Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Классификация и физико-химические характеристики нефтяных шламов 13
1.1. Образование и накопление амбарных шламов, их компонентный состав и физико-химические свойства 13
1.2. Экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе . 16
1.3. Существующие технологии переработки амбарных шламов 21
Глава 2. Исследование электрофизических, реологических и теплофизических свойств продукции нефтешламовых амбаров 31
2.1. Особенности электрофизических свойств нефтяных шламов 31
2.2. Экспериментальное определение электрофизических характеристик нефтяных шламов 44
2.2.1. Методика проведения экспериментов и объекты исследования...44
2.2.2. Экспериментальные исследования электрофизических свойств нефтяных шламов 50
2.2.3. Экспериментальные исследования времени образования адсорбционной пленки методом высокочастотной диэлектрической спектрометрии 63
2.2.4. Экспериментальные исследования влияния воздействия высокочастотного электромагнитного поля на электрофизические характеристики нефтяных шламов 66
2.3. Исследование теплофизических свойств нефтяного шлама 69
2.4. Экспериментальные исследования реологических свойств нефтяных шламов 71
Глава 3. Экспериментальные исследования воздействия высокочастотного электромагнитного поля на нефтяные шламы 78
3.1. Экспериментальные исследования нагрева нефтяных шламов высокочастотным электромагнитным полем 78
3.1.1. Разработка лабораторной модели высокочастотного четвертьволнового резонатора 78
3.1.2. Экспериментальная модель и методика проведения эксперимента82
3.1.3. Сопоставление результатов экспериментальных исследований высокочастотного и индукционного нагрева 85
3.1.4. Анализ результатов экспериментов 89
3.2. Экспериментальные исследования разложения нефтяных шламов при воздействии высокочастотным электромагнитным полем 93
Глава 4. Разработка технологии воздействия высокочастотного электромагнитного поля на нефтяные шламы 108
4.1. Высокочастотный четвертьволновый резонатор в качестве утилизатора амбарных шламов в промышленных условиях 108
4.2. Согласование резонатора с генератором 110
4.3. Принципиальная схема утилизации нефтешламовых амбаров 113
Основные результаты 117
Список литературы
- Экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе
- Экспериментальное определение электрофизических характеристик нефтяных шламов
- Разработка лабораторной модели высокочастотного четвертьволнового резонатора
- Принципиальная схема утилизации нефтешламовых амбаров
Введение к работе
Актуальность темы
Главная задача, ставшая перед человечеством в начале третьего тысячелетия - это охрана окружающей среды. Так, 9 статья Конституции РФ гласит: «Земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории»[1].
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды в результате техногенной деятельности человека являются предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. В результате аварийных ситуаций в трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов, а также в результате производственной деятельности предприятий нефтепереработки, в нашей стране накопилось огромное количество нефтешламов, которые усугубляют экологическую ситуацию. Надо акцентировать внимание на том, что нефтешламовые амбары находятся в местах, недоступных полю зрения большинства населения страны, и поэтому не столь заметны, как, например, выбросы заводских газов в атмосферу, но, несмотря на это они причиняют большой вред природе.
Актуальность проблемы утилизации нефтяных шламов обуславливается двумя основными задачами: во-первых, это охрана окружающей среды, а во-вторых, использование содержащегося в их составе вторичного сырья (углеводородов, редких металлов и других полезных компонентов).
Нефтяные шламы, накапливаемые в амбарах, представляют собой сложную многофазную гетерогенную среду из смеси окисленных углеводородов (смол, асфальтенов, парафина), песка, растительного слоя земли, воды, солей, различных химических реагентов, использованных в процессах добычи, сбора и подготовки товарной нефти. Накопление и хранение нефтесодер-жащих шламов в амбарах происходит в течение многих лет. Они занимают
существенные площади земли, создают серьезную угрозу окружающей среде, т.к. проникают в почву, попадают в источники воды, испаряются в атмосферу и являются причиной потери значительного количества углеводородного сырья.
