ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ, 2015, том 49, № 3, с. 302-311
УДК 665.637+66.084
ИЗУЧЕНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ УЛЬТРАЗВУКА НА ВЯЗКОСТНО-ТЕМПЕРАТУРНЫЕ СВОЙСТВА НЕФТЕЙ РАЗЛИЧНОГО КОМПОНЕНТНОГО СОСТАВА © 2015 г. М. С. Муллакаев, Г. И. Волкова*, О. М. Градов
Институт общей и неорганической химии им. Н.С. Курнакова РАН, Москва *Институт химии нефти СО РАН, г. Томск mullakaev@mail.ru Поступила в редакцию 27.12.2013 г.
Исследовано влияние ультразвуковой обработки на вязкостно-температурные свойства нефтей различного компонентного состава. Эффективность ультразвуковой обработки зависит от группового состава нефти и времени обработки. Ультразвуковая обработка малопарафинистых нефтей с высоким содержанием смол и асфальтенов приводит к существенному снижению вязкости и температуры застывания; эффективность воздействия растет с увеличением времени обработки. Для нефтей с высоким содержанием н-алканов ультразвуковая обработка неэффективна, что обусловлено интенсификацией кристаллизации высокомолекулярных н-алканов. Проведены оценочные расчеты влияния ультразвуковой обработки на изменение вязкости нефти на основе усталостного механизма, которые показали, что экспериментальные данные согласуются с расчетными значениями.
Ключевые слова: ультразвук, ультразвуковая обработка, нефть, нефтяная дисперсная система, ас-фальтены, парафины, напряжение сдвига, скорость сдвига, динамическая и эффективная вязкость, температура застывания, ассоциаты.
БО1: 10.7868/80040357115030094
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день, оценивая перспективы добычи нефти в мире, можно констатировать — эпоха дешевой и легко добываемой нефти закончилась. В то же время мировые ресурсы тяжелых и вязких нефтей оцениваются в 700 млрд тонн, что сопоставимо с мировыми запасами обычной нефти.
При достижении критической концентрации смолисто-асфальтеновых компонентов в нефти наступает резкое изменение реологических свойств и начинают в значительной мере проявляться структурно-механические свойства, что объясняется межмолекулярными взаимодействиями смолисто-асфальтеновых компонентов со всеми молекулами дисперсионной среды.
В работах [1, 2] обсуждаются механизмы структурообразования в нефтяных системах под воздействием внешних факторов, взаимосвязь структурообразования с реологическими свойствами. Авторы обосновывают непосредственную связь между условиями формирования и разрушения надмолекулярных структур (ассоциатов, мицелл и т.д.) в нефтяных дисперсных системах и поведением смолисто-асфальтеновых компонентов в процессах подготовки, транспорта и переработки высоковязких нефтей.
Для преодоления проблем, возникающих при добыче и транспортировке проблемных нефтей, применяют различные методы воздействия: тепловые, механические, химические и физические, в том числе акустические. Одним из эффективных методов интенсификации химико-технологических процессов в жидкостях является их ка-витационная обработка [3, 4]. Предварительная обработка сырой нефти в ультразвуковом и электрическом поле с целью обессоливания и обезвоживания является более эффективной для агломерации частиц воды по сравнению с обработкой только в электрическом поле [5]. В [6] экспериментально доказана возможность снижения вязкости дизельного топлива за счет использования ультразвуковой энергии, получаемой в длинных каналах малого диаметра. В работе [7] исследовано влияние ультразвуковых волн различных частот и мощностей на изменение вязкости трех типов нефтепродуктов и было обнаружено, что вязкость снижается во всех экспериментах.
В работе [8] исследованы изменения реологических характеристик образцов сырой нефти после ультразвукового воздействия при различных режимных и технологических параметрах в широком интервале скоростей сдвига. Установлено, что после ультразвуковой обработки течение нефти носит псевдопластичный характер, проис-
ходит деструкция высокомолекулярных компонентов в определенном интервале времени обработки.
В работах [9—11] показано, что после ультразвуковой обработки происходит изменение реологических свойств сырой нефти вследствие диспергирования тяжелых компонентов коллоида и асфальтенов, содержащихся в нефти. Более эффективна комбинированная обработка ультразвуком и химическими реагентами [12—14] или термоакустическая обработка [15—17]. При масштабировании процесса целесообразно проводить кавитационную обработку с помощью гидродинамических излучателей [18—20].
Целью настоящей работы является исследование влияния ультразвуковой обработки на вязкость и температуру застывания нефтей с различным содержанием н-алканов и смолисто-асфаль-теновых компонентов, а также расчет зависимости коэффициента вязкости от размеров ассоциатов надмолекулярных образований асфальтенов до и после ультразвукового воздействия и его экспериментальная проверка.
АППАРАТУРА И МЕТОДЫ АНАЛИЗА
Методика экспериментов предусматривала обработку в стальном реакторе периодического действия фиксированного объема нефти (300 мл) с использованием преобразователя "МСП 1/24", соединенного с генератором "MUG 4/18-27" мощностью 4 кВт. Упругие колебания вводились в нагрузку с помощью стержневого волновода с диаметром рабочего торца 20 мм, амплитуда колебаний которого составляла 5—10 мкм при резонансной частоте 24.3 кГц.
Исходные и обработанные ультразвуком образцы нефти термостатировались в течение 30 мин при температуре 20°C, а затем определялись реологические параметры на вискозиметре "Brookfield DV-III ULTRA" в широком интервале скоростей сдвига. Обработка результатов измерений осуществлялась с помощью программного обеспечения Rheocalc. Погрешность измерений касательного напряжения на приборе составляет ±3 отн. %.
Эффективная вязкость определялась на измерителе низкотемпературных показателей нефтепродуктов "ИНПН SX", являющемся ротационным вискозиметром, в котором измеряется крутящий момент при постоянной скорости сдвига 250 рад/с. Точность измерения температуры пробы составляет ±0.2°С, точность определения вязкости — 2%. В методике учтены требования международных стандартов ASTM D2602 и ASTM D4684.
Температуру застывания образцов определяли на приборе "ИНПН" (КРИСТАЛЛ), принцип действия которого основан на просвечивании пробы инфракрасным светом в ближнем диапа-
П, мПа с 1000
800
600
400 Ь
200
10 1
Y, с
Рис. 1. Зависимость динамической вязкости от скорости сдвига нефти 1 при различной продолжительности ультразвуковой обработки (температура 20°С): 1 — исходная нефть; 2 — 1 мин; 3 — 5 мин; 4 — 10 мин.
зоне волн. Обработка результатов измерения осуществляется встроенным микропроцессором, а текущая информация отображается на жидкокристаллическом дисплее. Криостат изготовлен на элементах Пельтье. Точность измерения температуры пробы составляет ±0.2°С.
Измерения средних радиусов ассоциатов проводили на лазерном фотонном корреляционном спектрометре, состоящем из оптико-механического блока, системы термостабилизации и измерения температуры, системы счета фотонов "ФЭУ-136", гелий-неонового лазера ЛГ-38 (X = = 0.6328 мкм, Р = 50 мВт) при 20°С для соотношений нефть/гексан = 1/100. Объем пробы составлял 1 см3, погрешность измерений 3—5%.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Физико-химические свойства и групповой состав исследуемых нефтей представлены в табл. 1
Высокопарафинистые нефти 1, 2 и 3 были подвергнуты ультразвуковой обработке в течение 1—10 мин, причем в реакторе поддерживалась температура 25—30°С, так как при более низких температурах парафины кристаллизовались на стенках реактора. Как видно из рис. 1 и 2, вязкость нефтей 1 и 2 после ультразвуковой обработки постепенно повышается с увеличением времени воздействия. Аналогичная реакция на ультразвуковую обработку наблюдается и для нефти 3.
Депрессорное влияние ультразвуковой обработки проявляется при снижении содержания н-алканов в нефти. Вязкость парафинистой нефти 4 уже после 2 мин ультразвуковой обработки снижается с 81 до 65 мПа с (рис. 3). Последующее увеличение времени воздействия приводит к
0
2
4
6
8
Таблица 1. Физико-химические свойства и групповой состав исследуемых нефтей
ц, мПа с (при 20°С) Тх, °С Содержание, мас. %
№ масла (в том числе н-алканы) смолы асфальтены
1 227 18 98.6 (10.1) 1.4 следы
2 850 18 72.0 (20.0) 25.9 2.1
3 382 19 80.3 (18.9) 15.6 4.1
4 82 -8 77.7 (5.9) 15. 6.
5 363 -5 63.1 (3.0) 35.7 1.2
6 75 -18 73.5 (2.8) 21.9 4.6
7 295 -17 83.4(0.9) 15.4 1.2
8 1014 -17 65.3 (1.4) 28.6 6.1
9 5800 -19 59.0 (1.1) 31.1 9.9
10 1046 -20 81.6 (4.5) 12.5 5.9
11 78 -28 81.3 (2.2) 15.4 3.3
двукратному понижению вязкости. Депрессия температуры застывания не столь существенна: максимальное снижение температуры застывания (2.5°С) зафиксировано после 4 мин обработки (рис. 4).
По сравнению с нефтью 4 нефть 6 менее пара-финистая (2.8 мас. %), но более смолистая. Вязкость этой нефти снижается практически в 2 раза после 5 мин обработки. Это время оказалось оптимальным, так как дальнейшее увеличение времени ультразвуковой обработки не приводит к большей депрессии вязкости (рис. 4). Иначе влияет ультразвуковая обработка на температуру застывания Тз: в исследуемом временном интервале температура застывания постепенно снижается и после 15 мин обработки ДТз составляет 20° С (рис. 4).
Нефть 7 характеризуется более низким содержанием парафиновых углеводородов и смолисто-асфальтеновых компонентов по сравнению с нефтью 6 (табл. 1).
На рис. 5 приведены зависимости напряжения сдвига и динамической вязкости от скорости сдвига для исходной нефти 7 и этой же нефти, подвергнутой ультразвуковому воздействию в течение 1 мин. Видно, что кривые течения (рис. 5а) практически линейны во всем интервале скоростей сдвига. Динамическая вязкость нефти, обработанной в течение 1 мин, ниже вязкости исходной нефти во всем диапазоне скоростей сдвига (рис. 5б). В области ньютоновского течения нефти при 20° С (скорость сдвига более 20 с-1) вязкость для исходной нефти составляет 295 мПа с, а после ультразвуковой обработки в течение 1 мин снижается
ц, мПа с 1200
1000 -
800 -
600 -
400 -
200 —..................
0 1 3 5 7 10
т, мин
Рис. 2. Влияние продо
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.