Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Анализ условий образования и хранения нефтяного шлама в открытых амбарах, его состава и физико-химических свойств 16
1.1. Образование отходов в нефтедобыче, их состав, размещение и вред, наносимый природе 16
1.2. Анализ современных технологий утилизации нефтяных шламов 26
1.3.Применение электромагнитного (ЭМ) поля для утилизации нефтяных шламов и разрушения водонефтяных эмульсий 34
1.4. Электрофизические свойства нефтегазовых систем 38
Выводы по I главе 51
Глава II. Исследование физико-химических и электрофизических свойств нефтяных шламов 52
2.1. Исследование физико-химических свойств нефтяных шламов 52
2.2. Экспериментальные исследования электрофизических свойств нефтяных шламов в высокочастотном (ВЧ) диапазоне частот 60
2.2.1. Методика, аппаратура и объекты исследования 60
2.2.2. Исследование частотных зависимостей электрофизических параметров нефтешлама в ВЧ диапазоне частот 65
2.2.3. Исследование температурных зависимостей электрофизических характеристик нефтешламов ВЧ диапазоне частот ...71
2.3. Исследование электрофизических свойств водонефтяных эмульсий.. 76
2.4. Исследование теплофизических свойств нефтешлама 82
2.5. Исследование реологических свойств нефтяных шламов 83
2.6. Разработка ВЧ-диэлькометрического метода подбора эффективных деэмульгаторов 90
Выводы к II главе 93
Глава III. Экспериментальные исследования воздействия ВЧ и СВЧ электромагнитных полей на нефтяные шламы 95
3.1. Аппаратура и методика исследований 95
3.2. Исследование воздействия ВЧ электромагнитного поля на нефтяные шламы 97
3.2.1. Изучение микроструктуры нефтешлама при ВЧ электромагнитном воздействии 97
3.2.2. Разрушение водонефтяной эмульсии в ВЧ электромагнитном поле в зависимости от её электрофизических свойств 101
3.3. Воздействие СВЧ электромагнитного поля на нефтяные шламы 103
3.4. Сопоставительный анализ результатов исследований расслоения
нефтешлама в ВЧ и СВЧ электромагнитных полях 105
3.5. Исследование влияния электромагнитных полей на электрофизические и реологические характеристики нефтешлама 108
3.5.1. Влияние электромагнитных полей на электрофизические характеристики нефтешлама 108
3.5.2. Влияние электромагнитных полей на реологические свойства нефтешлама 112
3.6. Особенности нагрева нефтешлама в ВЧ электромагнитном поле 117
3.7. Исследование воздействия ВЧ электромагнитного поля на нефтешлам в динамических условиях 120
3.8. Способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием ВЧ электромагнитного поля с учетом отслоения воды 122
Выводы по главе III 126
Глава IV. Экспериментально - промысловые исследования переработки нефтешламов с использованием СВЧ электромагнитного поля 127
4.1. Экспериментальное обоснование возможности применения СВЧ энергии для переработки нефтешламов ООО «ПромЭкология» 127
4.2. Лабораторное изучение процесса компаундирования высоковязких нефтей и нефтешламов для повышения качества их переработки 138
4.3. Лабораторные исследования интегрированной технологии компаундирования и СВЧ ЭМ обработки нефтешлпмов 152
Выводы по главе IV 154
Глава V. Разработка промышленной установки и испытания технологии переработки нефтешламов с применением свч электромагнитного поля 155
5.1. Физическая сущность технологии 155
5.2. Поэтапное описание технологии 156
5.3. Описание промышленной технологии переработки верхних слоев нефтешламового амбара СВЧ электромагнитным полем 158
5.4. Описание промышленной технологии переработки нижних слоев нефтешламовых амбаров методом компаундирования с нефтью 170
5.5. Описание интегрированной промышленной технологии переработки нефтешламов методом компаундирования и обработкой СВЧ
электромагнитным полем 178
Выводы к главе V 180
Основные выводы 182
Список использованных источников 184
Приложения 200
- Образование отходов в нефтедобыче, их состав, размещение и вред, наносимый природе
- Исследование частотных зависимостей электрофизических параметров нефтешлама в ВЧ диапазоне частот
- Изучение микроструктуры нефтешлама при ВЧ электромагнитном воздействии
- Экспериментальное обоснование возможности применения СВЧ энергии для переработки нефтешламов ООО «ПромЭкология»
Введение к работе
Актуальность темы
Утилизация отходов производства в целях предотвращения их вредного воздействия на здоровье человека и окружающую среду, а также вовлечение отходов в хозяйственный оборот в качестве дополнительных источников сырья являются важнейшей экологической задачей во всем мире. В нефтедобывающей промышленности эта проблема касается переработки и утилизации нефтяных шламов, образующихся при строительстве нефтяных и газовых скважин, при разработке и эксплуатации месторождений, очистке сточных вод, содержащих нефтепродукты, а также при чистке резервуаров, емкостей и другого оборудования. Нефтяные шламы по составу чрезвычайно разнообразны и представляют собой сложные системы, состоящие из нефтепродуктов, воды и минеральной части (песка, глины, ила
и т.д.), соотношение которых колеблется в очень широких пределах, в среднем (по массе) 10…60 % нефтепродуктов, 30…85 % воды, до 45 % твердых примесей.