Многокомпонентный состав продукции нефтешламовых амбаров, наличие в них различных химических соединений создают многие проблемы в разработке технологии обработки, извлечения из них товарной нефти, очистки от нефтепродуктов твердого остатка. Высокая вязкость, повышенное содержание механических примесей и, самое главное, высокая агрегативная устойчивость амбарных эмульсий обусловлены, главным образом, повышенным содержанием асфальтенов, смол, парафинов и других компонентов.
На сегодняшний день существует множество технологий утилизации нефтяных шламов, основанных, например, на химическом разделении (применение различных деэмульгаторов, химических реагентов и их композиций), применении растворителей (ШФЛУ, бензин, газойль т.д.), механическом разделении (гравитационный отстой, фильтр- прессы, центрифугирование и т.д.), применении высоких температур, обработке нагретым теплоносителем, промывке дренажной водой, сжигании в специальных печах, биологические методы разложения и т.д.[2-7]. Все эти методы с разной долей успеха испытывались и применялись как в отечественной, так и в зарубежной практике. Однако ни один из них в чистом виде не дал положительных результатов.
Одним из способов, способствующих существенному снижению агре-
гативной устойчивости и вязкости нефтяных шламов является воздействие
мощного высокочастотного электромагнитного (ВЧ ЭМ) поля резонансной
частоты, предложенный Ф.Л. Саяховым [8-13].
Целью работы является:
1. Экспериментальное изучение влияния воздействия ВЧ ЭМ поля на
электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных
шламов и нефтезагрязненных грунтов.
Экспериментальное исследование процесса нагрева нефтяных резервуаров ВЧ ЭМ полем с целью очистки их от донных остатков.
Разработка конструкции установок для утилизации нефтяных шламов воздействием ВЧ поля в промышленных условиях.
Научная новизна работы.
1. Измерены электрофизические, реологические и теплофизические пара
метры нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов при различном со
отношении углеводородной, водной и твердой части, выявлены закономер
ности их качественного и количественного изменения после ВЧ ЭМ воз
действия. Обнаружена аномальная зависимость значений электрофизиче
ских параметров от концентрации углеводородной и твердой части в неф-
тешламе, обусловленная поляризацией двойного электрического слоя и
пленочными эффектами; предложена полуэмпирическая формула для ком
плексной диэлектрической проницаемости рассмотренных дисперсных сис
тем, описывающих эту зависимость.
Обоснована возможность определения времени образования адсорбционной пленки из асфальтосмолистых компонентов нефтяного шлама на поверхности твердых дисперсных частиц и времени установления адсорбционного равновесия, основанная на исследовании электрофизических свойств дисперсной среды.
Показано, что при воздействии ВЧ ЭМ поля разрушение структуры и нагрев нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов является быстрым, энергетически и экономически более выгодным, чем другие способы воздействия.
Разработана конструкция ВЧ ЭМ четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов в промышленных масштабах, защищенная патентом РФ.
Практическая ценность
Разработана конструкция ВЧ ЭМ четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов в промышленных масштабах, защищенная патентом РФ.
Результаты экспериментальных и теоретических исследований электрофизических свойств многофазных гетерогенных сред необходимы для практической реализации воздействия на них ВЧ ЭМ поля. Эти результаты могут быть использованы также для создания влагомеров, учитывающих присутствие механических примесей (почвы, песка) и газа в измеряемой среде, в частности, углеводородной.
