499) 233-95-42, e-mail: [email protected] 146315-5

docplayer.ru