Накопление нефтешламов, как правило, осуществляется на специально отведенных для этого площадках или в бункерах без какой-либо сортировки или классификации. В шламонакопителях происходят естественные процессы – накопление атмосферных осадков, развитие микроорганизмов, протекание окислительных и других процессов, которые ведут к самовосстановлению почвенного покрова. Однако в связи с наличием большого количества солей и нефтепродуктов при общем недостатке кислорода процесс самовосстановления протекает десятки лет. Состав нефтяного шлама, хранящегося в шламонакопителях в течение нескольких лет, отличается от состава свежего. Нефтяной шлам, образующийся в резервуарах для хранения нефтепродуктов, по составу и свойствам также отличается от нефтяного шлама очистных сооружений.
Выбор методов обезвреживания и переработки нефтяных шламов, в основном, зависит от количества содержащихся в шламе нефтепродуктов и от его состава. Многокомпонентный состав продукции нефтешламовых амбаров, наличие в ней различных химических соединений создают многие проблемы при разработке технологий обработки, извлечения из нее товарной нефти, очистки от нефтепродуктов твердого остатка. Высокая вязкость, повышенное содержание механических примесей и, самое главное, высокая агрегативная устойчивость амбарных эмульсий обусловлены, преимущественно, повышенным содержанием асфальтенов, смол, парафинов и других высокомолекулярных компонентов.
В качестве основных методов обезвреживания и утилизации нефтеотходов на практике используются:
- термические методы обезвреживания;
- методы биологической переработки;
- физико-химические методы переработки;
- химические методы обезвреживания.
В последние годы получают развитие термические методы с применением электромагнитной (ЭМ) энергии, в частности, высокочастотного (ВЧ) и сверхвысокочастного (СВЧ) диапазонов.
Изучению влияния электромагнитных полей на нефтяные среды посвящены теоретические и экспериментальные работы Айропетяна М.А., Великанова В.С., Саяхова Ф.Л., Сюняева Р.З., Ковалевой Л.А., Хабибул-
лина И.Л., Суфьянова Р.Р., Зиннатуллина Р.Р., Шагаповой Р.Р., Дыблен-
ко В.П., Кислицина А.А., Хакимова В.С., Туфанова И.А., Булгакова Р.Т., Чистякова С.И., Фатыхова М.А., Хамзина А.А., Абдуллина Я.Х., Арутю-
нова А.И., Мажникова Е.Я., Башилова А.А., Столова А.И., Травкина А.И., Имашева Н.Ш., Башировой Р.М., Панченкова Г.М., Мартыненко А.Г., Бикбулатова И.Х., Шулаева Н.С., Abernety E.R., Stresty G.G., Homer L.,
Spenser Jr., Snow R.N., Bridges J.E., Taflove A. и др.
Для выбора оптимальных режимов электромагнитной обработки, при которых достигается наибольшая эффективность, необходимо иметь информацию о диэлектрических, реологических и теплофизических свойствах нефтяного шлама как до обработки, так и в процессе и после обработки. Важно изучение и взаимного влияния перечисленных свойств друг на друга. Из анализа имеющихся многочисленных работ в этом направлении
установлено, что до сих пор не выявлены закономерности деструктуризации надмолекулярных структур, образованных из асфальтенов, смол и парафинов, после воздействия на них электромагнитным полем.