Достоверность экспериментальных измерений электрофизических, теплофизических и реологических характеристик исследуемых объектов проверялась тестовыми измерениями химически чистых жидкостей
Достоверность результатов по разложению сверхустойчивых эмульсий нефтешлама и выделению углеводородной части из нефтезагрязненных грунтов воздействием ВЧ ЭМ поля подтверждена многочисленными экспериментами при различных технологических режимах, которые проводились в течение нескольких лет. Производилась микрофотосъемка этих процессов, что давало визуальное подтверждение результатов.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на республиканских конференциях аспирантов и молодых ученых (БашГУ, Уфа, 1998-2004 г.г.), на научно-практической конференции «Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана» (БашНИПИНефть, Уфа 1998 г.), на республиканской научно практической конференции «Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» (ВНИИГИС, г. Октябрьский, 1999 г.), на II Всероссийской научно-практической конференция «Отходы-2000», (Уфа, 2000 г.), на XXII - XXV школах-семинарах по проблемам меха-
ники сплошных сред в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа, проведенных под руководством академика А.Х. Мирзаджанзаде (ИПТЭР, Уфа, 1998-2002 г.г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (ИПНГ РАН, Москва, 2004 г.)
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 16 научных работах и 2 патентах РФ
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 131 страницы, включая 55 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 150 наименований.
В первой главе приведен обзор литературных источников по вопросам классификации нефтешламовых амбаров и физико-химическим характеристикам их продукции. На основе литературных источников анализируется экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе. Приведен литературный обзор существующих технологий переработки нефтешламов.
Втора глава посвящена экспериментальному исследованию влияния ВЧ ЭМ поля на электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных шламов, нефтезагрязненного грунта при различных соотношениях углеводородной и твердой частей.
Проведением экспериментальных исследований по изучению теплофизи-ческих, электрофизических и реологических свойств многофазных гетерогенных сред и основываясь на известных теоретических представлениях и экспериментальных работах, установлено:
-нефтяные шламы, представляющие собой многофазную гетерогенную среду, являются слабопроводящими диэлектриками; особенности поведения этих сред во внешнем электромагнитном поле обусловлены поляризацией двойного электрического слоя и возникновением в результате этого индуци-
рованного дипольного момента дисперсных частиц;
-при воздействии мощных электромагнитных полей с оптимальным подбором всех его параметров (напряженности, частоты и величины градиента поля, времени воздействия) на многофазные гетерогенные среды, в них возникают процессы, способствующие интенсивному разделению фаз.
Приведены экспериментальные данные по определению теплоемкости и теплопроводности ряда образцов нефтешламов. Например, были измерены электрофизические характеристики нефтезагрязненного грунта с процентным содержанием нефти в них от 10% до 90%, а также чистой нефти и сухого грунта. Результаты экспериментов показали, что значения диэлектрической проницаемости є' и тангенса угла диэлектрических потерь tgb нефтезагрязненного грунта могут быть больше, чем значения е' и tgb для нефти и сухого грунта в отдельности.
На основе результатов экспериментов была получена полуэмпирическая зависимость относительной диэлектрической проницаемости многофазной гетерогенной дисперсной системы от соотношения углеводородной, воздушной и твердой фазы, учитывающая прирост диэлектрической проницаемости за счет поляризации двойного электрического слоя, образованного на поверхности твердых частиц в адсорбционном слое асфальтосмолистых компонентов нефти.
На базе этих экспериментов показана возможность оценки времени установления адсорбционного равновесия, основанная на том, что асфальто-смолистые соединения, адсорбируясь на частицах грунта, увеличивают значения электрофизических характеристик среды. По результатам этих исследований можно оценить время образования адсорбционной пленки, следовательно, изучением электрофизических свойств гетерогенных сред можно получить более полную информацию об адсорбционных процессах, происходящих в нефтенасыщенных средах.
Далее во второй главе исследуется влияние воздействия ВЧ ЭМ поля
на электрофизические свойства нефтяных шламов и нефтезагрязненных поч-венно-водных сред. Обнаружено, что происходит уменьшение значений диэлектрической проницаемости, вызванное отслоением воды. Что касается тангенса угла диэлектрических потерь после воздействия ВЧ ЭМ поля, полностью прекращается рост tgd с увеличением частоты ЭМ поля. Это объяснится тем, что в результате отслоения воды исчезает дисперсия диэлектрической проницаемости, следовательно, и рост тангенса угла диэлектрических потерь, вызванная поляризацией поверхности раздела фаз. При этом также уменьшается абсолютное значение tgb.
