Подготовка нефти и воды ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ

ИССЛЕДОВАНИЕ СТЕПЕНИ РАССЛОЕНИЯ НЕФТЯНЫХ
ШЛАМОВ ПРИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ВОЗДЕЙСТВИИ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
УДК
537.311.32:
622.276.4
RESEARCH OF THE OIL SLIMES STRATIFICATION DEGREE DEPENDING
ON THEIR DIELECTRIC PROPERTIES UNDER THE ELECTROMAGNETIC
FIELD IMPACT
Л.А. Ковалева,
Р.З. Миннигалимов,
Р.Р. Зиннатуллин
Башкирский государственный
университет
Рассматривается проблема утилизации нефтяных шламов. Приводятся
результаты экспериментальных исследований диэлектрических характеристик образцов нефтяного шлама. Определена степень расслоения шлама при
высокочастотном электромагнитном воздействии в зависимости от ее диэлектрических параметров. Проведены аналогичные исследования с модельными
водонефтяными эмульсиями.
L.A. Kovaleva,
R.Z. Minnigalimov,
R.R. Zinnatullin
The Bashkir State University
The problem of oil slimes utilization is considered. Results of experimental
researches of dielectric characteristics of oil slimes samples are resulted. The
degree of slimes stratification depending on its dielectric parameters is determined
under radio-frequency electromagnetic influence. Similar researches with model
water-oil emulsions are carried out.
Ключевые слова: электромагнитное поле, диэлектрические характеристики, тангенс угла диэлектрических потерь, частота воздействия.
Key words: an electromagnetic field, dielectric
characteristics, a tangent of a corner of dielectric
losses, frequency of influence.
В процессе приема, хранения и подготовки нефти
к переработке на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприятиях образуются значительные объемы нефтесодержащих шламов, которые
являются не только источником загрязнения, но и
ценным углеводородным сырьем [1]. Длительное
хранение нефти с водой, контакт с кислородом
воздуха, наличие твердых частиц, гидрофобизированных асфальтосмолистыми и парафиновыми
веществами, способствуют образованию в таких
шламах «промежуточных слоев», представляющих
собой сверхустойчивые водонефтяные эмульсии [2].
Высокая устойчивость таких эмульсий создает особые трудности в процессе переработки
нефтешламов с большим содержанием асфальтосмоло-парафиновых веществ. Для утилизации
нефтеотходов в основном применяют термические,
физико-химические и биологические методы воздействия. Однако перечисленные методы не всегда
дают ожидаемый эффект. В последние годы весьма
перспективным становится применение интенсивных высокочастотных электромагнитных полей
(ВЧ ЭМП) в процессах утилизации водонефтяных
шламов. Эффективность действия электромагнитного поля определяется частотой приложенного
поля и диэлектрическими свойствами (тангенсом
угла диэлектрических потерь tgδ и относительной
диэлектрической проницаемостью ε′) нефтешлама,
82
которые характеризуют его поведение во внешнем
поле. Поэтому детальное исследование зависимости
диэлектрических свойств шламов от частоты поля
дает возможность установить область частот наиболее эффективного электромагнитного воздействия.
С этой целью были исследованы диэлектрические свойства образцов нефтешламов, отобранных из различных амбаров, в диапазоне частот
1–300 МГц при температуре 293 К и атмосферном
давлении.
Рисунок 1. Зависимость тангенса угла диэлектрических
потерь для образцов нефтешлама от частоты
ЭМП с различным содержанием воды в
образцах:
1 – 72%; 2 – 42%; 3 – 28%; 4 – 16%; 5 – 3%.
Результаты, приведенные на рисунке 1, показывают, что для большинства исследованных образцов
зависимость тангенса угла диэлектрических потерь
от частоты tgδ(f) имеют ярко выраженные макси-
Подготовка нефти и воды
2010,том8,№2
мумы в рассматриваемом диапазоне частот. Это
позволяет прогнозировать резонансное взаимодействие объектов с ВЧ полем.
Наличие максимума на этих кривых говорит о
том, что именно при той частоте, при которой tgδ
имеет максимальные значения, энергия поля особенно интенсивно поглощается полярными компонентами, образующими бронирующие оболочки
вокруг капель диспергированной воды в эмульсии.