Первоочередной задачей является исследование поведения водонефтяных эмульсий в электромагнитном поле, так как основная часть большинства нефтешламовых систем представляет собой сверхустойчивую эмульсию. Такого рода исследования составляют основу технологии переработки нефтяных шламов с использованием энергии электромагнитного поля.
Цель работы - разработка научно обоснованных технико-технологических решений, направленных на повышение эффективности переработки и утилизации нефтяных шламов, и создание на этой основе технологии и промышленной технологической установки.
Основные задачи работы
-
Анализ современного состояния применения технологий утилизации нефтяных шламов, в том числе основанных на использовании энергии электромагнитного поля.
-
Исследование диэлектрических, реологических и теплофизических свойств нефтешламов в зависимости от частоты ЭМ поля, температуры, содержания воды и других параметров.
-
Исследование диэлектрических и реологических свойств модельных и реальных водонефтяных эмульсий.
-
Экспериментальное исследование воздействия ВЧ и СВЧ электромагнитных полей на нефтяные шламы и водонефтяные эмульсии.
-
Экспериментальное исследование влияния электромагнитного поля на электрофизические параметры нефтяных шламов.
-
Обоснование необходимости использования ВЧ или СВЧ электромагнитного поля при реализации процесса переработки нефтяных шламов.
-
Разработка технологической схемы промышленной установки переработки продукции нефтешламовых амбаров, включающей их электромагнитную обработку.
-
Проведение опытно-промышленных испытаний технологии переработки нефтешламов с использованием энергии электромагнитного поля.
Научная новизна
-
На основе обобщения литературных данных и экспериментального изучения диэлектрических свойств различных нефтяных шламов выявлены закономерности их поведения в широком диапазоне частот ЭМ поля и температур. Показано, что диэлектрические параметры реального нефтешлама могут иметь две области дисперсии - в ВЧ и СВЧ диапазонах, позволяющие использовать энергию ВЧ и СВЧ ЭМ полей при переработке нефтешламов.
-
В результате исследования избирательного воздействия ЭМ полей ВЧ и СВЧ диапазонов на нефтешлам установлено, что его расслоение на нефтяную и водную фазы происходит эффективнее в ВЧ ЭM поле, если частота поля входит в область дисперсии диэлектрических параметров
нефтешлама. В противном случае более эффективным является СВЧ ЭМ воздействие. -
Оценена эффективность и предложен механизм разрушения структуры нефтяных шламов воздействием ВЧ и СВЧ ЭМ полей. Показано, что определяющим фактором является разрушающее действие поля на входящие в состав нефтешлама водонефтяные эмульсии, зависящее от их диэлектрических свойств.
-
Обнаружен эффект локального разрыва капель воды в эмульсии в СВЧ ЭM поле, что может привести к отрицательному результату воздействия – переходу эмульсии в еще более устойчивое состояние.
-
Разработан способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием электромагнитного поля, защищенный патентом РФ.
-
Разработаны технология и промышленная технологическая установка переработки нефтяных шламов с использованием энергии СВЧ
электромагнитного поля. На основе результатов опытно-промышленных испытаний даны рекомендации по оптимальным режимам обработки шлама СВЧ электромагнитным полем.
Основные защищаемые положения:
1. Технология переработки нефтяных шламов с использованием ЭМ энергии и промышленная технологическая установка, включающая СВЧ обработку движущегося в ней нефтешлама.
2. Методика выбора эффективного варианта ЭМ воздействия ВЧ или СВЧ диапазона на основании экспериментальных исследований.
3. Способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием
электромагнитного поля, защищенный патентом РФ.
4. Установленный в результате экспериментальных исследований механизм взаимодействия ВЧ и СВЧ ЭМ полей с нефтешламовыми средами.
5. Комплексная технология СВЧ ЭМ переработки продукции
нефтешламовых амбаров с введением деэмульгатора и использованием метода компаундирования.
Практическая ценность и реализация результатов работы
Выполненные экспериментальные исследования легли в основу технологии переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ ЭМ поля. Результаты экспериментальных исследований диэлектрических и реологических свойств нефтешлама являются необходимой базой для установления оптимальных параметров электромагнитного воздействия. Предложен способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием электромагнитного поля, защищенный патентом РФ. Результаты опытно-промышленных испытаний показали высокую эффективность предложенной технологии.