При утилизации продукции нефтешламовых амбаров и очистке нефтяных резервуаров от донных остатков, основной проблемой является их высокая вязкость и, как правило, её нелинейная зависимость от температуры. Были проведены экспериментальные исследования реологических свойств нефтяных шламов.
Полученные результаты показали, что зависимость вязкости г\(Т) не является монотонной; как правило, наблюдаются три характерных участка снижения вязкости, на каждом из которых функция ц(Т) может быть описана экспоненциальной зависимостью с разными показателями степени.
Воздействие ВЧ ЭМ поля складывается из теплового и менее заметного силового действия (пондеромоторных и термомеханических сил, термодиффузии и т.д.). Очевидно, что, чем выше температура среды, тем менее заметно влияние ВЧ ЭМ поля, это подтверждается экспериментами по изучению реологических свойств нефтешламов.
В третьей главе экспериментально исследуются воздействия ВЧ ЭМ поля на нефтяные шламы. Приводится описание лабораторного стенда, на котором производилась обработка нефтешлама ВЧ ЭМ полем, и методика проведения эксперимента. Для сравнения результатов ВЧ ЭМ воздействия с тепловым воздействием, проведены экспериментальные исследования индукционного нагрева нефтешламов.
Приведены количественные результаты воздействия ВЧ ЭМ поля на нефтяные шламы, нефтезагрязненный грунт. Установлено, что вода, которая присутствует в нефтешламе, в устойчивой эмульсии, отслаивается. Из неф-тезагрязненной почвы выделяется углеводородная часть.
Изучению влияния ЭМ полей на устойчивость водонефтяной эмульсии посвящены теоретические и экспериментальные работы Ф.Л. Саяхова, B.C. Хакимова, Н.Ш. Имашева, Р.М Башировой, Г.М. Панченкова, Л.К. Цабек, А.Г. Мартыненко, В.П. Тронова. Однако в этих работах не исследовались сверхустойчивые эмульсии нефтяных шламов.
Показано, что нагрев нефтяных резервуаров высокочастотным электромагнитным полем является быстрым и энергетически выгодным методом.
В четвертой главе описана технология и устройство утилизации нефтяных шламов в промышленных условиях. Приведена конструкция высокочастотного четвертьволнового электромагнитного резонатора для промышленной утилизации шламов, на которую получен патент РФ. Конструкция данной установки позволяет использовать все механизмы, способствующие разделению многокомпонентной гетерогенной среды на отдельные составляющие (разрушение бронирующей оболочки, диполофорез, электрокоагуляция). Описана технология утилизации нефтешламовых амбаров.
Автор выносит на защиту:
Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧ ЭМ поля на электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов показывающие возможность применения ВЧ ЭМ поля для утилизации нефтяных шламов. Полуэмпирическую зависимость диэлектрической проницаемости многофазных гетерогенных дисперсных систем от соотношения воздушной, твердой и углеводородных составляющих.
Обоснование возможности определения времени образования адсорбционной пленки из асфальтосмолистых компонентов на поверхности твердых
дисперсных частиц и времени установления адсорбционного равновесия, основанную на исследовании электрофизических свойств дисперсной среды.
Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения устойчивых и сверхустойчивых эмульсий нефтешлама ВЧ ЭМ воздействием.
Конструкцию высокочастотного электромагнитного четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов.
Экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе
Основной вред, причиняемый нефтяными шламами природе, приходится на почву. Почва — это связующее звено между атмосферой, гидросферой, литосферой и живыми организмами, которая играет важную роль в процессах обмена веществ и энергии между компонентами биосферы.
Любую почву можно рассматривать как многофазную гетерогенную систему, состоящую из твердой (минеральный «скелет», органический и биологический компоненты), жидкой (почвенный раствор) и газообразной (почвенный воздух) фазы. Почва представляет собой биоминеральную (биокостную) динамическую систему, находящуюся в материальном и энергетическом взаимодействии с внешней средой.