Следовательно, при помещении такого образца
во внешнее поле с частотой, соответствующей максимуму поглощения, в нем могут возникнуть интенсивные термо- и гидродинамические эффекты, и
прочность молекулярной связи между дипольными
молекулами оболочки снизится. Это ослабит прочность всей оболочки, что, в конечном счете, приведет к расслоению нефтешлама.
Учитывая, что при реализации предлагаемого
способа разрушения водонефтяной эмульсии можно
использовать выпускаемые для промышленных
целей ВЧ генераторы, имеющие фиксированную
разрешенную частоту генерации, на исследуемые
образцы воздействовали высокочастотным полем
одной из таких частот, равной 13,56 МГц. Обработка
образцов полем осуществлялась в отсутствии гидродинамических воздействий, связанных с течением,
т.е. в статическом режиме.
Для всех образцов предварительно было определено индивидуальное время воздействия, при котором они нагревались до одинаковой температуры
(80 °С). Обработанные полем образцы сливались из
рабочей ячейки в стеклянный отстойник, и по истечении суток определялась доля выделившейся воды.
Результаты экспериментов приведены в таблице 1.
Из анализа таблицы 1 видно, что при воздействии на образцы нефтешлама электромагнитным
полем частотой 13,56 МГц эффективнее разрушается тот образец, для которой частота, соответствующая максимуму tgδ приблизительно равна частоте
воздействия, либо частота воздействия входит в
область ширины резонансной кривой для образца,
которая определяется на уровне 0,7 от максимального значения тангенса угла диэлектрических потерь
tgδm. С этой точки зрения наиболее близким по резонансной частоте является образец №1. Поэтому для
образца № 1 происходит наибольшее отслоение
воды.
Так как верхние слои нефтешламовых амбаров
представляют собой высокоустойчивую водонефтяную эмульсию, то для определения степени их разрушения дальнейшие исследования проводились с
модельными эмульсиями. Были подобраны водонефтяные эмульсии, для которых частоты, соответствующие максимуму тангенса угла диэлектрических
потерь, близки по значению к рабочей частоте ВЧ
генератора (13,56 МГц).
Результаты исследований частотных зависимостей tgδ образцов представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Частотные зависимости tgδ для модельных
водонефтяных эмульсий.
Из рисунка 2 видно, что для исследованных
образцов зависимость tgδ(f) имеют ярко выраженные максимумы в диапазоне частот 1-20 МГц.
Частоты, соответствующие максимумам tgδ, с различной степенью приближены к рабочей частоте
генератора равной 13,56 МГц.
Результаты, полученные после воздействия на
исследуемые эмульсии электромагнитным полем с
частотой 13,56 МГц, представлены на рисунках 3.
Рисунок 3. Зависимость доли выделившейся воды из
водонефтяной эмульсий в зависимости от её
резонансной частоты.
Анализ рисунка 3 показывает, что эмульсия,
у которой резонансная частота ближе к рабочей
частоте ВЧ генератора (13,56 МГц), разрушается
наиболее эффективно.
Однако, даже при совпадении резонансной
частоты эмульсии с рабочей частотой генератора
Таблица 1. Отслоение воды в образцах нефтешлама после обработки высокочастотным электромагнитным полем.
№ образца
Резонансная частота fm, МГц
Количество отслоившейся воды, %
1
16
79,1
2
35
44,7
3
55
43,1
Подготовка нефти и воды
2010,том8,№2
4
85
44,2
83
5
120
44,4
полного разрушения эмульсии не наблюдается. Это
можно объяснить тем, что по мере отслоения воды
резонансная частота для эмульсии смещается в
область высоких частот. Тогда частота воздействия
после, выхода её из области ширины резонансной
кривой эмульсии уже не оказывает ожидаемого
эффекта. Для дальнейшего разрушения эмульсии,
необходимо выбрать иную частоту воздействия.
Такое смещение резонансной частоты, возможно,
объясняется изменением диэлектрических свойств
эмульсии и снижением её вязкости с уменьшением
концентрации в ней воды, т.к. согласно теории
Дебая, резонансная частота обратно пропорциональна вязкости жидкости [6]:
(1)
где f m — частота соответствующая максимуму
тангенса угла диэлектрических потерь, k — постоянная Больцмана, Т — температура, η — вязкость
жидкости, α — радиус сферической молекулы.
Для разработки методики контроля эффективности воздействия электромагнитного поля на эмульсию дальнейшие исследования проводили с одной
конкретной эмульсией. Для водонефтяной эмульсии
Варандейского месторождения с начальным содержанием воды 42 % была измерена частотная зависимость tgδ(f), по которой были определены частота
fm=14 МГц соответствующая максимальному значению тангенса угла диэлектрических потерь и
частоты f1=10,1 МГц и f2=17,5 МГц для данной
эмульсии из соотношения:
tgδ (f2,f1)=0,7tgδm,
(2)
tgδm – максимальное значение тангенса угла диэлектрических потерь для эмульсии; f1, f2 – частоты
электромагнитного поля при которых tgδ=0,7tgδm.
Далее были исследованы зависимости tgδ(f) для
данной эмульсии при различном содержании воды.
По кривым tgδ(f) для каждой эмульсии были определены частоты fm, соответствующие максимальным
значениям тангенса угла диэлектрических потерь
tgδm.
ЛИТЕРАТУРА
1. Антипин Ю.В., Валеев М.Д.,
Сыртланов А.Ш. Предотвращение осложнений при добыче обводненной нефти.
Уфа: Башк.кн.изд-во. 1987. 168 с.
2. Позднышев Г.Н. Стабилизация и
разрушение эмульсий. М: Недра, 1982.
222 с.
3. Тронов В.П. Разрушение эмульсии
при добыче нефти. М: Недра, 1974. 271 с.
4. Денисова Н.Ф., Чистяков С.И.,
Саяхов Ф.Л. К вопросу о диэлектрических
свойствах эмульсий // Нефтяное хозяйство. 1972. № 9. C. 58 – 60.
84
Рисунок 4. Зависимость частоты, соответствующей
максимуму тангенса угла диэлектрических
потерь для эмульсии, от концентрации в ней
воды.
По приведенной зависимости определяется то
количество воды Ф, после отслоения которой рабочая частота генератора не будет находиться в области ширины резонансной кривой для эмульсии. Так,
для исследуемой эмульсии Ф=24%, поэтому после
отслоения 24 % воды заново исследовали зависимость tgδ(f) и определили эффективную частоту воздействия, которая составила 18 МГц.
Таким образом, проведенные исследования показали, что для большинства образцов нефтешлама
диэлектрические параметры испытывают дисперсию в высокочастотном диапазоне частот
1–120 МГц, обусловленную наличием бронирующей оболочки на поверхностях капель воды, состоящих из АСВ. В этом диапазоне частот происходит
резонансное взаимодействие полярных молекул
нефти с электромагнитным полем, что приводит к
разрушению бронирующих оболочек и расслоению
эмульсии в целом.
На основе проведенных исследований разработана методика контроля эффективности действия
электромагнитного поля, учитывающая изменение
диэлектрических свойств эмульсии по мере отслоения воды.
5. Саяхов Ф.Л., Хакимов В.С.,
Арутюнов А.И. и др. Диэлектрические
свойства и агрегативная устойчивость
водонефтяных эмульсий // Нефтяное
хозяйство. 1979. №1. C. 36 – 39.
6. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. Л.-М.: ОНТИ, 1936.
144 с.
Л. А. Ковалева
д.т.н., профессор, зав кафедрой прикладной физики БГУ
L.A. Kovaleva
PhD, professor, Head of applied physics
Faculty, BSU
(3472) 73-67-62
е-mail: Liana@ic.bashedu.ru.
Р. Р. Зиннатуллин
к.т.н., доцент кафедры прикладной физики БГУ
R.R. Zinnatullin
Faculty of applied physics, BSU
(3472) 73-67-62,
е-mail: rasulz@yandex.ru
Р. З. Миннигалимов
к.т.н., доцент кафедры прикладной физики БГУ
R.Z. Minnigalimov
Faculty of applied physics, BSU
тел. (3472) 73-67-62
е-mail: r1604@yandex.ru
Подготовка нефти и воды
2010,том8,№2