Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Литературный обзор 7
Глава II. Методики эксперимента 21
2.1. Методика кавитационного воздействия 21
2.2. Методика определения физико-химических характеристик исходных материалов 25
2.3. Методика определения степени дисперсности нефти 28
2.4. Методика фотографирования 30
Глава III. Теоретическая часть. Динамика нестационарных кавитационных течений в потоке нефти 31
3.1. Осесимметричное течение в трубке Вентури 31
3.2. Основные особенности течения с развитой кавитацией за телом вращения 37
3.2.1. Аппроксимация контура каверны в точке отрыва 45
Глава IV. Экспериментальная часть. Кавитация и ее связь с физическими свойствами и состоянием дисперсных систем 48
4.1. Влияние вязкости на динамику роста паро-газового пузырька во времени 48
4.2. Анализ кавитационного воздействия на изменение физических свойств нефти 53
4.3. Формирование нефтяной дисперсной системы под действием кавитации 82
4.4. Применение кавитации в процессе получения топливных и технологических суспензий 91
Выводы 99
Литература 101
Приложения 113
- Методика определения физико-химических характеристик исходных материалов
- Основные особенности течения с развитой кавитацией за телом вращения
- Анализ кавитационного воздействия на изменение физических свойств нефти
- Применение кавитации в процессе получения топливных и технологических суспензий
Введение к работе
Актуальность работы. Современный топливно-энергетический баланс стран СНГ базируется на использовании нефти, газа и угля. При добыче нефти в настоящее время возрастает доля высоковязких асфальтосмолистых нефтей, что существенно осложняет их транспорт и производство мазута традиционными методами. С другой стороны, в ряде регионов в энергетике преимущественно используется уголь. Так как транспортные потоки мазута, в основном обводненного, и угля часто пересекаются, то определенные перспективы открываются для создания на их основе суспензионных топ-лив, что позволит обеспечить бесперебойность их транспорта потребителю, повысить эффективность переработки и сжигания, снизить эмиссию оксидов азота и серы в атмосферу.
В связи с этим, несомненно, актуальной задачей является разработка технологий приготовления однородных и стабильных суспензий на основе нефти в сочетании с мелкодисперсным углем и водой для переработки и трубопроводного транспорта.
Для решения вышеперечисленных задач одним из перспективных методов является кавитация. Под термином "кавитация" подразумевается процесс образования пустот - пузырьков в жидкости под действием растягивающих напряжений. Это явление недостаточно изучено, что обусловлено множеством параметров, влияющих на его возникновение.
Установлено, что возникновение кавитации в определенных условиях может вызвать разрушение рабочих поверхностей механизмов и трубопроводов. В связи с этим большинство исследований посвящено проблемам борьбы с вредными последствиями кавитации, которые достаточно полно освещены в монографиях ФД.Перника, Г.Биркгофа, Р.Кнэппа и др. Однако, в последние 10-15
лет появились предложения по использованию этого явления для интенсификации некоторых технологических процессов.
Практическое использование кавитации в дисперсных системах должно базироваться на изучении физико-химических закономерностей ее возникновения и развития в суспензиях, развитии теоретических основ и современных методов расчета кавитацион-ных потоков. Это обеспечит правильный выбор технических средств и технологических параметров для приготовления однородных и стабильных суспензий. Указанному кругу проблем посвящена диссертационная работа.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с Постановлением правительства Республики Казахстан №1142 от 21.08.95 "Разработка и промышленное освоение минизаводов по сбору, подготовке и переработке нефтешлама, амбарной сырой нефти, в т. ч. из малодебетных и отдаленных скважин".
Цель работы. Установление общих закономерностей регулирования физико-химических свойств нефтяных, нефтеугольных и водоугольных суспензий методом кавитационного воздействия и разработка на этой основе способа повышения их текучести, стабильности и эффективности переработки.
Научная новизна работы. Впервые разработан способ регулирования физико-химических свойств высоковязких нефтяных, нефтеугольных и водоугольных суспензий методом кавитационного воздействия. Теоретически обоснована модель нестационарных кавита-ционных течений в потоке дисперсных систем. Изучены общие закономерности изменения роста паро-газовых пузырьков в дисперсных системах. Установлен эффект диспропорционирования углеводородов, обуславливающий увеличение содержания в нефти фракций алканов С5 - С10 .
Практическая ценность. Разработан эффективный способ и создано оригинальное устройство (гидродинамический модуль струйного типа), позволившие понизить вязкость дисперсных систем на основе асфальтосмолистых высоковязких нефтей и углей при подготовке их к транспорту, модификации и окислению. Эти устройства реализованы на установках окисления нефтяных мазутов и гудронов на станции Алажиде Талды-Курганской обл. (Казахстан), пос. Сергеевка Петропавловской обл. (Казахстан), г. Богородицке Тульской обл. (Россия), а для снижения вязкости и модификации битумов - в г. Панфилове Талды-Курганской обл. (Казахстан) и г. Богородицке Тульской обл. (Россия).
Основные положения, выносимые на защиту.
разработка математической модели нестационарных кавитацион-ных течений в потоке дисперсной системы;
изучение влияния кавитации на изменение физико-химических свойств нефтяных, нефтеугольных и водоугольных суспензий;
основные закономерности образования и изменения роста парогазовых пузырьков в дисперсных системах;
эффект диспропорционирования углеводородов при кавитацион-ном воздействии на суспензии;
гидродинамический модуль струйного типа для приготовления стабильных и транспортабельных суспензий.
Апробация работы. Результаты, полученные в работе, докладывались на: заседании секции машиностроения, связи, вычислительной математики, информатики и информационных технологий МНТС по проблемам развития промышленности, энергетики, строительства, транспорта и коммуникаций РК (Алматы, Казахстан, 1994г); заседании секции управления транспорта нефти Холдинговой компании "Мунайгаз" (Алматы, Казахстан, 1994г); международной конференции. "Проблемы комплексного освоения трудноиз-
влекаемых запасов нефти и природных битумов, добыча и переработка" (Казань, Россия, 1994г); международной конференции "Казахстан-95" (Сандиего, США, 1995г); VII конференции России и стран СНГ "Химия и технология твердого топлива" (Звенигород, Россия, 1996 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе получено 4 патента.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов и приложений, изложена на 131 странице машинописного текста, включая 27 рисунков, 16 таблицы и 115 наименований отечественной и зарубежной литературы.