Минеральный состав почв складывается в основном из кварца (57() и алюмосиликатов (S1O2, AI2O3, НіО) в различных соотношениях.
Твердая фаза почв и почвообразующих пород состоит из разномерных частиц - механических элементов. Относительное содержание в почве таких элементов определяет ее гранулометрический состав.
От механического состава почв и почвообразующих пород в значительной мере зависит интенсивность многих почвенных процессов, связанных с превращениями, переносом и накоплением в почве органических и минеральных соединений.
Потери почвенного покрова во всем мире велики. Общая площадь почв, разрушенных за всю историю человечества, достигла 20 млн. км2, что намного превышает площадь всей пахотной земли, используемой в настоящее время. В результате застройки, производства горных работ, опустынивания и засоления почв мировое сельское хозяйство ежегодно теряет около 50 — 70 тыс. км2 [21,22].
Ю.И. Пиковский [23]отмечает, что при нефтяном загрязнении взаимодействуют три экологических фактора: а) сложность, уникальная поликом-понентность состава нефти, находящегося в состоянии постоянного изменения; б) сложность, гетерогенность состава и структуры любой почвы, находящейся в процессе постоянного развития и изменения; в) многообразие и изменчивость внешних факторов, под воздействием которых находится система: температура, давление, влажность, состояние атмосферы, гидросферы и др. Исходя из этого, оценивать последствия нефтяного загрязнения необходимо с учетом конкретного сочетания этих трех групп факторов.
Рассматривая общие закономерности трансформации нефти в почве, Ю.И. Пиковский отмечает, что нефть - это высокоорганизованная субстанция, состоящая из множества различных компонентов [23-25]. Она деградирует в почве очень медленно, процессы окисления одних структур ингиби-руются другими структурами, трансформация отдельных соединений идет по пути приобретения форм, трудноокисляемых в дальнейшем. На земной поверхности нефть оказывается в другой обстановке - в аэрируемой среде. Ос новной механизм окисления углеводородов разных классов в аэробной среде следующий: внедрение кислорода в молекулу, замена связей с малой энергией разрыва (С-С, С-Н) связями с большой энергией, следовательно, процесс протекает самопроизвольно.
Вредное экологическое влияние асфальто-смолистых компонентов на почву заключается не столько в химической токсичности, сколько в значительном изменении физических свойств почв. Если нефть просачивается сверху, ее асфальто-смолистые компоненты сорбируются, в основном, в верхнем, гумусовом горизонте, иногда прочно цементируя его. При этом уменьшается поровое пространство почв. Асфальто-смолистые компоненты гидрофобны. Обволакивая корни растений, они резко ухудшают поступление к ним влаги, в результате чего растения погибают.
Главной целью изучения загрязнений природной среды является как можно более быстрый возврат непригодных для использования земель в сельскохозяйственное производство, восстановление их первоначальной продуктивности. Скорость разложения нефти в почве по данным разных авторов различается в пять и более раз, восстановление первоначальной продуктивности земель при активной рекультивации происходило в одних случаях в течение года, в других растягивалось от нескольких лет до 12 и более. Так, А. А Оборин, И. Г Калочникова, Т. А Масливец и др. [26-29], изучая процессы самоочищения нефтезагрязненных почв Предуралья и Западной Сибири на примере экспериментальных пробных площадок, выделили следующие этапы деградации нефти в почве:
I этап (первые 1-1,5 года). Имеют место физико-химические процессы: распределение углеводородов по профилю, испарение, вымывание, ультрафиолетовое облучение. К концу первого года полностью исчезают н-алканы. Биота подавлена, идет адаптация к новым условиям и постепенное повышение количества микроорганизмов, особенно углеродокисляющих.