Комплексная технология переработки продукции нефтешламовых амбаров внедрена в ООО «ПромЭкология».
Апробация работы
Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции «Современные технологии нефтегазового дела» (Уфа, 2007), Российской конференции «Механика и химическая физика сплошных сред» (Бирск, 2007), международной научно-технической конференции «Наука – образование – инновации» (КНР, Харбин-Санья, 2008), международной конференции «Наука и технология нефтедобычи» «Геопетроль-2008» (Польша, Краков, 2008), международной конференции «Наноявления при разработке месторождений углеводородного сырья: от наноминералогии и нанохимии к нанотехнологиям» (Москва, 2008, 2010), Международной конференции «Petroleum Phase Behavior and Fouling – Petrophase X» (Рио-де-Жанейро, 2009), Международной конференции «Petroleum Phase Behavior and Fouling – Petrophase XI (Нью-Йорк, 2010). Материалы диссертационной работы докладывались на Секции разработки нефтяных месторождений ЦКР РОСНЕДРА РОССИИ (протокол № 4451 от 04.12.2008).
Публикации
По материалам диссертации опубликованы 53 печатные работы, в том числе 10 статей в центральных рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК РФ, 8 патентов РФ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка литературы, включающего 163 наименования, и 2 приложений. Работа изложена на 240 страницах машинописного текста, включает 28 рисунков, 23 таблицы.
Образование отходов в нефтедобыче, их состав, размещение и вред, наносимый природе
В третьей главе исследуется воздействие ВЧ и СВЧ ЭМ полей на образцы нефтешлама и модельных эмульсий с целью выявления наиболее эффективного метода воздействия и оптимальных режимов разрушения. Для экспериментальных исследований воздействия ЭМ поля ВЧ диапазона на исследуемые образцы использовался лабораторный стенд высокочастотного четвертьволнового резонатора с рабочей частотой 13,56 МГц.
Аналогичные исследования проводили на тех же образцах в диапазоне СВЧ излучения, а также при тепловой обработке на водяной бане. При этом соблюдалось условия равенства конечной температуры при всех видах воздействия. Обработка образцов ЭМ полем в СВЧ диапазоне проводилась в микроволновой печи промышленного производства с рабочей частотой 2,4 ГГц.
Результаты исследований воздействия электромагнитного поля на различные образцы нефтешлама и модельных водонефтяных эмульсий показали, что эффективность их расслоения на нефть и воду в СВЧ ЭМ поле зависит от содержания в образце асфальтено - смолистых веществ, а, следовательно, и от толщины бронирующей оболочки. Результаты, полученные после воздействия ВЧ ЭМ полем частотой 13,56 МГц, показали, образцы, у которых резонансная частота оказалась наиболее близкой к рабочей частоте ВЧ генератора, разрушаются наиболее эффективно.
Однако даже при совпадении резонансной частоты образца с рабочей частотой генератора полного разрушения не наблюдается. Этот факт объясняется тем, что по мере отслоения воды собственная резонансная частота эмульсии либо нефтешлама смещается в область более высоких частот. Поэтому ЭМ поле выбранной частоты излучения уже не оказывает ожидаемого эффекта. Для дальнейшего разрушения образца, необходимо перейти к иной частоте излучения. На основе полученных результатов разработан способ обезвоживания водонефтяных эмульсий воздействием электромагнитного поля, защищенный патентом РФ.
Далее в третьей главе изучается влияние ВЧ и СВЧ электромагнитных полей на физические свойства нефтяных шламов (диэлектрические, реологические, тепловые). Кроме этого, в работе исследовалось влияние температуры обработки на изменение реологических свойств образов нефтяного шлама, при термообработке и обработке электромагнитными полями ВЧ и СВЧ диапазона.
В четвертой главе описываются экспериментальные исследования, направленные на изучение возможности применения энергии СВЧ электромагнитного поля для переработки верхних слоев нефтешламового амбара №15 ООО «ПромЭкология», а также возможности применения метода компаундирования нефтешлама средних и нижних слоев сырой либо товарной нефтью, а также возможности применения этих методов в комплексе.
