ТЕПЛОФИЗИКА ВЫСОКИХ ТЕМПЕРАТУР, 2015, том 53, № 4, с. 627-629
УДК 537.868
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛЕ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ МИКРОВОЛНОВЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ
© 2015 г. Л. А. Ковалева, Р. Р. Зиннатуллин, А. И. Муллаянов, Р. М. Амекачев
Центр микро- и наномасштабной динамики дисперсных систем Башкирский государственный университет, г. Уфа E-mail: rasulz@yandex.ru Поступило в редакцию 28.03.2014 г.
Исследуется воздействие микроволнового излучения на отдельную эмульсионную каплю. Описывается лабораторный стенд для исследования микроволнового излучения на отдельную эмульсионную каплю. Приводятся результаты исследований, показывающие динамику изменения температуры внутри микронной капли при воздействии на нее микроволновым излучением.
Б01: 10.7868/80040364415040171
ВВЕДЕНИЕ
Важной технологической задачей при добыче, подготовке и транспортировке нефти является обезвоживание нефти. Несовершенство существующих технологий и установок подготовки и обезвоживания нефтей (УПН) приводит к потерям при подготовке на установках обезвоживания нефти до 7%. Эти потери в виде нефтяного шлама накапливаются в шламонакопителях и неф-тешламовых амбарах, ухудшая экологическую ситуацию в районах нефтедобычи. В Российской Федерации насчитывается более 16 млн тонн нефтяных шламов.
Для предотвращения потерь в УПН и утилизации существующих нефтешламов необходимы новые методы, позволяющие эффективно и без вреда окружающей среде обезвоживать нефти и удалять из них механические примеси. Основной проблемой при обезвоживании стойких водоне-фтяных эмульсий является разрушение так называемой бронирующей оболочки эмульсионных капель, образованной из полярных компонент нефти (асфальтены, смолы) [1]. Бронирующая оболочка препятствует коагуляции капель воды. Такие эмульсии практически не могут быть разрушены обычными методами (центрифугирование, тепловой нагрев, химические реагенты). Одним из перспективных способов разрушения бронирующей оболочки вокруг капли является использование микроволнового излучения [2]. Однако, как показали результаты экспериментальных исследований, при воздействии микроволновым излучением на водонефтяные эмульсии возникают ситуации, когда эмульсия переходит в мелкодисперсную и устойчивую систему [3]. Происходит это из-за образования локальных разрывов в бронирующих оболочках капель воды и впрыски-
вания воды в нефтяную фазу. Для предотвращения локальных разрывов капель воды необходимо подбирать оптимальные параметры воздействия (время воздействия, мощность излучения идр.). Оптимальные параметры подбираются в зависимости от критической температуры в капле, при которой происходит локальный разрыв оболочки. Современные измерительные приборы не позволяют замерять температуру внутри капли диаметром 10—20 мкм. Одним из возможных методов измерения температуры в таких каплях является использование химических веществ, меняющих свойства при нагреве, например родамин Б. При увеличении температуры интенсивность свечения родамина Б снижается.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование реальных водонефтяных эмульсий затруднительно, так как они представляют собой многокомпонентную сложную систему. Поэтому в работе используется модельная эмульсия — капли воды, покрытые асфальтеновой оболочкой, в гептане. Процедура приготовления модельной эмульсии следующая [4—6].
• Асфальтены (1% к объему эмульсии) растворяются в толуоле в течение 2-х часов.
• В полученный раствор добавляется гептан в равных долях к толуолу и перемешивается в течение 2-х часов в мешалке при скорости 500 об/мин.
• Затем в раствор добавляется очищенная вода (МНИ-Р) в объеме 30% к объему эмульсии.
• Средняя порция полученной эмульсии промывается чистым гептаном для удаления механических примесей и толуола.
• В полученную эмульсию добавляется родамин Б.
627
10*
628
КОВАЛЕВА и др.
П
Микроскоп Olympus IX71
Рис. 1. Блок-схема лабораторного стенда для исследования воздействия микроволнового излучения на эмульсионные капли.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Исследования динамики нагрева эмульсионных капель микроволновым излучением проводились на лабораторном стенде, блок-схема которого представлена на рис. 1. Микроволновое излучение задается генератором ZX95-3360-S+ с диапазоном частот 2120—3360 МГц через усилитель ZRL-3500+ (Mini-Circuits). Для питания генератора и усилителя используются источники питания постоянного тока GWINSTEK GPS-3030DD. На два параллельно расположенных медных проводника, представляющих в электрическом отношении конденсатор, подается напряжение. Эмульсия закачивается в микроканал, расположенный между параллельными проводниками. Динамика нагрева отдельной эмульсионной капли снимается на видео через микроскоп Olympus 1X71. Видеоматериалы обрабатывались в среде MatLab.