Экспериментальное определение электрофизических характеристик нефтяных шламов
Относительную диэлектрическую проницаемость є и тангенс угла диэлектрических потерь tgd жидкостей в диапазоне частот 30-300 МГц измеряют куметром, используя специальную ячейку-конденсатор [51,88-95]. Метод куметра является резонансным методом измерения диэлектрических величин, где в основу положено измерение добротности и собственной частоты резонатора при помещении в него исследуемого образца. В этом случае расчетные формулы имеют вид: = = Я- 8 = --й-;С = С,-С2, (2.2.1) где С\, Съ Q\, Qi - емкости эталонного конденсатора и добротности контура до и после подключения измерительного конденсатора; Со - емкость пустого конденсатора; С„ - паразитная емкость конденсатора. При измерениях исследуемая жидкость заливается в измерительный конденсатор. Для определения емкости пустого измерительного конденсатора и паразитной емкости монтажных проводников необходимо откалибро-вать конденсатор по эталонным жидкостям с известными диэлектрическими характеристиками на этих частотах. При калибровке с двумя жидкостями можно записать: Ci=8 ,Co+Cn,- (2.2.2) С2=є,2Со+Сп; (2.2.3) где С\ и Сг — измеренные емкости конденсатора с эталонными жидкостями; Єї и є2 - относительные диэлектрические проницаемости эталонных жидкостей; Со - рабочая емкость пустого конденсатора. В качестве эталонных жидкостей обычно используют четыреххлори-стый углерод, толуол [96].
Погрешность измерения куметром составляет 5-10% для є и 10-15% для tgd.
Для измерения диэлектрических характеристик различных нефтяных шламов и нефтезагрязненных почвенно-водных сред была собрана экспериментальная установка-устройство высокочастотной диэлектрической спектрометрии [97,98].
Устройство высокочастотной диэлектрической спектрометрии (УВДС-1) предназначено для измерения диэлектрических характеристик (относительной диэлектрической проницаемости є , тангенса угла диэлектрических потерь tg& жидких диэлектриков в зависимости от температуры Т в диапазоне частот 30-300 МГц.
Блок - схема установки УВДС-1 изображена на рис. 2.2.1. В УВДС-1 входят измерительная ячейка (2) , куметр Е4 -11 (1) [99], термостат (4). Изме рительная ячейка представляет собой цилиндрический конденсатор особой конструкции.
Принципиальная электрическая схема установки УВДС-1 показана на рис.2.2.2. В принципиальную электрическую схему входят измерительный конденсатор 3, заключенный в кожух «экран» - 1, измеритель добротности (Е4-11)-2. Напряжение заданной частоты с измерителя добротности подается на обкладки измерительного конденсатора. Принципиальная гидравлическая схема представлена на рис. 2.2.3.
Заданная температура в измерительном конденсаторе обеспечивается циркуляцией термостатирующеи жидкости в системе «термостат-терморубашка» измерительного конденсатора.
Термостат с терморубашкой измерительного конденсатора, с водопроводной сетью и канализацией были соединены резиновыми шлангами согласно гидравлической схеме.
Перед работой необходимо промыть все детали измерительного конденсатора керосином и насухо протереть неволокнистой ветошью, обращая особое внимание на места выхода электропроводов, протереть внутреннюю поверхность внешнего электрода и наружную поверхность внутреннего электрода спиртом.
Перед сборкой необходимо смазать: резиновые прокладки смазкой ЦИА-ТИМ-227 по ГОСТ 9433-60, резьбу медно-графитовой смазкой. Подготовленный к измерениям измерительный конденсатор устанавливается на измерителе добротности, электровыводы подключаются к гнездам «С» куметра. Измерительная ячейка заполняется испытываемом нефтяным шламом так, чтобы нефтешлам доходил до краев внешнего электрода.