Приводятся результаты лабораторных исследований, включающих: - термическую обработку нефтешлама с добавлением химических реагентов с последующим разделением в центробежном поле декантора; - термическую обработку нефтешлама с добавлением химических реагентов при одновременной обработке СВЧ электромагнитным полем. В процессе опытно-промысловых экспериментов проводилось исследование физико-химических свойств и состава переработанной продукции, а также оценка возможности улучшения экономических показателей технологического процесса (подбор температуры начальной обработки нефтешлама, дозировки химреагента, регулирование мощности и времени воздействия СВЧ генератора). Проводилось две серии экспериментов: в первой серии все пробы обрабатывались в микроволновой печи (рабочая частота 2.4 МГц, мощность 800 Вт, время обработки 1 мин.) с последующим центрифугированием; во второй серии пробы центрифугировались без обработки полем. Здесь же приведены результаты исследований по определению оптимальной дозировки реагентов Геркулес 1017 и Дауфакс DF, подбору начальной температуры обработки нефтешлама, определению оптимального времени обработки продукции в СВЧ электромагнитном поле, мощности излучения, а также по оценке времени релаксации обработанной продукции, что определяет время между обработкой СВЧ полем и центрифугированием в деканторе. Далее в четвертой главе исследуется возможность применения компаундирования нефтешлама с сырой или товарной нефтью с последующей обработкой в СВЧ поле при переработке высоковязких шламов. Экспериментальные исследования в этом направлении были проведены в два этапа. На первом была исследована возможность применения компаундирования и установлены оптимальные параметры для достижения наибольшего эффекта. На втором - изучалось совместное применение компаундирования и СВЧ обработки. В пятой главе описана интегрированная технология переработки нефтяного шлама с применением энергии СВЧ электромагитного поля и его компаундирования с сырой или товарной нефтью. Приводится список требований, предъявляемых к технологическому процессу и технологическая схема, разработанная с учетом этих требований. Приведены основные технологические блоки промышленной установки и сам технологический процесс переработки. Описывается промышленная технология переработки нефтешлама методом компаундирования с нефтью и результаты промышленных испытаний технологии, проведенных на нефтешламовой установке, принципиальная схема которой разработана автором в ООО «ПромЭкология».
Исследование частотных зависимостей электрофизических параметров нефтешлама в ВЧ диапазоне частот
Таким образом, электрофизические характеристики: полярных жидкостей в области дисперсии (в области частот ориентации полярных компонентов) несут чрезвычайно обширную информацию: они зависят от структуры и строения молекул, их взаимодействия, образования и разрушения структур, ассоциаций, концентраций включений, давления, температуры и множества других внутренних и внешних факторов, фазового состояния, химических процессов, наличия фазовых границ. Более широкая информация может быть получена при измерении диэлектрических характеристик полярных диэлектриков в области частот ориентационной поляризации и вблизи температуры фазового перехода. Для обоснования целесообразности исследования электрофизических характеристик нефтяных шламов исходят из следующих положений [109]: 1. Диэлектрические характеристики материалов являются наиболее универсальными и чувствительными ко всяким изменениям внешних условий. Они зависят от структуры и строения молекул, их взаимодействия, наличия границ фаз, вида фазового перехода, концентрации посторонних примесей, температуры, давления и многих других внутренних и внешних факторов. 2. Исследование и анализ диэлектрических свойств материалов нефтяной технологии показало, что многие особенности частотной и температурной зависимости и степень влияния на них тех или иных факторов, главным образом, определяются явлением ориентационной поляризации тяжелых полярных компонентов нефти. 3. С другой стороны, из исследований известно, что устойчивость нефтяных шламов и их высокая вязкость обусловлены тяжелыми полярными компонентами и их высокой поверхностной активностью. 4. Кроме того, установлена определенная связь, корреляция между диэлектрической проницаемостью, поверхностной активностью и поверхностным натяжением. 5. Более широкая информация может быть получена при измерении диэлектрических характеристик полярных диэлектриков в области частот ориентационной поляризации и вблизи температуры фазового перехода. 6. Имеется аппаратура и методика для измерения с необходимой точностью диэлектрических свойств различных материалов в этом диапазоне частот. Нефтяные среды (продуктивный пласт, водонефтяные эмульсии, нефтяной шлам) с точки зрения физической классификации относятся к многофазным гетерогенным средам. Большинство физических эффектов, возникающих в таких средах, в основном, обусловлены гетерогенностью их структуры. Электромагнитные взаимодействия является фундаментальными, и играют определяющую роль в строении, и во всех без исключения физических процессах, происходящих в гетерогенных средах.