? ГЛАВА I. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР
Современный топливно-энергетический баланс стран СНГ базируется на использовании нефти, газа и угля. В настоящее время при добыче нефти возрастает доля высоковязких асфальтосмолис-тых нефтей, что существенно затрудняет их транспорт и переработку традиционными способами. С другой стороны, более целесообразно в энергетике использовать уголь. Однако в силу неоднородности состава углей затруднено их квалифицированное применение. Поэтому наиболее перспективно использовать уголь как топливо в виде суспензий, чтобы усреднить их состав.
В связи с этим, несомненно актуальной задачей является как облегчение транспорта высоковязких нефтей, так и создание на их базе однородных и стабильных суспензий в сочетании с мелкодисперсным углем и водой.
Известно значительное число предложений по технологии их магистрального трубопроводного транспорта. Первые из которых были опубликованы в конце прошлого - начале текущего столетия. Наиболее важные изобретения были сделаны в США, СССР, Великобритании, Канаде, ФРГ, Японии, ГДР [1-3].
В части совершенствования технологических приемов и конструктивных решений, характеризующихся появлением принципиально новых идей, при анализе источников [1-5] прослеживается несколько этапов. На первом этапе изобретения преимущественно были направлены на совершенствование способов транспорта нефти и топливных суспензий с подогревом и их термообработки. В 50-х годах основная часть патентов была выдана на способы гидротранспорта и применение углеводородных разбавителей. Позднее появились предложения по использованию различных химических добавок, в том числе поверхностно-активных веществ и депрессато-
ров (стимуляторов потока) для повышения текучести парафинис-тых нефтей и высоковязких топливных суспензий.
В последнее время предложено несколько способов [1, 2], предусматривающих изменение химического состава нефтей путем выделения или переработки парафинистых соединений, а также транспортирования их в контейнерах, капсулах, в виде пульпы и т. д.
Приведем краткую характеристику некоторых способов транспорта таких нефтей, топливных суспензий и нефтепродуктов, наиболее часто применяемых в отечественной и зарубежной практике.
Наиболее изученным и распространенным способом транспорта высоковязких нефтей в настоящее время является их "горячая перекачка" по трубопроводам, к которым относятся: Узень-Атырау-Самара, Узень-Актау, Белек-Красноводск, Озек-Суат-Грозный и все магистральные мазутопроводы [6, 7].
Согласно применяемой на этих трубопроводах технологии, транспортируемую среду перед подачей в магистраль подогревают до температуры, обычно 40-50 С, а на мазутопроводах до 70-90 С и перекачивают до очередной промежуточной насосной и тепловой станции. Здесь нефть (мазут или топливные суспензии) вновь подогревают и транспортируют до очередного пункта подогрева, которые расположены через каждые 30-50 км.
Несмотря на то, что это наиболее отработанная технология, она обладает серьезными недостатками. Прежде всего это высокая энергоемкость, т.к. в качестве топлива при подогреве, как правило, используется сама же транспортируемая среда - ценное химическое сырье и топливо (нефть, мазут). Вторая трудность связана с тем, что при неблагоприятных погодных условиях возможно "замораживание" трубопровода. Наконец, сооружение таких трубопроводов в районах с мерзлыми и посадочными грунтами затруднено по экологическим соображениям из-за проблематичности обеспече-
ния надежности конструкции и осложнений в технологии строительства.
Транспортировку с подогревом теплоносителями применяют на трубопроводах небольшой протяженности, главным образом технологических. Если при перекачке предварительно нагретой нефти или топливной суспензии повышение их температуры осуществляется в специальных печах и теплообменниках, локально расположенных в начале трубопровода и в нескольких пунктах по его трассе, то при данном способе повышение температуры происходит в процессе перемещения жидкости, а роль теплообменников играет сам трубопровод и спутник с теплоносителем, прокладываемый параллельно трубопроводу или размещенный на его поверхности внутри единой теплоизоляции, а также в самом трубопроводе. Теплоносителями обычно служат пар, горячая вода, воздух, другие нагретые жидкости, газы и т. д. Схемы движения теплоносителя могут быть самыми разнообразными [8 - 12].
Основным недостатком этих способов является увеличение эксплуатационных расходов, связанных с потреблением дополнительной энергии при использовании греющих спутников или нагревателей внутри трубопроводов, а также невозможность обеспечить довольно серьезные требования экологической чистоты процесса при применении гранулированных радиоактивных материалов.
Термообработка как способ подготовки особенно эффективна при транспорте жидкостей, содержащих парафин. По данному способу эксплуатируется магистральный нефтепровод в Индии (Нахоркатья-Ганхати-Барауни) диаметром 350 мм и длиной 1158 км с девятью насосными станциями. По трубопроводу перекачивается нефть с содержанием парафина 11.5% и температурой застывания 32 С [13]. Такой метод требует значительных капитальных затрат
и эксплуатационных расходов из-за использования в нем циклов нагрева и охлаждения.
Эффект термообработки нефтей и топливных суспензий сильно падает вместе со снижением температуры перекачки и полностью или частично исчезает при повторном подогреве. Длительное их хранение при постоянной температуре сопровождается постепенным снижением эффекта термообработки. Смолистые нефти с малым содержанием парафинов термообработке не поддаются.
Перекачка с разбавителями - один из наиболее простых и широко применяемых в практике способов трубопроводного транспорта высоковязких жидкостей. В качестве разбавителей могут применяться конденсаты, бензины, керосины, дизельное топливо, газойль, сжиженные нефтяные газы (бутан, пропан), жидкий фреон (или смесь фреонов) и маловязкие нефти. Применение разбавителей при перекачке высоковязких жидкостей достаточно подробно исследовано за рубежом и в работах ВНИИСПТнефти, ГАНГ им. И.М.Губкина, Гипровостокнефти и др. [14 - 19].