Разработка лабораторной модели высокочастотного четвертьволнового резонатора
Одним из способов воздействия, способствующих существенному снижению агрегативной устойчивости и вязкости нефтяных шламов, является воздействие мощного ВЧ ЭМ поля резонансной частоты, предложенный Ф.Л. Саяховым [8,10-12]. В данном случае имеется в виду резонансное взаимодействие ВЧ ЭМ поля с тяжелыми полярными молекулами нефтей, которые в первую очередь и обуславливают агрегативную устойчивость углеводородных систем [50,58,59,124,125].
Целью данного раздела является описание экспериментального исследования воздействия ВЧ ЭМП на нефтяные шламы. Были проведены исследования воздействия высокочастотного электромагнитного поля на донные остатки в модели нефтяного резервуара.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан и изготовлен лабораторный стенд высокочастотного четвертьволнового резонатора, представляющий собой уменьшенную копию промышленного варианта установки по переработке нефтяных шламов, на который получен патент РФ [123].
Конструкция утилизатора рис. 3.1.1. позволяет создать в рабочей зоне электрическое поле. Рассмотрим методику расчета некоторых электрических параметров такого утилизатора, настроенного на частоту питающего генератора.
Установка представляет собой систему коаксиальных труб со специальным устройством для ввода высокочастотной энергии. Внутренняя труба служит высокопотенциальным электродом, соответственно, внешняя — низкопотенциальным.
Рабочая длина / регулируется с помощью металлической планшайбы. Радиусы труб выбираются из условия а/Ь&3,6. Обработка производится в специальной ячейке 1а. Так как длина резонатора составляет около 5 метра, она не помещалась в комнату, из-за этого часть коаксиальных труб была заменена мощным коаксиальным кабелем марки РК-75-44-12.
Длину резонатора (т.е. длину внутренней трубы резонатора) определим из условия[126,127] где с - скорость света;/- частота ВЧ поля; є - диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей межэлектродное пространство (т.е. нефтешлама). Ширину частотной полосы пропускания ВЧ утилизатора найдем из со-отношения[ 126-128]: А/ = —, (3.1.2) где а= ад+ар - коэффициент затухания электромагнитных волны, определяемый как сумма коэффициента затухания в диэлектрике ад и коэффициента затухания в стенках резонатора ар, ад определяется выражением[128]: ад=п/тІг0\і0вЧфд; (3.1.3)
Здесь є0 fJ-o — диэлектрическая и магнитная проницаемость вакуума, є , tg&a -относительная диэлектрическая проницаемость и тангенс угла диэлектрических потерь нефтешлама, которые были измерены методом ВЧ диэлькомет-рии. Графики зависимости є , tgb от частоты внешнего ВЧ ЭМ поля для нефтешлама были получены в 2 главе рис 2.2.5 - 2.2.8. ар определяется из выра (3.1.4)
В этом выражении а, \а - удельная электропроводность и магнитная проницаемость металлических труб утилизатора, а и b — радиус внутренней и внешней трубы резонатора соответственно.
Значения ссд и ар определяется диэлектрическими свойствами среды (нефтешлама), заполняющего резонатор, электрическими и магнитными свойствами материала труб, частотой поля и отношением диаметром труб 2Ы2а.
Одним из важных технологических показателей процесса утилизации является величина напряженности поля в межэлектродном пространстве резонатора. Амплитуду ВЧ напряжения между электродами определим, используя известное соотношение[126,128]: U2 Р0= , (3.1.5) где Р0 - мощность генератора, Вт; ZK- волновое сопротивление коаксиальной линии, Ом (для системы 2-х труб, из которых образован утилизатор).
Принципиальная схема утилизации нефтешламовых амбаров
Частота должна соответствовать максимальному значению тангенса угла диэлектрических потерь нефтешлама. Определяется из экспериментально измеренной зависимости тангенса угла диэлектрических потерь нефтешлама от частоты при соответствующей температуре.
Резонансное положение металлической планшайбы 9, регулируемое реверсивным двигателем 11, фиксируется электронным устройством 10, сигнал к которому поступает от зонда 5.