I/I0 1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0
20 30
40
50 60
70
80 T, °C
Рис. 2. Зависимость нормированной интенсивности свечения капли от температуры.
В ячейку закачивается разряженная эмульсия и в центре между двумя электродами фиксируется отдельная капля, наиболее отдаленная от других капель. Затем на электроды подается напряжение частотой 2.4 ГГц.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
По мере нагрева капли воды интенсивность свечения родамина Б, растворенного в капле, снижается. Для подтверждения того факта, что интенсивность свечения родамина Б зависит только от температуры и полностью восстанавливается при охлаждении системы до начальной температуры, была получена динамика изменения интенсивности свечения родамина Б при нагреве и охлаждении капли воды. Капля нагревалась через терморубашку микроволновым излучением, чтобы исключить влияние микроволнового излучения на интенсивность свечения родамина Б.
Температура капли в процессе нагрева микроволновым излучением определялась по калибровочной кривой зависимости интенсивности свечения от температуры. Для получения калибровочной кривой микрожидкостная ячейка была оснащена терморубашкой, соединенной с термостатом, а в микроканал установлена термопара, соединенная с мультиметром. Размеры поперечного сечения канала и головки термопары соизмеримы. В диапазоне температур 22—80°С с шагом 2° С была получена калибровочная кривая зависимости относительной интенсивности свечения родамина Б от температуры (рис. 2).
На рис. 3 показана динамика изменения температуры в капле воды при микроволновом излу-
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ В ЭМУЛЬСИОННОЙ КАПЛЕ
629
T, °C 55
50
45
40
35
30
25
20
10
12 t, c
Рис. 3. Динамика температуры внутри капли при воздействии микроволновым излучением {[ = 2.4 ГГц, N = 30 Вт).
чении. Радиус капли г = 60 мкм, начальная температура капли ^ = 22° С. На каплю воздействовали микроволновым излучением (/ = 2.4 ГГц, Р = 30 Вт) в течение 12 с. За 10 с воздействия температура капли достигла 50°С и стабилизировалась. Стабилизация температуры при 50°С объясняется теплообменом капли с окружающей средой.
Таким образом, полученная динамика изменения температуры капли показывает возможность определения температуры в каплях в несколько десятков микрометров при микроволновом излучении.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В работе рассмотрена возможность использования свойств родамина Б для определения температуры в микронных эмульсионных каплях при микроволновом излучении. Полученные зависимости температуры отдельных капель эмульсии
при микроволновом излучении от времени могут быть полезны при математическом моделировании микроволнового воздействия на водоэмульсионные системы, в том числе на водонефтяные и нефтешламовые эмульсии, а также при разработке технологий и установок по обезвоживанию во-донефтяных и нефтешламовых эмульсий с использованием микроволнового излучения.
Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ (гос. задание № 3.1251.2014/К, грант № 11.G34.31.0040) и РФФИ (№ 14-01-97005).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Зиннатуллин Р.Р., Фатхуллина Ю.И., Камалтди-нов И.М. Исследование образования адсорбционной пленки методом высокочастотной диэлектрической спектрометрии // ТВТ. 2012. Т. 50. № 2. С. 316.
2. Kovaleva L.A., Zinnatullin R.R., MinnigalimovR.Z. Destruction of Water-in-Oil Emulsions in Radio-Frequency and Microwave Electromagnetic Field // Energy Fuels. 2011. V. 25. № 8. P. 3731.
3. Ковалева Л.А., Зиннатуллин Р.Р., Муллаянов А.И., Мавлетов М.В., Благочиннов В.Н. Эволюция микроструктуры водонефтяных эмульсий в высокочастотных и сверхвысокочастотных электромагнитных полях // ТВТ. 2013. Т. 51. № 6. С. 952.
4. McLean J.D., SpieckerP.M., Sullivan A.P., KilpatrickP.K. The Role of Petroleum Asphaltenes in the Stabilization of Water-in-Oil Emulsions. In: Structures and Dynamics of Asphaltenes / Eds. Mullins O.C., Sheu E.Y. N.Y.: Plenum Press, 1998. P. 377.
5. Kilpatrick P.K. Water-in-Crude Oil Emulsion Stabilization: Review and Unanswered Questions // Energy Fuels. 2012. V. 26. № 7. P. 4017.
6. Ross D., Gaitan M., Locascio L.E. Temperature Measurement in Microfluidic Systems Using a Temperature-Dependent Fluorescent Dye // Anal. Chem. 2001. V. 73. P. 4117.
6
0
2
4
8
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.