До настоящего времени смесь парафинистой мангышлакской нефти с маловязкой ромашкинской нефтью перекачивалась без подогрева по трубопроводу Самара-Саратов [16]. Смесь нефтей месторождений Котур-Тепе и Кум-Даг перекачиваются по трубопроводу Вышка-Белек. В Канаде по нефтепроводу Ллойдлемнистер-Хардисти длиной 116 км перекачивается высоковязкая нефть с добавлением 22.5% конденсата [14]. В США по нефтепроводу Кущинт-Чикаго длиной 1080 км диаметром 300 мм перекачивается смесь из 70% нефти, 10% газового бензина, 9% смеси дизельного топлива с мазутом, 6% бутана и 5% пропана [15]. Институтом СибНИИНП разработаны предложения по использованию конденсата Уренгойского месторождения для разбавления нефти Русского месторождения [15].
Однако, как видно из работ [16-19], для существенного снижения вязкости требуется вовлечение в смесь сравнительно больших количеств разбавителя, как правило, ценного сырья, используемого в нефтехимической промышленности. Применение этого способа часто затрудняется из-за отсутствия в местах добычи высоковязких нефтей соответствующих разбавителей.
Совместная перекачка высоковязких нефтей и нефтепродуктов с водой является одним из эффективных способов транспорта. Существует несколько вариантов гидротранспорта.
По кольцевому слою воды. Является эффективным средством увеличения производительности магистральных трубопроводов. Однако, широкого распространения он не получил из-за сложности изготовления винтовых нарезок на внутренней поверхности труб. Кроме того, сложно рассчитать оптимальное количество воды, закачиваемое в трубопровод для того, чтобы получить максимальный расход нефти и минимальные потери на трение.
Образование смеси нефте-водоугольных суспензий или нефти с водой, в виде эмульсии "нефть в воде". Для улучшения условий образования эмульсии, в водонефтяную смесь добавляют различные поверхностно-активные вещества (ПАВ). Водные растворы ПАВ придают стенкам трубопровода гидрофильные свойства, в результате чего они удерживают на своей поверхности воду, а также стабилизируют эмульсии типа "нефть в воде".
С использованием способа гидроперекачки нефти в Индонезии с 1962 года работает нефтепровод длиной 238 км, по которому перекачивается высокопарафинистая нефть с температурой застывания 40С в смеси с водой. В Калифорнии (США) осуществляется перекачка на нефтепроводе длиной 40 км, в котором за счет путевого ввода воды (30%) создается и поддерживается пристенный водяной слой [20].
В известных разработках [21-24] приведены предложения по составу ПАВ для стабилизации эмульсии "нефть в воде" и усиления ее гидрофобизирующих свойств. В [21] рекомендуется применять неионные ПАВ, приготовленные на основе спиртов и окиси двухатомного радикала (СН2)пО, в количестве 0.5-1.0% (по массе). В [22] для приготовления водного раствора предлагается использовать сульфатные ПАВ в количестве от 0.01 до 2% (по массе) совместно с канифольным и нафтеновым мылом 0.01-1.8% (по массе), а также гликолевым моноалкильным эфиром 0.02-1.0% (по массе). Общее содержание раствора ПАВ в эмульсии может колебаться от 15 до 35% (по объему), но наиболее целесообразная концентрация составляет 20-30%. При приготовлении аниогенных ПАВ с использованием жесткой воды в качестве щелочной добавки рекомендуется применять гидроокись натрия, гидроокись калия или гидроокись лития, причем содержание этих компонентов может составлять от 0.01 до 1% (по массе) [23]. Предложено вводить в нефтепродукты в качестве ПАВ оксиэтилированные моноалкилфенолы на основе тримеров пропилена [24].
Ориентация на транспортирование нефти и суспензий в виде эмульсии "нефть в воде" нецелесообразна из-за необходимости использовать большие объемы воды (до 75% от объема перекачиваемой нефти). Вовлечение таких значительных водных ресурсов составляет самостоятельную проблему, хотя и не самую сложную. Технология перекачки эмульсий и суспензий предусматривает применение ПАВ для стабилизации эмульсии и солевых растворов для снижения температуры замерзания. Возникают проблемы обеспечения экологических ограничений по объемам сбросов и чистоте воды в конечном пункте трубопровода. Эти трудности (в числе прочих) привели, в частности, к отказу от гидротранспорта нефти по Трансаляскинскому нефтепроводу, хотя исследования в этом направлении велись интенсивно в течение нескольких лет.
Применение стимуляторов потока (депрессаторов) является перспективным способом улучшения реологических свойств пара-финистых и высоковязких нефтей, так как позволяет облегчить перекачку и пуск нефтепровода после остановок при температурах ниже температуры застывания нефти, уменьшить или полностью исключить применение углеводородных разбавителей при перекачке высоковязких нефтей. Широкие исследования в области применения при трубопроводном транспорте высоковязких нефтей ведутся во ВНИИСПТ-нефти, ГАНГ им. И.М.Губкина. Институтом химии нефти СО РАН [25] разработано и исследовано множество способов подготовки и транспорта высоковязких и парафинистых нефтей. Одни из них включают введение химических реагентов и функциональных присадок, основанных на управлении реологическими свойствами нефтей, при этом вязкость нефтей уменьшается в 10-100 раз, температура застывания на 5-10С. Другой способ включает введение противотурбулентных присадок при концентрации 10-5 г/т перекачиваемого нефтепродукта, которые уменьшают сопротивление течению на 50-70%, повышают производительность действующих трубопроводов на 30-40%. Использование полимерных добавок также позволяет снизить рабочее давление в трубопроводе [25], что приводит к увеличению вероятности безаварийной эксплуатации нефтепровода.
Известен способ [26] применения в качестве депрессатора виб-рообработанной нефти пристенного слоя, дополнительно подвергнутой электроискровой обработке.
Следует отметить, что возможности использования депрессаторов весьма ограничены. Прежде всего потому, что имеющиеся отечественные и зарубежные присадки получены применительно к высокопарафинистым нефтям. Создание универсальной присадки эффективной для всех нефтей является делом далекого будущего.
Стоимость депрессаторов остается очень высокой. Опыт разработки депрессаторов для мангышлакских, туркменских и некоторых других нефтей показал, что их использование в трубопроводном транспорте осуществляется крайне медленно.
Представляют интерес предложения по химической переработке тяжелых углеводородов непосредственно на промыслах. Специалистами Уфимского нефтяного института (УНИ) предложен метод [27] термодеструкции для понижения вязкости нефти Русского месторождения.