Конструкция данной установки позволяет использовать все механизмы, способствующие разделению многокомпонентной гетерогенной среды на отдельные фазы, возникающие в этих средах при воздействии электромагнитного поля (разрушения бронирующей оболочки, диполофорез, электрокоагуляция). При этом между обкладками плоского конденсатора 4 создается мощное однородное ВЧ ЭМ поле, способствующее разрушению бронирующих оболочек частиц воды, а в коаксиальном участке генерируется неоднородное ВЧ ЭМ поле, при котором частицы воды испытывают диполофоретеческое (диэлектрофоретическое) движение к центральной трубе 3 и впоследствии выводятся через специальные отверстия 7.
Линейные размеры устройства и частота воздействующего ЭМ поля находятся экспериментальным измерением диапазона изменения диэлектрической проницаемости и резонансной частоты поглощения продукции неф-тешламового амбара. Исходя из этих данных, рассчитываются линейные размеры устройства и частота воздействующего ЭМ поля, и по этим размерам изготовляется устройство для переработки нефтяных шламов.
В области высоких частот, где длина волны ЭМ поля становится соизмеримой с длинами проводящих линий самих устройств, нужен специальный подход для согласования этих устройств с питающими генераторами. Для этого рассмотрим методы согласования на высоких частотах.
Сначала надо ввести такие понятия как, волновое сопротивление проводящей линии ZoK входное сопротивление ZBx [126]. где [/о и /о - напряжение и сила тока в линии, L и С - индуктивность и емкость линии, Ux и /х амплитуды напряжения к амплитуде тока в данной точке, ZH - сопротивление нагрузки, р = 2пХ волновое число, X - длина волны.
Остановимся на понятии волнового сопротивления. Для коаксиальной линии [121]:
В технике ВЧ и СВЧ, как правило, находят применение линии в таком конструктивном выполнении, что затуханием в большинстве случаев можно пренебречь (линии без потерь). Однако не только это обстоятельство оправдывает специальное рассмотрение линий без потерь, но также и то, что соотношения, которым они подчиняются, позволяют проще и нагляднее вскрыть целый ряд закономерностей и особенностей поведения линии вообще [121, 145,146].
Таким образом, во многих случаях в технике ВЧ и СВЧ активное погонное сопротивление и погонная утечка линий очень малы по сравнению с соответствующими реактивными членами: Rx «(oLl,Gl «со С,. Следовательно Напряжение в любой точке длинной линии (т.е. линии, длина которой соизмерима с длиной волны) определяется в общем случае как результат суперпозиции двух волн - падающей (от генератора) и отражённой (от конца линии). Введем «коэффициент отражения»
Из этих соотношений ясно, что Ги = j. Если сопротивление нагрузки ZH равно волновому сопротивлению Zo, то отражения нет, имеется режим бегущей волны.
Значит, линия, нагруженная на сопротивление, равное волновому, работает как идеальный фидер согласованная с нагрузкой, которая поглощает всю подводимую энергию.
Периодическое изменение входного сопротивления вдоль линии обуславливает возможность применения линий определенной длины в качестве четырехполюсников, преобразующих сопротивления, и вводимых в передающую систему для согласования сопротивлений генератора и нагруз-ки[126].
С этой точки зрения наибольший интерес представляют «полуволно . Я Я вые» и «четвертьволновые» участки, т.е., отрезки линии длиной в —, и —.
Подставим в формулу входного сопротивления (4.2.27) значение х = —, получим: Тот же результат получится, очевидно, при х = — п, где п- целое число, не равное единице. Значит, участок линии длиной в полволны или в целое число полуволн обладает входным сопротивлением, равным сопротивлению нагрузки, т.е. служит своеобразным трансформатором с коэффициентом трансформации равным единице, к=\.
Рассмотрим часто встречающиеся длинные линии, используемые в качестве резонансных систем. Высокочастотный утилизатор для переработки нефтяных шламов представляет собой высокочастотный резонатор, коротко замкнутый в конце и имеет конечную емкость в начале Со