Исследование электрофизических свойств гетерогенных сред позволяет решать многие задачи, связанные с различными процессами: дипольнои поляризацией адсорбированных молекул на поверхности, пленочными эффектами, поляризацией двойного электрического слоя, адсорбцией, структурированием жидкости в граничном слое и структурными перестройками в нем при повышении температуры, электрической «неоднородностью» поверхности и т.д.
Основные представления об электрофизических свойствах гетерогенных сред были изложены в работах Максвелла [160]. Теория Максвелла была обобщена для боле сложных структур в работах Вагнера, Релея, Ханай и др. [162, 142, 156, 157, 159]. Существенный вклад в развитие представлений об электрофизических свойствах гетерогенных сред, обусловленных именно их гетерогенностью, внесли Л.Д. Ландау, Б.В. Дерягин, С.С. Духин, В.Н. Шилов, С. Такашима, Х.П. Шванн, Т.Л. Челидзе, В.Р. Экстерла-Льопис, А.И. Гаврилюк, Д. Фиат, Р.З. Сюняев, И.А. Разилов, P.P. Нигматуллин и др. [145, 36, 39, 91, 37]. Обобщение результатов этих исследований можно кратко свести к следующему.
Основными параметрами, определяющими электрофизические свойства гетерогенных сред, являются такие величины как є — диэлектрическая проницаемость, tgb — тангенс угла диэлектрических потерь, а - проводимость, а также С, - электрокинетический потенциал.
Особенности поведения гетерогенных сред во внешнем электромагнитном поле обусловлены поляризацией двойного электрического слоя и возникновением в результате этого индуцированного дипольного момента (ИДМ) частицы.
Двойной электрический слой - тонкий слой, сформированный двумя пространственно разделенными слоями электрических зарядов разного знака. Двойной электрический слой может образоваться на границе двух фаз, например твердого электрода и газа в газовом разряде, твердого электрода и жидкости в электролите, в плазме твердых тел, а также внутри одной фазы, например, в газообразной плазме [37].
Если диэлектрические проницаемости дисперсных частиц и дисперсионной среды отличается друг от друга, то на границе раздела фаз выделяются, так называемые, связанные заряды, в результате чего дисперсные частицы при воздействии внешнего ЭМП приобретают индуцированный дипольный момент de.
Изучение микроструктуры нефтешлама при ВЧ электромагнитном воздействии
В различных отраслях науки и техники электрофизические свойства веществ измеряются достаточно давно. К настоящему времени разработано множество разнообразных методов и устройств для измерения диэлектрических характеристик в различных условиях. Большинство из них описано в работах Брандта А.А., Хиппеля А.Р., Эме Ф. и др. [22, 143, 152].
Выбор метода измерения электрофизических свойств определяется многими обстоятельствами, среди которых основное значение имеют частотный диапазон, свойства исследуемого вещества, необходимость воздействия на образец, например температурой или давлением. Имеют значение также величины диэлектрической проницаемости є и тангенса угла диэлектрических потерь tg5, т.к. методы, пригодные для измерения образцов с небольшой диэлектрической проницаемостью, оказываются непригодными для образцов с высокими значениями є и tgb.
В области метровых и дециметровых волн (ВЧ диапазон) используют мостовой и резонансные методы [22]. В этом случае в качестве измерительной ячейки используют конденсатор, в который помещается образец диэлектрика. Количество вещества, которое должно быть взято для измерений, определяется, во-первых, специфическими требованиями методики, сводящимися, например, к удовлетворению условия квазистационарности электрического поля внутри объема вещества и, во-вторых, требованиями, связанными с тем, чтобы вызываемые изменения регистрируемых величин могли быть надежно измерены.