Согласно разработанному УНИ варианту комплексной подготовки нефти к перекачке, поступающая из скважины сырая нефть подвергается обезвоживанию и обессоливанию путем термической обработки в присутствии легкокипящих углеводородов (газоконденсата). Этот процесс ведется в специальных аппаратах (дегидраторах). Практически полное обезвоживание нефти в процессе термообработки обеспечивается за счет разрушающего действия легких углеводородов (бутан и др.) на бронирующую оболочку водяных капель, дефлокуляции природных эмульгаторов и снижения поверхностного натяжения на границе раздела "вода-нефть".
Термообработанная и обезвоженная нефть имеет динамическую вязкость в 2.0-2.5 раза ниже, чем у исходной. Следующий этап подготовки нефти к транспортированию - термодиструкция. Для этого вся или часть нефти подается в нагревательно-реакционную печь, где она под давлением 20-40 атм. нагревается до 460-490 С. Термодеструкция приводит к снижению вязкости в 20-40 раз [27].
Однако основной недостаток этого способа заключается в повышенном содержании вредных веществ в выбросах и в значительных энергозатратах, связанных с высокими температурами процес-
І5 са. И, наконец, требуется тщательная оценка влияния термодеструкции нефти на ее свойства.
Растворенный при повышенном давлении в нефти газ существенно снижает ее вязкость. При давлении выше упругости паров нефть остается в однородном состоянии и перекачивается по нефтепроводу. Поскольку в добываемой нефти почти всегда присутствует то или иное количество попутного газа, повышая давление сепарации, можно оставить в такой нефти требуемое количество растворенного газа.
Известен способ газонасыщения высоковязких нефтей путем создания в них пузырьков ограниченного размера [28]. Это достигается путем пропуска газа через многослойный цилиндр из мелкой сетки, с внутренним диаметром, равным диаметру трубопровода.
С целью снижения вязкости парафинистой нефти при перекачке ее смешивают с 0.1-1.0 % (по объему) продукта неполного окисления попутного нефтяного газа с кислородом воздуха при 375-450 С, давлении 50-100 атм. и объемом в соотношении газа и воздуха равным (3-6) : 1 [29]. Предусматривается подача в трубопровод под давлением газообразной маловязкой среды и создание спутного потока в верхней части трубопровода толщиной не более 0.2 диаметра трубопровода [30].
Перекачка газонасыщенной нефти или топливной суспензии в ряде случаев позволяет успешно решать проблему. Однако на практике применение этого способа осложнено в связи с необходимостью полной герметизации всего пути движения газонасыщенной нефти в магистральном нефтепроводе, а также поддержание в любой точке системы определенного давления, обеспечивающего гомогенность нефти или суспезии. Нарушение технологических режимов, таких как превышение рабочих давлений в трубопроводе, возникновение неустоявшихся режимов, могут вызвать повреждения и
1 ґ*
разрыв стенок труб. И, наконец, аварии с газонасыщенной нефтью наиболее опасны, так как они могут вызвать взрывы, пожары и, самое главное, нанести непоправимый ущерб окружающей среде.
Другое энергетическое сырье, которое можно поставлять потребителю трубопроводным транспортом, являются бурые и каменные угли. Технологические схемы гидравлического транспорта, хранения и сжигания угля в виде водоугольных суспензий позволят создать системы транспорта и использования больших единичных масс этого топлива с высокой степенью автоматизации отдельных элементов и всей системы в целом, значительным снижением трудовых затрат при сооружении и ее эксплуатации, при уменьшении капиталовложений и себестоимости получаемой электроэнергии по сравнению с традиционными системами добычи, транспорта и использования угля [31 - 33].
Технологические схемы гидротранспорта угля в виде водоугольных суспензий, как показывают проектные проработки, не требуют создания принципиально новых типов оборудования. Применение гидротранспорта суспензий в сочетании с новыми способами их использования на тепловых электростанциях существенно снижают потери угля, снижают вредные выбросы в атмосферу, позволяют существенно сократить затраты на мероприятия, связанные с охраной окружающей среды, как при транспорте, так и при использовании угля [31, 33].
Свойства концентрированных водоугольных суспензий из каменных углей, в частности, условия стабильности и текучести, исследованы Г.Н.Делягиным и другими авторами [34 - 37]. Установлено, что устойчивость и текучесть водоугольных суспензий зависит от влажности, дисперсности твердой фазы, зольности угля, температуры подогрева смеси, присутствия стабилизирующих добавок и других факторов. Для суспензий из каменных углей показано, что при изменении влажности суспензий WP от 45 до 80% скорость их
расслаивания увеличивается по мере повышения процентного содержания в ней влаги. При WP - 45 - 50% суспензия является устойчивой системой. Независимо от величины начальной влажности суспензии (при WP - 55 - 80%), конечная влажность ее после отстаивания составляет 45 - 50% [34].
Дисперсность твердой фазы оказывает существенное влияние на устойчивость суспензии. Чем меньше крупность твердых частиц, тем выше ее стабильность. Полидисперсные суспензии более устойчивы, чем монодисперсные. Если монодисперсные суспензии с крупностью твердой фазы 100 - 160 мкм и начальной влажностью WP 50% расслаиваются в течение двух часов, то полидисперсные той же влажности с крупностью частиц Rg0 - 10 - 40% не расслаиваются на протяжении нескольких суток [35].
Анализируя применение основных способов трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих дисперсных систем на базе нефти и угля в мировой и отечественной практике, легко заметить, что большинство из рассмотренных выше способов значительно изменяют свойства исходного сырья, что в свою очередь сказывается на технологии переработки.
Следовательно, разработка способа транспорта дисперсной системы должна выполняться с учетом всей технологической цепочки. Для решения этой задачи необходимо применение специальных эффективных способов, направленных на улучшение реологических характеристик высоковязкой нефти и других топливных суспензий.
