Содержание к диссертации
Введение
РАЗДЕЛ 1. Научные основы формирования и предотвращения отложений 13
1.1. Образование отложений и очистка от загрязнений сред и контактных поверхностей 13
1.2. Синтез и устойчивость гетеросистем 20
1.3. Кинетика осаждения из гетеросуспезии 20
1.4. Механизм формирования отложений 26
РАЗДЕЛ 2. Предотвращение отложений на технологических поверхностях оборудования, омываемых газовой средой 30
2.1. Состав загрязнений газовой среды 31
2.2. Осаждение и фильтрование заряженных частиц 36
2.3. Электроосаждение нейтральных частиц 50
2.4. Оптимизация компоновки элементов электрофильтров 53
РАЗДЕЛ 3. Обработка омывающих поверхности нефтегазового оборудования жидких неполярных сред 64
3.1. Анализ характеристик суспензии диэлектрических жидкостей, омывающих технологические поверхности 64
3.1.1. Технические суспензии диэлектрических жидкостей 64
3.2. Воднотопливные эмульсии 68
3.3. Поведение неполярных жидкостей в электрическом поле 73
3.4. Электрообработка нефтепродуктов, омывающих рабочие поверхности нефтегазового оборудования 82
3.4.1. Электродегидраторы 83
3.4.2. Очистка легких топлив от воды и механических примесей 88
3.4.3. Очистка технических жидкостей от механических примесей 94
3.4.4. Электродепарафинизация 95
РАЗДЕЛ 4. Разработка технологий предотвращения отложений в системах водоснабжения и охлаждения насосных и компрессорных станций 98
4.1. Разработка модели процесса электрообработки гидродисперсий 98
4.1.1 . Разрушение водных дисперсий перехватывающими очистителями 99
4.1.2. Разделение гидродисперсий при нефтегазодобыче 102
4.1.3. Обеззараживанием очистка воды КЭВ 105
4.2. Электрообработка гидродисперсий 112
4.2.1. Очистка водных систем в электрических полях повышенной напряженности : 112
4.2.2. Станция электроочистки речной воды 142
4.2.3. Электрообработка модельных гидродисперсий 146
4.3. Системы с неорганическими частицами 154
4.4. Системы с органическими частицами 162
РАЗДЕЛ 5. Обработка нефтесодержащих и органосодержащих сред 168
5.1. Обработка нефтесодержащих вод 168
5.1.1. Диполофоретическое разделение 169
5.1.2. Двухступенчатое разделение 177
5.2. Технологические и подтоварные воды 197
5.3. Водоотведение компрессорных станций 219
РАЗДЕЛ 6. Сбор высококонцентрированных отложений с контактных поверхностей и обработка осадков 229
6.1. Отделение отложений с рабочих поверхностей нефтегазового оборудования 229
6.2. Очистка внутренней поверхности газопровода без прекращения перекачки газа 231
6.3. Машины и агрегаты электро- и термообработки 233
6.4. Электрофильтрование 244
6.5. Ликвидация твердеющих отложений с поверхностей 251
Общие выводб1 257
Литература
- Синтез и устойчивость гетеросистем
- Осаждение и фильтрование заряженных частиц
- Технические суспензии диэлектрических жидкостей
- Разрушение водных дисперсий перехватывающими очистителями
Введение к работе
Отложение твердой и жидкой дисперсной гетерофазы загрязнений на поверхностях нефтегазового оборудования, содержащего широкий спектр машин, агрегатов и трубопроводов, сокращает срок службы оборудования, снижает вероятность его безотказной работы, уменьшает поперечное сечение трубопроводов. Нежелательные отложения повышают затраты газа, мазута, электроэнергии для получения тепловой энергии, ухудшают технологические режимы работы систем, приводят к необходимости замены со временем дорогостоящих машин и оборудования.
При эксплуатации на территории России более 230 тысяч километров магистральных и 350 тысяч километров промысловых трубопроводов, несмотря на диагностику, капитальный ремонт, реконструкцию с использованием новых технологий, проведение экологической экспертизы новых проектов и экспертизы промышленной безопасности на большинстве нефтяных месторождений загрязнение оборудования приводит к сокращению сроков его службы и авариям [90+92, 94, 95,106]. При этом загрязняются водные объекты с повышением минерализации поверхностных вод, а несколько тысяч гектаров грунта загрязнены одним миллионом тонн разлитой нефти. Высокий уровень аварийности на магистральных трубопроводах [88] и оборудовании [9, 59, 62], сопровождается залповыми загрязнениями водных объектов, почвы и атмосферного воздуха, в которых концентрация углеводородов и продуктов сгорания превышает нормативные значения в 50 и более раз. В ряде случаев аварии сопровождаются тяжелыми травмами и гибелью людей.
Накопление в нефтепромысловом оборудовании и трубопроводах минеральных примесей, в том числе до 20 минералов [39] и нефтешламов, содержащих как природные, так и техногенные радионуклиды, создает
проблему обеспечения и радиационной безопасности, в том числе персонала.
При очистке трубопроводов, бытовых, промышленных, буровых, подтоварных вод образуется большое количество осадков, объемы которых затрудняют их перемещение, хранение, обработку.
Проблемы сбора загрязнений, их сгущения и обезвоживания возникают как в нефтегазодобыче и нефтепереработке, так и в различных технологиях -производства бетонных работ, изготовлении огнеупорных материалов, белой сажи, при очистке вод гальванических цехов и, вообще, при обращении с промышленными и бытовыми отходами.
Использование внешних силовых воздействий для предотвращения загрязнения поверхностей нефтегазового оборудования и реализации процессов, машин и аппаратов разделения дисперсных систем и очистки контактных поверхностей начинает постепенно занимать все большее место в технологии для решения многих актуальных практических задач [1-5, 19, 38+40, 45, 57, 72, 95+100]. Однако успехи в этом направлении еще довольно ограниченные, несмотря на некоторое количество работ, выполненных как у нас, так и за рубежом. Такое положение связано с тем, что при использовании внешних силовых воздействий для предотвращения загрязнения поверхностей, омываемых системами как с газовой, так и жидкой дисперсионными средами в большинстве из них протекают различные взаимосвязанные процессы, что затрудняет технологическое оформление процесса [57, 76, 80, 90, 94+100, ПО].
В литературе мало обзоров практических работ, цель которых -обобщение на теоретической основе их результатов. Недостаток информации о механизме явлений в примененном конкретном случае, непонимание приоритета параметров и отсутствие контроля за их изменением, низкий уровень техники эксперимента часто приводят практиков к необоснованно негативным выводам.
Во внешнем силовом поле дисперсные частицы как в газовой, так и в жидкой полярной или неполярной дисперсионных средах могут заряжаться,
7 перемещаться, концентрироваться и отделяться осаждением или
фильтрованием, повышая тем самым чистоту газов и жидкостей.
Очистные перехватывающие устройства с использованием электрокинетических эффектов могут компоноваться с другой аппаратурой в целях создания универсальных сооружений многоцелевого назначения. Электросиловые устройства компактны, высокоэффективны и достаточно экономичны. Большим их достоинством является возможность создания унифицированной аппаратуры для обработки дисперсий, различных по химическим и физическим свойствам.
В настоящее время происходит активное освоение процессов, машин и
агрегатов для предотвращения загрязнения поверхностей нефтегазового
оборудования путем перехвата загрязнений и доочистки газа, неполярных
жидкостей, воды в нефтегазоперерабатывающей отрасли,
кондиционирования сырья и органопродуктов, а также возрастает интерес к закономерностям, которые проявляются в поведении дисперсных систем с газовой и жидкой неполярной и полярной средами во внешнем электрическом поле [32, 74, 76, 88, 89,91, 106,110].
В связи с освоением природных богатств в районах Сибири, Крайнего Севера, Дальнего Востока, мирового океана актуальными становятся вопросы экологической безопасности и инженерного обеспечения жизнедеятельности и функционировании техники, отдельных лиц и коллективов в экстремальных условиях строительства баз и хранилищ, нефтегазопроводов, морских буровых платформ и эксплуатации нефтегазового оборудования.
Проблема обеспечения эксплуатационной и экологической безопасности - закономерное следствие расширения сферы техногенного воздействия при нефтегазодобыче как на суше, так и на шельфе. Изменение состава элементов гидросферы, по существу, представляющих собой системы с жидкой дисперсионной средой, сказывается на надежности оборудования и здоровье людей, что делает необходимым разрушение этих
8 систем с извлечением и утилизацией дисперсной фазы загрязнений. Это
связано и с очисткой поверхностей от неорганических и органических,
включая нефтепродукты, веществ.
Состав и состояние поверхностей нефтегазодобывающего оборудования, его функции и основные характеристики определяются исходя из ограничений со стороны технологий.
Заземляющие устройства, предназначенные для защиты персонала от электрического тока промышленной частоты или для молниезащиты, могут быть использованы для отводов зарядов статического электричества. Однако на практике при транспортировании по трубопроводной системе нефти и топливопродуктов, а также при промывке резервуаров полярной водой напряжение на металлическом корпусе может достигать 20000 3. Напряженность электрического поля под грозовым облаком над нефтегазопроводами достигает значений 25000 В/м, электромагнитные излучения распространяются по трубопроводам на большие расстояния [70].
Активная защита трубопровода от коррозии при катодной защите [68] предусматривает поляризацию поверхности трубы, создающей одностороннюю проводимость тока от источника постоянного тока через анод в грунт к трубе. При протекторной защите разность потенциалов обусловлена различной электрохимической активностью материалов оборудования, включая трубопровод и протектор. При этом ток направляется от электрода с более отрицательным потенциалом - анода к электроду с менее отрицательным потенциалом - катоду. Наиболее опасные для трубопроводов токи в местах схода с трубы, образующих анодную зону и достигающих значительной величины.
Актуальності, работы. В технологических процессах транспортирования и переработки газа, газоконденсата, нефти в результате контакта продукта с рабочими поверхностями происходит загрязнение этих поверхностей.
Процессы образования отложений из дисперсных частиц загрязнений определяются различными силами: ван-дер-ваальсовыми; электрическими;
9 химическими и др. Силы адгезии электрической природы связаны с
возникновением двойного электрического слоя частиц и поверхности.
Разработка методов предотвращения загрязнений поверхностей нефтегазового оборудования и их очистки на основе электротехнологий полагает повышение ресурса безопасной эксплуатации и эффективности машин, агрегатов, систем, оборудования и трубопроводов в нефтегазовой отрасли. Решением теоретических и прикладных вопросов этой проблемы занимались В.П. Авдейко, С.Г. Агаев, И.Ф. Ефремов, В.А. Иванов, И.А. Иванов, Н.Н. Красиков, И.С. Лавров, О.М. Меркушев, П.А. Ребиндер, О.В. Смирнов, В.И. Турубаров, Г.И. Фукс, А.Б. Шабаров и др.
Из потоков, омывающих поверхности нефтегазового оборудования и представляющих собой многофазные системы, на внутренних стенках трубопроводов и аппаратов происходит отложение парафинов, гидратов, продуктов коррозии и эрозии, жидких и твердых включений, конденсата и воды. Примеси загрязняют теплообменные аппараты и контактные поверхности пылеулавливателей, газовые горелки и т. д.
Сбор высококонцентрированных отложений с рабочих поверхностей нефтегазового оборудования необходим в газонефтедобыче, при эксплуатации магистральных, промысловых и местных нефтегазопроводов, нефтепереработке.
Среди пассивных, активных и естественных мер предупреждения и снижения отрицательного воздействия загрязнений на нефтегазовое оборудование наиболее эффективны активные, использующие, в основном, перехватывающие загрязнения машины, агрегаты и процессы на базе электротехнологий. Пассивные меры воздействий проводятся еще на стадиях проектирования, изготовления, строительства и монтажных работ.
Нефтегазовое оборудование - это сложные и дорогостоящие конструкции, ухудшение эксплуатационных характеристик и разрушение которых приводит к значительным материальным потерям и отрицательным экологическим последствиям. Проблема разработки методов предотвращения
10 загрязнения и очистки поверхностей нефтегазового оборудования имеет
важное народохозяйственное значение и является актуальной.
Цель работы. Разработать методы предотвращения загрязнений и очистки контактных поверхностей нефтегазового оборудования и методики расчета на базе оптимизационных моделей управления электрообработкой дисперсных систем.
Основные задачи
В соответствии с поставленной целью решались основные задачи исследований:
изучить возможность использования электрокинетических эффектов, включая диполо- и диэлектрофорез в электрических полях повышенной напряженности для разделения дисперсных систем;
создать методы предотвращения загрязнения и очистки контактных поверхностей нефтегазового оборудования;
феноменологически описать физико-химические процессы, происходящие с частицами загрязнений в межэлектродном зазоре, на поверхности и на границе раздела фаз при прохождении постоянного и переменного токов;
- разработать и назначить технологические параметры разделения
дисперсий и оптимальных схем перехвата загрязняющих частиц и очистки
поверхностей;
- назначить режимы работы технологического оборудования для перехвата
дисперсной фазы и повышения его барьерной эффективности;
- провести физико-химическую и медико-биологическую оценку
эффективности и надежности предложенных технологий;
отработать элементы промышленного освоения технологий электроочистки загрязненных поверхностей нефтегазового оборудования, омываемых жидкими и газовыми средами.
Научная новизна
- Разработаны методы предотвращения загрязнений поверхностей
нефтегазового оборудования на основе электротехнологий, реализуемые перехватывающими устройствами.
Предложены процессы и устройства для очистки контактных поверхностей нефтегазового оборудования.
Определены закономерности и назначены режимы разделения дисперсных систем в зависимости от электрокинетических свойств частиц загрязнений, создающих отложения на поверхностях.
- Предложена новая классификация методов электрообработки систем
неорганических и органических веществ с газовой и жидкой
дисперсионными средами.
Разработаны методы повышения эффективности процессов предотвращения отложений в системах: водоснабжения; охлаждения насосных станций (НС) и компрессорных станций (КС) комплексом электрических воздействий (КЭВ).
Разработаны режимы для перехвата неоднородным электрическим полем загрязнений с целью предотвращения отложений на поверхностях машин, агрегатов, инженерных систем КС.
Разработана феноменологическая модель разделения гетеродисперсий в электрических полях повышенной напряженности.
Созданы научные основы процессов электроперехвата минеральных и органических частиц загрязнений из потоков.
Обоснованность и достоверность. Представленные в диссертации научные результаты, выводы и рекомендации базируются на использовании классических положений физико-химической механики дисперсных систем, теоретических положений по оптимизации электрообработки, достоверность которых подтверждена увеличением межремонтного периода эксплуатации машин и агрегатов.
Практическая значимость и реализация работы
- Предложены режимы и конструкции машин, агрегатов и устройств для
воздействия на: промышленные среды и выбросы в нефтегазовых
12 технологиях; нефть; газовый конденсат; поверхностные, подземные,
сбросные воды, образующие высоконцентрированные отложения и осадки.
- Решена проблема уменьшения количества загрязняющих отложений на
контактных поверхностях нефтегазового оборудования, их очистки и
утилизации шламов.
- Определены физико-химические и электрокинетические свойства
многофазных отложений для их ликвидации или последующей утилизации.
- В конструкциях технологических схем рекомендованы устройства сбора,
электрообезвоживания, термообработки шламов во взвешенном кипящем
слое.
- Результаты работы использованы при создании, реконструкции и
эксплуатации очистительных машин и агрегатов нефтегазового
оборудования.
Синтез и устойчивость гетеросистем
Синтез и агрегативная устойчивость гетерочастиц [55] загрязнений связаны с величиной потенциального барьера отталкивания на энергетической кривой взаимодействия частиц, определяющего возможность прилипания частиц загрязнений к поверхности и друг другу.
Устойчивые системы можно рассматривать как униполярные гетеросуспензий с определенным набором частиц, отличающихся по величине заряда. Скорость коагуляции подобных систем достаточно низка, а время достижения предельных объемов седиментационных осадков может составлять несколько часов. При перемешивании идет процесс пептизации до истинной степени дисперсности и осаждение частиц загрязнений происходит практически без коагуляционных явлений в поле сил тяжести.
Неустойчивые включают в себя несколько типов дисперсных систем, куда входят суспензии с гетерочастицами, отличающимися не только по величине, но и по знаку потенциала (биполярные суспензии).
Описанные виды гетеросуспензий относятся к разбавленным системам, где процессы коагуляций определяются парным взаимодействием частиц, лежащим в основе теории кинетики быстрой и медленной коагуляции. Существует еще один вид суспензий, где необходим учет коллективного взаимодействия частиц - это концентрированные или структурированные суспензии, из которых, в основном, и происходит осаждение на поверхностях нефтегазового оборудования.
Переход суспензии к структурированному состоянию в виде отложений представляет собой качественный скачок, который требует учета совершенно иных параметров и условий, чем при электрофорезе отдельной частицы. Существование объемно-пространственной структуры делает невозможным рассмотрение электрофореза частицы без учета окружающих ее частиц и сил, действующих между ними. Объемно-пространственная структура должна привести к появлению новых эффектов, например электроосмосу [81, 83], присущему жесткой дисперсной системе. Роль электроосмоса будет возрастать в осадках и отложениях с увеличением концентрации частиц загрязнений и, соответственно, жесткости пространственной структуры. Скорость электрофореза частиц в концентрированных суспензиях должна быть ниже, чем в разбавленных.
Понижение скорости отстаивания было замечено [55] и при изучении кинетики образования седиментационных осадков в концентрированных суспензиях. Ввиду налипания частиц суспензии на стенки оборудования, затрудняющего наблюдение, определения скорости образования отложений в структурированных суспензиях не проводилось.
Чем меньше размер частиц, тем при более низкой концентрации частиц возникают условия структурированного состояния. На процесс образования структур отложений и осадков влияет, по-видимому, и форма частиц и цепочечных агрегатов из них.
Измерение предельного напряжения сдвига гетеросуспензий позволило установить, что его величина определяется относительным содержанием гетерочастиц в системе. Чем больше мелких частиц, тем выше предельное напряжение сдвига. Если строение структурированных гомосуспензий определяется только концентрацией, размером и формой частиц, то строение структурированных гетеросуспензий зависит от концентрационных соотношений гетерочастиц. Можно выделить три вида гетеросуспензий: силыюзаряженные, слабозаряженные и, если суспензия биполярная, то появляется новый вид дисперсной системы, характеризующийся изоэлектрическим состоянием дисперсной фазы
Таким образом, при изучении образования структур отложений из частиц загрязнений необходимо учитывать не только устойчивость гетерочастиц в омывающих средах, но и особенности состава униполярных, биполярных и структурированных гетеросуспензий [55].
Осаждение и фильтрование заряженных частиц
Воздействие внешнего электрического поля на аэрозоли изучается не только в целях изменения их дисперсного состава, разрушения и улавливания электрофильтрами, но и для нанесения покрытий из порошков полимерных материалов на трубы, окрашивания предметов сложной формы распыленной краской.
Производительность электронно-ионных процессов определяется величиной напряженности электрического поля и величинами зарядов, которые приобретают частицы дисперсной фазы, в том числе при диффузионной зарядке перед поступлением их в рабочий промежуток или объем.
Согласно нормативным документам пониженная и повышенная ионизация воздуха отнесена к физически опасным и вредным производственным факторам.
Заряжение капель очищаемой жидкости используется в НИИ высоких напряжений Томского политехнического университета для создания установок очистки питьевых и сточных вод [63, 69]. Требования к аэроионному составу воздуха производственных и общественных помещений предусматривают его оптимизацию в гермоотсеках с искусственной средой обитания, в помещениях с синтетическими материалами и покрытиями, содержащих оборудование, создающее электрические поля видеодисплейные терминалы и т.д., аэроионизаторы и деионизаторы.
Отнесенные к нормируемым показателям значения минимально и максимально допустимой концентрации ионов обеих полярностей и коэффициент униполярности с учетом классификации условий труда по аэроионному составу и в лечебных целях при аттестации рабочих мест в помещениях предложено контролировать автоматизированной системой аэроионизации с включением [59] блок - схемы аспирационного спектрометра ионов, определяющей, кроме концентрации аэроионов, их распределение по подвижности, величину объемного заряда и плотность потока ионов.
Оздоровление воздуха в помещениях аэроионизацией актуально в связи с тем, что концентрация продуктов сгорания, токсичных веществ и радиоактивных элементов больше в помещениях, чем на открытом воздухе. Идентификация состава воздуха в помещениях, оценка возможных опасностей, реабилитационное воздействие аэроионизации представляет весьма актуальную задачу, особенно в связи с аллергическими реакциями и заболеваниями, вызываемыми мелкими организмами, живущими в домовой пыли, таких, как клещи, грибы, бактерии и др., несмотря на то, что благодаря инфильтрации в большинстве домов воздух обновляется за один -два часа. Довольно широкое применение для осаждения пыли и частиц биоаэрозоля находят различные типы аэроионизаторов. Механизм действия аэроионизации заключается в том, что генерируемые ими ионы заряжают или перезаряжают пыль и микроорганизмы, взвешенные в воздухе до определенного значения заряда, зависящего от их радиуса. Дисперсные частицы, несущие заряд, двигаются вдоль силовых линий электрического поля, создаваемого, например, электроэффлювиальной люстрой по направлению к осадочному электроду (стены, специальные пылеосаждающие устройства и т.д.).
При отсутствии внешнего электростатического поля (термоионизация, радиоактивное излучение, гидроионизация и т.д.) заряженные частицы равномерно осаждаются под действием собственного поля зарядов. Электрические аэроионизаторы используют явление темного коронного разряда при токе 10"7-Н0"8 А и напряжении на электроэффлювиальной люстре 35- 75 кВ. Несмотря на то, что значительно более высокий процент стерилизации достигается при фильтрации через поляризационные фильтры с перезарядкой бактериальных тел, очистка воздуха аэроионизацией не только привлекает внимание исследователей, но и уже нашла практическое применение в гражданском строительстве.
Однако для более широкого внедрения аэроионизации с целью оздоровления среды замкнутых помещений целесообразно иметь инженерные методы расчета и проектирования систем ионизации.
Для этого необходимо знать процесс зарядки дисперсных частиц, взвешенных в воздухе, независимо от их природы (неорганические, органические вещества или биоаэрозоль).
Хотя при этом отсутствует информация о специфическом воздействии ионов на организм человека или животных, возможно предсказание степени осаждения, а, следовательно, и бактериальной обстановки.
В наиболее общем виде задача о зарядке и осаждении аэрозольных частиц, занимающих некоторый объем, при аэроионизации этого объема рассматривалась в [8, 62, 96].
Пусть имеется сферический объем радиуса R0, в центре которого помещен точечный источник ионов (рис. 2.2). Этим источником может быть, например, коронирующее острие.
Технические суспензии диэлектрических жидкостей
Явления идентичного характера имеют место у дисперсии полиакрилонитрила. Суспензия стиракрила характеризуется движением большего количества частиц 60+70 % к катоду, остальные образуют агрегаты, слегка колеблющиеся в межэлектродном пространстве. Изучение суспензий полимеров в неполярной среде осложняется их неустойчивостью, увеличивающейся при движении частиц в электрическом поле. По мере старения суспензии (спустя несколько дней после приготовления) преимущественное движение взвешенных частиц к электродам несколько утрачивается, его труднее выделить на фоне неупорядоченных перемещений.
Суспензия графита значительно устойчивее, она сохраняется в течение трех недель, "-потенциал частиц графита близок к нулю. Уже при наложении поля с Е = 5+6-104 В/м частицы движутся весьма интенсивно. Это движение усиливается с ростом напряженности поля. По истечении 0,5+2 мин образуются ветвеобразные структуры, расширяющиеся в направлении от анода к катоду, ток при этом составляет менее 10"9 А.
Технические неполярные жидкости представляют собой растворы полярных молекул и ионов в неполярной среде. Концентрация полярных молекул может меняться в зависимости от химической природы и степени очистки жидкости. Указанные технические жидкости можно считать разбавленными растворами полярных молекул, наличие которых в техническом масле МВП, бензине Б-70 установлено в связи с уменьшением диэлектрической проницаемости жидкостей после обработки силикагелем. Уменьшение содержания дипольных молекул, например, в жидкостях, прошедших очистку, не было обнаружено, вероятно, из-за недостаточной точности измерения. Часть молекул, по-видимому, может находиться в диссоциированном состоянии, что подтверждается наличием электрической проводимости у углеводородов и технических жидкостей.
Однако содержание ионов в растворителях с малой диэлектрической проницаемостью очень мало по сравнению с содержанием полярных молекул из-за незначительной степени диссоциации растворов электролитов (10 6 + 10"10 моль/л). Средние межионные расстояния при этом очень велики, и растворы в отношении ионов жидкости являются весьма разбавленными.
Даже относительно сильное кулоновское поле, связанное с малым значением є среды, не вызывает существенных межионных взаимодействий. Масла с присадками (МТ-16п и МТ-22п) содержат большое количество объектов, характеризующихся двойным лучепреломлением и имеющих размеры менее 2 мкм. По-видимому, присадки в маслах находятся в коллоидно-дисперсном состоянии и концентрация крупных объектов (более 2 мкм) невелика.
Дистиллятные масла, как правило, содержат относительно небольшое количество примесей, различимых с помощью оптических методов. Будучи диспергированными в достаточно вязкой среде, частицы могут находиться длительное время во взвешенном состоянии и не коагулировать; поэтому в естественных условиях достаточно сложно оценить взаимодействие микрообъектов и установить присутствие в дисперсионной среде агрегатов твердых частиц. С целью увеличения локальной концентрации дисперсной фазы применяют центробежную обработку масла и электростатическое осаждение частиц; агрегирование также вызывается длительной выдержкой (в течение 10+12 суток) слоя масла толщиной 5 мм в воздушной среде под стеклянным колпаком.
Полученные данные позволяют полагать, что некоторые приносимые извне загрязнения (пылинки, ворсинки), как правило, характеризуются некоторой анизотропией своих свойств, связанных с линейно вытянутой формой,, с наличием отдельных структурно-упорядоченных элементов, с деформацией микрообъектов и пропиткой их углеводородной средой.
Светопоглощающиё микрообъекты (бурые, черные) могут быть представлены высокомолекулярными соединениями асфальтенов, карбенов, возможно, карбоидов; они, по-видимому, свойственны маслам вследствие окисления смол. Прозрачные двупреломляющие объекты могут быть представлены, например, кристаллами твердых парафинов, церезинов. Малые частицы, размер которых соизмерим с длиной оптической волны, при наблюдении в естественном свете в основном очень слабо отличаются от дисперсионной среды, и поэтому их счет затруднен. При наблюдении препарата в скрещенных поляроидах такие микрообъекты резко контрастируют на темном фоне среды вследствие двойного лучепреломления, либо за счет кажущегося двупреломления при дифракции.
Последнее, по-видимому, усиливается при использовании скошенной подсветки поля зрения микроскопа. Предложенная методика позволяет характеризовать технические масла как коллоидно-технические системы, что важно при рассмотрении процессов осаждения частиц на внутренней поверхности каналов, происходящих при электрообработке.
Разрушение водных дисперсий перехватывающими очистителями
Несмотря на тенденцию к уменьшению применения воды на компрессорных станциях для охлаждения, применение электрообработки антропогенно измененных подземных и поверхностных вод источников [19, 51, 107], в том числе загрязненных сточными, подтоварными, льяльными, поддерживающими давление пласта [58] в нефтегазовой промышленности позволяет получать воду, соответствующую нормативным требованиям с минимальной концентрацией загрязняющих поверхности веществ [10].
При наложении внешнего электрического поля по мере повышения напряженности электрического поля (Е) превалируют эффекты: электролиз (Е 1В/см), электрохимическая коагуляция (Е 1-И0 В/см), электрокоагуляция ( 15-f-20 В/см), которые широко используют в технологиях очистки жидкости, в том числе природных и сточных вод. При дальнейшем повышении напряжения (U) на электродах, особенно в неоднородных полях, проявляются эффекты электро- и диполофореза, а в предпробойных режимах - диэлектрофореза, которые позволяют эффективно разрушать дисперсии и с незаряженными частицами дисперсной фазы [19, 37-К39].
Особенность поляризации в полярных средах связана с диффузностыо двойного электрического слоя, проявляющейся даже при диполыюй структуре межфазной границы, индуцирующей вторичные диффузные слои в глубине обеих фаз. Учет поляризационных сил особенно важен при построении физической картины электрокоагуляции, в технологии разделения систем с полярными средами, в том числе и очистки природных и сточных вод.
Устойчивость дисперсной системы в электрическом поле зависит от знака и величины суммарной энергии взаимодействия, обусловленной энергией молекулярного притяжения, ионно-электростатической энергией отталкивания и энергией диполь-дипольного притяжения (Vj) [38, 105]: где є, - диэлектрическая проницаемость среды; ра - штерновский потенциал; % - величина, обратная толщине диффузного электрического двойного слоя (дебаевский радиус экранирования); а - радиус частицы; h - расстояние между поверхностями частиц S = h/a + 2.
Из выражения (4.1), учитывающего заряд двойного ионного слоя и концентрацию электролита, следует известное выражение для нормальной Fr и тангенциальной Fr составляющих силы взаимодействия частиц с деформированным слоем [38, 40, 102]:
Свойства дисперсий целесообразно использовать в процессах электрообработки для отделения фазы от среды, то есть очистки жидкостей и перехвата загрязнений, откладывающихся на контактных внутренних поверхностях труб [20, 72].
В малоконцентрированных системах, где расстояние между частицами значительно превышает значимое для силовых поляризационных эффектов, возможно использование совокупности линейных и квадратических эффектов по полю. Это означает, что принципиально возможно разделение системы с наличием одной- двух частиц в безграничном объеме, что чрезвычайно важно для соответствующих технологических процессов. Как в неполярных, так и полярных дисперсионных средах поляризационные силы взаимодействия между частицами описываются сходными формулами в том смысле, что они содержат величину Е щаі/г , и это является прямым подтверждением дипольного характера сил. Это же означает, что электрические параметры режима электрообработки, а не электрохимические, наиболее важны для реализации процессов. Используя значения напряженности поля, обеспечивающие минимум потенциальной энергии на кривой взаимодействия частиц, возможно получить из минимально концентрированных максимально концентрированные системы при помощи следующих технологических стадий обработки: зарядка частиц - электрофорез- дипольная коагуляция - осаждение или диполофорез (диэлектрофорез) - дипольная необратимая коагуляция - седиментация. Дообработка, в случаях требования низких значений остаточного содержания дисперсионной среды в осадке, может быть обеспечена затем, например, электроосмосом и электрообезвоживанием, при которых полем транспортируются не дисперсные частицы, а сама среда.
С позиции энергосбережения можно пойти по другому пути -искусственно заряжать частицы, капли и газовые пузырьки [77] контактно или введением электролита - зарядчика, концентрировать и осаждать дисперсную фазу при умеренных значениях напряженности поля.
Похожие диссертации на Разработка методов предотвращения загрязнений и очистки контактных поверхностей нефтегазового оборудования