В диапазоне сантиметровых волн (СВЧ диапазон), как правило, используют метод стоячих волн. В этом случае измерительный конденсатор не используется, т.к. размеры длин волн становятся сравнимыми с размерами образца. Поэтому измерения удобно проводить, заключив волну в коаксиальную линию, или при очень высоких частотах с использованием волноводов прямоугольного или круглого сечения. В области миллиметровых волн используют метод бегущих волн. В работах Саяхова Ф.Л. и др. [109, 111] были проведены многочисленные исследования диэлектрических свойств нефтей различных месторождений, водонефтяных эмульсий и нефтенасыщенных сред в широком диапазоне частот, охватывающем область ВЧ и СВЧ излучения. Основным в этих работах являлось установление областей дисперсии диэлектрических параметров. В диапазоне частот бОкГц - ЗООМГц была использована стандартная аппаратура Е9-4, Е9-5, и Е4-11. В диапазоне 200МГц — ЗОГГц использовались коаксиальные резонаторы. Анализ полученных результатов показал, что для исследуемых образцов диэлектрическая проницаемость зависит от частоты. Эта зависимость обнаруживается в области частот 500 кГц-200 МГц, в которой є уменьшается, а затем с частоты 200 МГц и до конца исследуемой частоты ЗОГГц остается постоянной. Значения tgb с ростом частоты сначала уменьшается, а затем зависимость приобретает характер резонансной кривой. Максимальные значения tgb для исследованных образцов находились в диапазоне частот (1-200) МГц. Такое поведение tgb обуславливается тем, что в области низких частот основную роль играет проводимость, которая уменьшается с ростом частоты. В области дисперсии tgb увеличивается и, достигнув максимума, уменьшается. Кривые tgb описываются функцией вида /g5(/)=(a/(/ 8o s ))+s 7s , в которой до частот 10 Гц основную роль играет первое слагаемое (сквозная проводимость), а свыше 106 - второе слагаемое, связанное с ориентационной поляризацией полярных компонентов молекулы.
Таким образом, из анализа результатов вышеприведенных работ [109, 111] можно предположить, что частота ориентационной поляризации для полярных макромолекул нефтешламов находится в диапазоне высоких частот 0,5 МГц 4- 200МГц. В этом диапазоне частот наиболее удобными методами измерения диэлектрических свойств веществ являются мостовой и резонансный.
В диссертационной работе использовались измерители добротности ВМ 560 (диапазон частот 50 кГц-35 МГц) и Е4-11 (диапазон часто 30 - 300 МГц). При использовании измерителей добротности основным является расчет и разработка соответствующей конструкции измерительного конденсатора, обеспечивающего измерения в требуемом диапазоне . частот. С принципиальной точки зрения, все существующие конструкции измерительных конденсаторов можно разделить на два типа: трехэлектродные (с охранным кольцом) и двухэлектродные (без охранного кольца). Трехэлектродные системы позволяют получать сведения о величинах є и tg5 без введения поправок и поэтому являются абсолютными системами. Такие измерительные конденсаторы используются в тех случаях, когда возможно трехэлектродное подключение (мосты переменного тока). Однако большинство приборов выпускаются для измерения двухэлектродных систем (например, куметр Е4-11).
Естественно ожидать, что при двухэлектродном подключении не представляется возможным сосредоточить все поле в веществе. В результате появляется так называемая паразитная емкость между электродами Сп, состоящая из емкостей монтажных соединений и краевых эффектов. Кроме того, в измеренную емкость входит поляризационный член, содержащий электродное сопротивление. Чтобы уменьшить влияние поляризационного члена, необходимо повысить частоту или увеличить расстояние между электродами. Но это одновременно приводит к уменьшению рабочей емкости конденсатора Со и увеличению Сп. Поэтому здесь необходимо выбрать оптимальные соотношения.
Экспериментальное обоснование возможности применения СВЧ энергии для переработки нефтешламов ООО «ПромЭкология»
При утилизации продукции нефтешламовых амбаров основной проблемой является их высокая вязкость. Одним из способов понижения вязкости - повышение температуры среды. Поэтому возникает необходимость определения зависимости вязкости данного продукта от температуры. С целью определения зависимости вязкости от температуры были проведены исследования реологических свойств нефтяного шлама.