Анализ наиболее перспективных разработок в этой области, сделанных за последние годы [38-40], показал возможность реализации этой задачи путем физико-механического воздействия на топливную суспензию. Одним из таких решений является способ [41], заключающийся в воздействии ультразвуковой энергии на смесь части транспортируемой нефти с модификатором, в качестве которого используют твердый кристаллический воск. Под действием
ультразвука значительная часть модификатора растворяется в сырой нефти. Главным недостатком этого способа является энергоемкость процесса, так как ультразвуковые излучатели, как правило, работают от специальных генераторов, преобразующих электрический ток до необходимой частоты. Во-вторых, смешение модификатора с частью транспортируемой нефти, требует организации дополнительной линии, что усложняет весь технологический процесс транспорта нефти. Кроме того, значительные трудности могут возникнуть при возобновлении перекачки нефти после продолжительной остановки трубопровода. Значительные энергозатраты и кави-тационное разрушение рабочих органов существенно ограничивают применение ультразвуковой энергии в технологии, особенно в крупнотоннажных производствах.
Определенный интерес вызывает способ [42], в котором предлагается изменение транспортной системы за счет периодического сужения и расширения трубопровода, расположенными на расстоянии, равном отношению средней скорости пульсирующего потока к частоте собственных колебаний потока. Устройство содержит на выходе диффузор, а трубопровод начинается конфузором, соединенных между собой широкими сторонами таким образом, что соединение как целое по конфигурации и размерам является эквивалентным одному элементу транспортного трубопровода, то есть длина системы диффузор-конфузор равна расстоянию между двумя ближайшими сужениями трубопровода. Активное устройство для усиления затухающих колебаний (пульсаций) вдоль потока снабжено гибкой упругоэластичной вставкой, выполненной в виде отрезка трубы с упругоподатливыми стенками и нанесенным на внешнюю поверхность ферромагнитным слоем для сцепления стенки с электромагнитным полем вибросистемы, которая представляет собой когерентную систему катушек. Активное устройство снабжено датчиком колебаний потока, блоком управления вибросистемой, гене-
ратором тока переменной полярности. Работу всей системы контролирует компьютер. Транспортная система с активным элементом позволяет повысить эффективность транспортирования высоковязкой жидкости за счет снижения потерь на трение.
Существенным недостатком этого способа является применение сложной и дорогостоящей системы автоматизированного управления, не оправдывающей достигаемых результатов, что значительно увеличивает капитальные затраты.
Большой интерес представляют результаты экспериментального исследования изменения вязкости нефти путем кавитационного воздействия по способу [43], в котором предложено устройство, содержащее в линии трубопровода полый цилиндрический корпус переменного сечения, включающий плавное сужение, обеспечивающее возникновение кавитации. В качестве высокоамплитудных колебаний в жидкости выступают кавитационные пузырьки, обладающие высокой скоростью, за счет чего происходит снижение вязкости нефти.
Основным недостатком этого устройства является интенсивный кавитационный износ его рабочих поверхностей, генерирующих (из зародышевых ядер) кавитационные пузырьки, большая часть которых схлопывается на этих поверхностях. Другим недостатком является слабая степень регулирования интенсивности кавитацион-ной обработки, так как количество ядер кавитации в исходной нефти регулировать затруднительно. Кроме того, размеры образующихся в таких устройствах кавитационных пузырьков, от которых в основном зависит интенсивность кавитационно-куммулятивнои обработки также практически не поддаются регулированию. Время нахождения ядра кавитации в зоне разрежения, необходимое для образования пузырька требуемых размеров, в таких устройствах может изменяться в очень малых пределах и связано с частотой пульсаций, вибраций и т. д. Основной параметр, определяющий ки-
нетику кавитационного воздействия - первоначальный (перед схло-пыванием) размер кавитационных пузырьков может изменяться в весьма нешироких пределах и зачастую далек от максимального. Перечисленные недостатки негативно проявляются в обработанной нефти - незначительное снижение вязкости, малое время тиксотропного восстановления.
Анализ исследований по применению ультразвуковой и гидродинамической кавитации в нефтях для интенсификации различных технологических процессов, показывает перспективность этого метода. Однако, ультразвуковая кавитация не нашла широкого применения на предприятиях с большим объемом производства по ряду причин: значительных энергозатрат на генерацию кавитационных пузырьков, резкого затухания ультразвуковых волн в технологических суспензиях, ограничения локального воздействия зоной колебаний излучающей поверхности, разрушения рабочих поверхностей кавитацией и т. д.. От этих недостатков совершенно свободна суперкавитационная технология, физическая сущность и новизна которой изложены [44 - 49].
Принцип действия суперкавитирующих устройств заключается в том, что при обтекании элемента соответствующего профиля жидкостью образуются вихри и замкнутые полости (каверны) различных размеров с высокой интенсивностью и давлением внутри полости (107-109 Па), сносимые в поток жидкости. Гидродинамическая суперкавитация только начинает внедряться в технологию, а простота, высокая надежность и эффективность суперкавитирующих аппаратов, их универсальность открывает широкие возможности для использования, например, при подготовке и обработке нефти, при приготовлении паст с содержанием твердых частиц, угольных суспензий, при флотации рудного сырья и т. д.
Именно этой области техники и посвящена данная диссертационная работа.
Методика определения физико-химических характеристик исходных материалов
Растворенный при повышенном давлении в нефти газ существенно снижает ее вязкость. При давлении выше упругости паров нефть остается в однородном состоянии и перекачивается по нефтепроводу. Поскольку в добываемой нефти почти всегда присутствует то или иное количество попутного газа, повышая давление сепарации, можно оставить в такой нефти требуемое количество растворенного газа.
Известен способ газонасыщения высоковязких нефтей путем создания в них пузырьков ограниченного размера [28]. Это достигается путем пропуска газа через многослойный цилиндр из мелкой сетки, с внутренним диаметром, равным диаметру трубопровода.
С целью снижения вязкости парафинистой нефти при перекачке ее смешивают с 0.1-1.0 % (по объему) продукта неполного окисления попутного нефтяного газа с кислородом воздуха при 375-450 С, давлении 50-100 атм. и объемом в соотношении газа и воздуха равным (3-6) : 1 [29]. Предусматривается подача в трубопровод под давлением газообразной маловязкой среды и создание спутного потока в верхней части трубопровода толщиной не более 0.2 диаметра трубопровода [30].
Перекачка газонасыщенной нефти или топливной суспензии в ряде случаев позволяет успешно решать проблему. Однако на практике применение этого способа осложнено в связи с необходимостью полной герметизации всего пути движения газонасыщенной нефти в магистральном нефтепроводе, а также поддержание в любой точке системы определенного давления, обеспечивающего гомогенность нефти или суспезии. Нарушение технологических режимов, таких как превышение рабочих давлений в трубопроводе, возникновение неустоявшихся режимов, могут вызвать повреждения и разрыв стенок труб. И, наконец, аварии с газонасыщенной нефтью наиболее опасны, так как они могут вызвать взрывы, пожары и, самое главное, нанести непоправимый ущерб окружающей среде.
Другое энергетическое сырье, которое можно поставлять потребителю трубопроводным транспортом, являются бурые и каменные угли. Технологические схемы гидравлического транспорта, хранения и сжигания угля в виде водоугольных суспензий позволят создать системы транспорта и использования больших единичных масс этого топлива с высокой степенью автоматизации отдельных элементов и всей системы в целом, значительным снижением трудовых затрат при сооружении и ее эксплуатации, при уменьшении капиталовложений и себестоимости получаемой электроэнергии по сравнению с традиционными системами добычи, транспорта и использования угля [31 - 33].
Технологические схемы гидротранспорта угля в виде водоугольных суспензий, как показывают проектные проработки, не требуют создания принципиально новых типов оборудования. Применение гидротранспорта суспензий в сочетании с новыми способами их использования на тепловых электростанциях существенно снижают потери угля, снижают вредные выбросы в атмосферу, позволяют существенно сократить затраты на мероприятия, связанные с охраной окружающей среды, как при транспорте, так и при использовании угля [31, 33].
Свойства концентрированных водоугольных суспензий из каменных углей, в частности, условия стабильности и текучести, исследованы Г.Н.Делягиным и другими авторами [34 - 37]. Установлено, что устойчивость и текучесть водоугольных суспензий зависит от влажности, дисперсности твердой фазы, зольности угля, температуры подогрева смеси, присутствия стабилизирующих добавок и других факторов. Для суспензий из каменных углей показано, что при изменении влажности суспензий WP от 45 до 80% скорость их расслаивания увеличивается по мере повышения процентного содержания в ней влаги. При WP - 45 - 50% суспензия является устойчивой системой. Независимо от величины начальной влажности суспензии (при WP - 55 - 80%), конечная влажность ее после отстаивания составляет 45 - 50% [34].
Дисперсность твердой фазы оказывает существенное влияние на устойчивость суспензии. Чем меньше крупность твердых частиц, тем выше ее стабильность. Полидисперсные суспензии более устойчивы, чем монодисперсные. Если монодисперсные суспензии с крупностью твердой фазы 100 - 160 мкм и начальной влажностью WP 50% расслаиваются в течение двух часов, то полидисперсные той же влажности с крупностью частиц Rg0 - 10 - 40% не расслаиваются на протяжении нескольких суток [35].
Анализируя применение основных способов трубопроводного транспорта высоковязких и высокозастывающих дисперсных систем на базе нефти и угля в мировой и отечественной практике, легко заметить, что большинство из рассмотренных выше способов значительно изменяют свойства исходного сырья, что в свою очередь сказывается на технологии переработки.
Следовательно, разработка способа транспорта дисперсной системы должна выполняться с учетом всей технологической цепочки. Для решения этой задачи необходимо применение специальных эффективных способов, направленных на улучшение реологических характеристик высоковязкой нефти и других топливных суспензий.
Анализ наиболее перспективных разработок в этой области, сделанных за последние годы [38-40], показал возможность реализации этой задачи путем физико-механического воздействия на топливную суспензию. Одним из таких решений является способ [41], заключающийся в воздействии ультразвуковой энергии на смесь части транспортируемой нефти с модификатором, в качестве которого используют твердый кристаллический воск.
Основные особенности течения с развитой кавитацией за телом вращения
Существенным недостатком этого способа является применение сложной и дорогостоящей системы автоматизированного управления, не оправдывающей достигаемых результатов, что значительно увеличивает капитальные затраты.
Большой интерес представляют результаты экспериментального исследования изменения вязкости нефти путем кавитационного воздействия по способу [43], в котором предложено устройство, содержащее в линии трубопровода полый цилиндрический корпус переменного сечения, включающий плавное сужение, обеспечивающее возникновение кавитации. В качестве высокоамплитудных колебаний в жидкости выступают кавитационные пузырьки, обладающие высокой скоростью, за счет чего происходит снижение вязкости нефти.
Основным недостатком этого устройства является интенсивный кавитационный износ его рабочих поверхностей, генерирующих (из зародышевых ядер) кавитационные пузырьки, большая часть которых схлопывается на этих поверхностях. Другим недостатком является слабая степень регулирования интенсивности кавитацион-ной обработки, так как количество ядер кавитации в исходной нефти регулировать затруднительно. Кроме того, размеры образующихся в таких устройствах кавитационных пузырьков, от которых в основном зависит интенсивность кавитационно-куммулятивнои обработки также практически не поддаются регулированию. Время нахождения ядра кавитации в зоне разрежения, необходимое для образования пузырька требуемых размеров, в таких устройствах может изменяться в очень малых пределах и связано с частотой пульсаций, вибраций и т. д. Основной параметр, определяющий кинетику кавитационного воздействия - первоначальный (перед схло-пыванием) размер кавитационных пузырьков может изменяться в весьма нешироких пределах и зачастую далек от максимального. Перечисленные недостатки негативно проявляются в обработанной нефти - незначительное снижение вязкости, малое время тиксотропного восстановления.
Анализ исследований по применению ультразвуковой и гидродинамической кавитации в нефтях для интенсификации различных технологических процессов, показывает перспективность этого метода. Однако, ультразвуковая кавитация не нашла широкого применения на предприятиях с большим объемом производства по ряду причин: значительных энергозатрат на генерацию кавитационных пузырьков, резкого затухания ультразвуковых волн в технологических суспензиях, ограничения локального воздействия зоной колебаний излучающей поверхности, разрушения рабочих поверхностей кавитацией и т. д.. От этих недостатков совершенно свободна суперкавитационная технология, физическая сущность и новизна которой изложены [44 - 49].
Принцип действия суперкавитирующих устройств заключается в том, что при обтекании элемента соответствующего профиля жидкостью образуются вихри и замкнутые полости (каверны) различных размеров с высокой интенсивностью и давлением внутри полости (107-109 Па), сносимые в поток жидкости. Гидродинамическая суперкавитация только начинает внедряться в технологию, а простота, высокая надежность и эффективность суперкавитирующих аппаратов, их универсальность открывает широкие возможности для использования, например, при подготовке и обработке нефти, при приготовлении паст с содержанием твердых частиц, угольных суспензий, при флотации рудного сырья и т. д.
Именно этой области техники и посвящена данная диссертационная работа. С целью исследования практической целесообразности применения кавитации при приготовлении суспензий, в эксперименте использовались стандартные и нестандартные методики. Эксперименты проводились на лабораторной установке, которая показана на рис.2.1.1. Установка представляет собой кольцевой трубопровод длиной 1400 мм и диаметром 20 мм. В систему трубопровода устанавливается трубка типа Венту ри (в дальнейшем модуль), со вставкой заданного профиля [50] кавитатором. Схема модуля приведена на рис.2.1.2. Он состоит из входа и выхода 1, конфузора 2, проточной камеры (цилиндрического сужения), кавитатора 4, установленного на перемещающемся штоке 5, и диффузора 6. Осевое перемещение кавитатора 4 вдоль проточной камеры 3 позволяет регулировать скорость набегания потока суспензии на кавитатор. Для усиления эффекта кавитации на цилиндрической поверхности хвостовой части конуса (кавитатора) сделаны четыре винтовых канала под углом 45. Это обеспечивает аксиально-тангенциальное движение жидкости, дополнительная центробежная сила, создаваемая в следствие закручивания потока, усиливает эффект разрежения за дном конуса. Следовательно, представляется возможность регулировать процессом кавитации, путем изменения угла атаки между конусом и диффузором. Поэтому для каждого состава суспензии угол атаки подбирается экспериментально. Вследствие этого изменяются размеры кавитационных пузырьков, их количество, а также интенсивность гидравлического удара при охлопывании пузырьков. Этим обеспечивается возможность выбора эффективного режима воздействия на суспензию. Для обеспечения расхода суспензии использовался напор, развиваемый подпорным насосом НШ-32У. Статистическое давление измеряли Р2 на входе (в конфузоре 2), Р2 в проточной камере 3 и Р3 на выходе (в диффузоре 6). В качестве контрольно-измерительных приборов для определения давления использовались специальные манометры образцового типа. В качестве рабочей жидкости использовалась высокосмо-листая нефть месторождения Каражанбас, физико-химические свойства приведены в таблице 2.1.1. Гудрон из Западно-Сибирской нефти, физико-химические характеристики приведены в таблице 2.1.2. В качестве твердого топлива - уголь месторождения Шубар-коль (таб.2.1.3).
Анализ кавитационного воздействия на изменение физических свойств нефти
Вышеприведенные теоретические результаты показали, что гидродинамическая характеристика движения потока вязкой нефти по трубе, имеющей местное сужение, заключается в перераспределении скорости течения и давления. В большей мере эти изменения свойственны областям потока, прилегающим к поверхности обтекаемого тела, где интенсивно развивается турбулентность пограничного слоя, а также в следе за телом, (число Рейнольдса по потоку равно 8000). Эксперименты, проведенные на специально разработанной применительно к нефти конструкции гидродинамического модуля струйного типа [44], показали, что непосредственно за кромкой конуса и донным пространством создается область пониженного давления, в которой образуются и срываются симметричные и асимметричные вихри и паро-газовые пузырьки. Частота срыва вихрей и паро-газовых пузырьков характеризуется числом
Струхаля, в частности для конуса равно [92]: S = — « 0.16, где п -частота отрыва вихрей; d - диаметр тела; UM - скорость потока. В конкретном случае частота срыва n = 500 с-1.
Таким образом, за донной областью образуется паро-газо-жидкостная "суспензия", что зафиксировано на фотоснимке (рис.4.2.1).
На снимке хорошо прослеживается волновой характер движения нефти. Очень отчетливо зафиксирован снос отрывных вихрей и паро-газовых пузырьков в поток, смазанное изображение которых вызвано высокой скоростью потока, поэтому вместо сферических, получились изображения пузырьков вытянутой формы. На снимке образовавшиеся микропузырьки в виде белого облака представляют "хвостовую" часть области развитой кавитации за дном конуса. Размеры этой области можно регулировать путем перемещения конуса вдоль оси трубки Вентури, меняя тем самым живое сечение между его основанием и стенками диффузора. В этом случае можно сформировать такой поток, чтобы за дном конуса произошло резкое падение давления. В этот момент наблюдается эффект "вскипания", нефть превращается в пенообразную среду. Этот фрагмент зафиксирован на фотоснимке (рис.4.2.2).
Под влиянием больших локальных градиентов давления, температуры и скорости происходит интенсивное возбуждение отдельных молекул нефти, в результате чего ослабляются взаимодействия и уменьшаются размеры связанных групп между молекулами. Попадая в область кавитации, они разрушаются преимущественно по С-С связям, что приводит к изменению соотношений различных углеводородов. Результаты сведены в табл.4.2.1, из которой отчетливо прослеживается разница по определенным группам молекул между контрольным образцом нефти и после кавитационного воздействия.
На полученных хроматограммах (рис.4.2.3, 4.2.4) также отмечено появление пиков, соответствующих углеводородам с более низкими температурами кипения до С8, что хорошо согласуется с результатами по фракционному составу. Массовая доля фракций выкипающих до температуры кипения 200 С для контрольного образца составляет 5.4% , после кавитационного воздействия - 13.1%. В связи с тем, что углеводороды от С2 до С4 характеризуют газовое состояние нефти, то в процессе кавитации они формируются в па ро-газовые пузырьки различных размеров, что зафиксировано микрофотосъемкой рис.4.2.5.
Пузырьки, изображенные на снимке, содержат растворенные газы, радикалы углеводородных соединений, молекулы воды и пара. В связи с тем, что локальный градиент давления в начальный момент образования пузырька велик дР»0 (дР=107-109 Па, Т 103-105 [93 - 96], при дР 109 Па паро-газовые пузырьки разрываются.
Паро-газовая смесь в этом случае попадает в объем среды. В то же время на границе раздела фаз происходит термическое разложение углеводородных соединений с образованием различных радикалов и заряженных частиц. Эти частицы при попадании в объем способствуют, в свою очередь, ассоциации конденсированных ароматических соединений и тем самым приводят к образованию дополнительного количества асфальтенов.
С химической точки зрения, асфальтены - это очень сложная макромолекула, принадлежащая к классу мультиминиполимеров, со статистически усредненной структурой [97]. С этой точки зрения асфальтены представляют собой плоскости, сформированные в параллельные пачки, которые могут быть соединены между собой сульфидными, эфирными, нафтеновыми связями или алифатическими цепочками. Ароматическая система слоя (плоскости) неустойчива, вследствие баланса зарядов, особенно, когда они встречают противоположно заряженные группы [98], кавитационное воздействие, в свою очередь, способствует их разрушению. Из результатов ИК-спектроскопии видно, что после воздействия при температуре 273 К коэффициент К = - - наибольший и все вновь образовавшиеся парафины присутствуют (табл.4.2.2, 4.2.3).
Применение кавитации в процессе получения топливных и технологических суспензий
Простота, эффективность, высокая надежность и универсальность гидродинамического модуля открывает широкие возможности не только для подготовки высоковязкой нефти и суспензий к трубопроводному транспорту. Как показали результаты, при кавитаци-онном воздействии в процессе подготовки нефти месторождения, Каражанбас установлено увеличение содержания фракций С5 - С10, что представляет интерес для ее первичной переработки. На современных нефтеперерабатывающих заводах основным первичным процессом служит разделение нефти на фракции, т. е. ее перегонка. Промышленные процессы перегонки нефти основаны на сочетании перегонки с одно- и многократным испарением и последующей ректификацией паровой и жидкой фаз. Как показал эксперимент, ка-витационное воздействие на нефть не сказывается на технологии перегонки, однако, оно оказывает влияние на процентное соотношение конечных продуктов, т. е. увеличивается выход дистиллятах фракций на 7.7%. Более подробно останавливаться на перегонке нефти не целесообразно, поскольку эти процессы достаточно полно освещены в литературных источниках, в частности [99].
Заслуживают внимания процессы деструктивной переработки нефти, предназначенные для изменения ее химического состава путем термического воздействия. При помощи этих методов удается получать нефтепродукты заданного качества, в частности, при производстве битумов. Согласно [100], из целевой твердой НДС, в процессе физико-химических превращений, получают битумы, обладающие минимальной симметрией структуры. Анализ различных представлений о структуре нефтяных битумов позволил на базе основных фундаментальных положений рассматривать их как про 83 странственную дисперсную систему. Эта система представлена дисперсной фазой из асфальтенов и дисперсионной средой из смол и масел. В свою очередь, асфальтены являются высокомолекулярными фазообразующими компонентами и немаловажное значение имеет наличие низкомолекулярных компонентов в виде растворенного газа. В этой связи возрастает значимость перераспределения соотношений этих компонентов. Поэтому особое внимание в работе уделяется объемному распределению паро-газовых пузырьков в процессе получения (окисления) из сырой нефти месторождения Каражанбас битумов при кавитационном воздействии.
Современная технология заключается в окислении нефтяных остатков кислородом воздуха без катализатора при температуре 230 -300 С с подачей 0.84-1.4 м3/мин воздуха на 1 тонну битума при продолжительности до 12 часов [99]. Воздух подается в реактор под давлением или всасывается благодаря вакууму в системе через маточник. Применение маточника в виде одной перфорированной трубы приводит к неравномерному распределению воздуха по сечению реактора, образованию застойных зон, плохому диспергированию воздуха в сырье. Разветвленный маточник лучше диспергирует и равномернее распределяет воздух по сечению реактора, но обладает большим гидравлическим сопротивлением. Применение вращающегося маточника позволяет несколько сократить время окисления и снизить содержание свободного кислорода и газообразных продуктов окисления, но для этого необходимо увеличить обороты вращения маточника, повысить давление сжатого воздуха, что связано со значительным увеличением затрат [99].
Применение кавитационного воздействия в процессе окисления позволяет при пониженных технологических температурах (180-200 С) значительно сократить время, существенно улучшить диспергирование воздуха в сырье. Окисление нефти проводилось в циркуляционном режиме, воздух эжектировался через специальное регулируемое устройство аппарата, разработанного для окисления нефтяного сырья [47]. Температура сырой нефти на начальной стадии составляла 150 С, с последующим доведением ее до 180-200 С, расход воздуха - 1 м3/мин на 1 тонну сырья. Выход "черного соляра" с температурой кипения до 200 С - 5.4%. В целом окисление протекало по известной схеме: масла-смолы-асфальтены-карбены-карбоиды [52, 99]. Однако, в процессе кавитационного воздействия при высоких температурах происходит разрушение связей между углеводородами адсорбционно-сольватного слоя сложных структурных единиц (ССЕ), перераспределение углеводородов в дисперсионную среду, разрушение надмолекулярных образований асфальте-нов до наименьших размеров, т. е. происходит механо-химическая и термическая деструкция асфальтенов и смол с выделением газообразных продуктов, что приводит к увеличению фазообразующих компонентов. Эжектируемый воздух, попадает непосредственно в каверну и резко увеличивает объем (до RKp) при котором происходит ее разрыв. В системе появляются ССЕ нового типа, ядром которой являются асфальтены, паро-газовые пузырьки и асфальтено-газовые комплексы. В связи с тем, что температура окисления не превышает 200 С, образование ССЕ из асфальтенов, с одной стороны, происходит за счет связей С-С вследствие отрыва атомов водорода у двух и более молекул. С другой стороны, учитывая особенности процесса, в паро-газовых пузырьках может происходить термическое разложение углеводородных соединений с образованием паро-газовой смеси, состоящей из различных радикалов и заряженных частиц. В стадии разрыва пузырька локальная температура газа в нем повышается до 10000 С и паро-газовая смесь в виде различных радикалов и заряженных частиц выбрасывается в окисляемую среду [93-96].