По своим реологическим характеристикам нефтешламы относятся, как правило, к неньютоновским жидкостям. Решающее влияние на изменение реологических свойств таких систем оказывает макромолекулярный уровень организации их структуры и сильная зависимость от внешних факторов (температура, давление, физические поля, добавление реагентов и т.д.). Реологические свойства таких систем подробно изучены в работах Н.Ю. Елисеева, А.Х. Мирзаджанзаде, Р.З. Сафиевой, З.И. Сюняева и др. [2, 42, 86, 100, 103, 106, 108, 134, 135, 137, 150].
Макрореологические параметры несут информацию о микроструктуре нефтяных систем. Носителями структурно-механических свойств нефтяных систем являются высокомолекулярные компоненты. Присутствие высокоплавких парафинов и асфальтосмолистых веществ в нефтяных системах, их дисперсность и степень взаимодействия обеспечивают определенный уровень прочности структуры нефтяной дисперсной системы.
Нелинейное изменение вязкости нефтяных систем при нагреве обусловлено внутренней перестройкой их структуры при нагреве и переходом ее из связанного дисперсного состояния в свободное. Переход твердой фазы в жидкую характеризуется не одной температурной точкой, а областями перехода. Разность между температурами плавления и температурой кристаллизации для смеси парафинов значительно больше, чем для отдельных компонентов.
В.Г. Аванесяном 1980 г. [2] подробно рассмотрены зависимости реологических характеристик различных эмульсий от соотношения воды, асфальтосмолистых веществ и парафинов. Результаты экспериментальных исследований показали, что вязкость нефтяных эмульсий увеличивается с увеличением содержания воды вплоть до того, пока она не обратится из системы «вода в нефти» в систему «нефть в воде», вязкость которых очень мала. В настоящей диссертационной работе было установлено, что чем больше содержание асфальтосмолистых веществ в эмульсии, тем ниже температура ее застывания, а чем больше содержание парафинов, тем температура застывания выше.
В настоящей диссертационной работе для исследования температурных зависимостей вязкости использовался вискозиметр «Rheometer» по Геплеру, принцип работы которого основан на падении шарика в исследуемой среде. Вязкость рассчитывали по формуле: где t — время прохождения шариком фиксированного расстояния в исследуемой среде (сек.), р — давление, оказываемое шариком на исследуемую среду (г/см"), к — постоянная прибора. На рис. 2.5.1 изображены графики зависимости вязкости образцов нефтешлама №2 и №4 от температуры. В температурном ходе образца №2 можно выделить несколько характерных участков. На первом — до 32 С -происходит плавное снижение значения вязкости. Второй участок - от 32 до 50 С — характеризуется резким снижением вязкости, очевидно, за счет плавления парафинов и деструктуризации асфальтосмолистых веществ. После того, как процесс плавления парафинов заканчивается (52 - 88 С), увеличение температуры в меньшей степени влияет на изменение вязкости. Для образца №4 во всем диапазоне исследования происходит плавное снижение вязкости. Для исследования зависимости вязкости от содержания воды, изготавливали образцы водонефтяных эмульсий с различным содержанием воды. На рис. 2.5.2. представлены кривые зависимости вязкости образцов от температуры при различном содержании воды, по которым видно, что вязкость нефтешлама уменьшается с повышением температуры и увеличивается с повышением концентрации воды в ней. При более высоких температурах разница в значениях вязкости становится незначительной. Увеличение вязкости с повышением концентрации в них воды обуславливается увеличением взаимодействия между каплями, благодаря более тесному сближению глобул воды, вследствие чего трение между слоями увеличивается, и вязкость растёт. То есть с ростом концентрации воды резко возрастает агрегация капель, поскольку с увеличением содержания воды растет число капель, находящихся в тесной близости в каждый момент времени. При низких скоростях сдвига, не вызывающих серьезных изменений в структуре агрегатов, каждый агрегат ведет себя как отдельная сфера с объемом, большим, чем сумма объемов составляющих его капель, потому что внутри структуры удерживается некоторое количество непрерывной фазы. Это изменяет соотношение эффективных объемов дисперсной и непрерывной фаз. В условиях оптимальной упаковки агрегаты связываются в непрерывную сетку. Эти рассуждения подтверждаются фотоснимками микроструктуры образцов при различном содержании водной фазы [48].
Похожие диссертации на Разработка технологии переработки нефтяных шламов с применением энергии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей
