CC BY
45УДК: 665.6
КАВИТАЦИОННАЯ ОБРАБОТКА ОБВОДНЕННЫХ НЕФТЕПРОДУКТОВ А.И. Николаев, Б.В. Пешнев, М.Х.И. Алхамеди
Александр Игоревич Николаев (ORCID 0000-0001-8594-2985)*, Борис Владимирович Пешнев (ORCID 0000-0002-0507-2754) Алхамеди Муатаз Хади Исмаил
Кафедра технологии нефтехимического синтеза и искусственного жидкого топлива им. А.Н. Башкирова, МИРЭА - Российский технологический университет, пр-т Вернадского, 86, Москва, Российская Федерация, 119571
E-mail: nikolaev_a@mirea.ru*
В работе представлены результаты исследования влияния наличия воды в нефти и нефтепродуктах на изменение их физико-химических характеристик при кавитацион-ной обработке. В качестве объектов исследования использовались образцы мазута (М) и гидроочищенного вакуумного газойля (ГВГ), а также модельное сырье, полученное добавлением к исходным образцам от 1%об. до 20%об. воды. Активация образцов проводилась в дезинтеграторе высокого давления марки Донор-2, принцип действия которого заключался в сжатии нефтепродукта и последующего его пропускания через диффузор. При прохождении через диффузор, вследствие резкого «сброса» давления до атмосферного, в гидродинамическом потоке возникает явление кавитации. Активацию проводили при значениях градиента давлений на диффузоре 20 МПа и 50 МПа, в режимах однократной обработки и обработки с 5-кратной цикличностью. Определение плотности и выхода фракций осуществлялось с использованием стандартных и общепринятых методов. В результате проведенных исследований влияния кавитационной обработки обводненных нефтепродуктов на изменение их физико-химических характеристик показано, что повышение градиента давлений и числа циклов обработки приводит к снижению плотности, температуры начала кипения нефтепродуктов и увеличению выхода фракций, выкипающих до 400 °С. Выход фракции с температурами кипения 400-480 °С и остатка при этом снижается. Установлено, что присутствие в нефтепродукте воды приводит к большему изменению физико-химических характеристик по сравнению с обезвоженными образцами. Увеличение содержания воды в образцах усиливает эффект от кавитацион-ного воздействия. Эффективность воздействия возрастает и при увеличении дисперсности капель воды в водонефтяной эмульсии.
Ключевые слова: кавитация, кавитационная обработка нефти, физико-химические свойства нефти и нефтепродуктов, повышение степени переработки нефти
CAVITATION TREATMENT OF WATERED OIL PRODUCTS
A.I. Nikolaev, B.V. Peshnev, M.H.I. Alhamedi
Alexander I. Nikolaev (ORCID 0000-0001-8594-2985)*, Boris V. Peshnev (ORCID 0000-0002-0507-2754), Alhamedi Muataz Hadi Ismail
Department of Technology of Petrochemical Synthesis and Artificial Liquid Fuel named after A.N. Bashkirov, MIREA-Russian Technological University, Vernadsky ave., 86, Moscow, 119571, Russia E-mail: nikolaev_a@mirea.ru*
The paper presents the results of the study of the influence of the presence of water in oil and petroleum products on the change in their physico-chemical characteristics during cavitation treatment. As objects of research, samples of fuel oil (M) and hydrotreated vacuum gas oil (ГВГ) were used, as well as model raw materials obtained by adding 1% vol. to 20%vol. of water to the initial samples. The activation of the samples was carried out in a high-pressure disintegrator of the brand Donor-2, the principle of operation of which it consisted in compressing the oil product and then passing it through the diffuser. Whenpassing through the diffuser, due to a sharp "reset"
ofpressure to atmospheric, the phenomenon of cavitation occurs in the hydrodynamic flow. The pressure gradient on the diffuser was 20 MPa and 50 MPa, and the number of treatment cycles was 1 and 5. Determination of the density and yield of fractions was carried out using standard and generally accepted methods. As a result ofthe conducted studies ofthe effect of cavitation treatment ofwatered petroleum products on changes in their physico-chemical characteristics it is shown that an increase in the pressure gradient and the number of treatment cycles leads to a decrease in the density, the boiling point ofpetroleum products and an increase in the yield of fractions boiling up to 400 °C. The yield of the fraction with boiling points of400-480 °C and the residue is reduced at the same time. It was found that the presence of water in the oil product leads to a greater change in the physicochemical characteristics compared to dehydrated samples. An increase in the water content in the samples enhances the effect of cavitation. The effectiveness of the effect also increases with an increase in the dispersion of water droplets in the water-oil emulsion.
Key words: cavitation, oil cavitation treatment, oil and petroleum physico-chemical properties, products, increasing the degree of oil refining
Для цитирования:
Николаев А.И., Пешнев Б.В., Алхамеди М.Х.И. Кавитационная обработка обводненных нефтепродуктов. Изв. вузов.
Химия и хим. технология. 2022. Т. 65. Вып. 7. С. 94-99. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6611.
For citation:
Nikolaev A.I., Peshnev B.V., Alhamedi M.H.I. Cavitation treatment of watered oil products. ChemChemTech [Izv. Vyssh.
Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 7. P. 94-99. DOI: 10.6060/ivkkt.20226507.6611.
Вопросы интенсификации химических, тепло- и массообменных процессов, протекающих в жидкой фазе, вследствие явления кавитации регулярно затрагиваются в литературе [1-10]. Например, в пищевой промышленности, при производстве биологически активных соединений и лекарственных форм суспензионного и эмульсионного типов кавитационная обработка способствует повышению дисперсности получаемых эмульсий и уничтожению в них вредных микроорганизмов.
Применение кавитационной обработки в энергетике связывают с получением топлив в виде водо-угольных суспензий и угольно-масляных паст, а также с использованием водо-мазутных эмульсий [3]. Предполагается, что сжигание такого топлива позволит снизить выбросы оксидов углерода и азота, утилизировать угольный шлам и нефтяные отходы, снизить себестоимость получения тепловой энергии [11].
Вместе с тем в литературе практически отсутствует информация о влиянии воды на изменение характеристик нефтяного сырья в результате его кавитационной обработки. Между тем, по данным ряда исследователей [12-15], кавитационная обработка нефти изменяет ее фракционный состав, повышая выход светлых фракций. В связи с тем, что образование зародышей кавитационных пузырьков связывают с наличием в жидкой среде границы раздела фаз [7, 16], можно ожидать, что в присутствии воды эффект от кавитационной обработки нефти увеличится.
В работе представлены результаты исследований влияния условий кавитационной обработки на изменение физико-химических характеристик обводненных нефтепродуктов.
Объектами исследования были выбраны образцы мазута (М) и гидроочищенного вакуумного газойля (ГВГ), характеристики которых представлены в табл. 1.
Таблица1
Физико-химические характеристики исходных образцов
Table 1. Physical and chemical characteristics of the _initial samples_
Показатель Образец
М ГВГ
Плотность, г/см3 0,9684 0,8989
Температура начала кипения Тнк, °С 290 256
Выход фракций, % масс. Тнк -350 °С 5 5,6
350 - 400 °С 9 35,5
400 - 480 °С 28 49,4
480 °С и выше 58 9,0
Также использовались модельные смеси, полученные добавлением к исходному образцу от 1% об. до 20% об. воды. Для обозначения таких смесей к букве исходного необводненного образца добавляли цифру, характеризующую содержание воды в образце. Например, обозначение М1 значит, что к исходному образцу мазута было добавлено 1% об. воды.
Дисперсность капель воды определяли c использованием микроскопа Digital Microscope 1600х.
Кавитационная обработка образцов проводилась на лабораторной установке с использованием аппарата марки Донор-2, обеспечивающего возникновение кавитации в гидродинамическом потоке [17]. Установка содержит расходную, промежуточную, приемную емкости и аппарат Донор-2. Образец нефтепродукта из расходной емкости подавался в аппарат Донор-2, в котором при градиентах давления 20 и 50 МПа подвергался обработке. Далее нефтепродукт направлялся в промежуточную или приемную емкость. Выбор емкости обусловлен количеством циклов обработки образца. Так, при однократной обработке образец направлялся в приемную емкость, а при многократной в промежуточную и далее возвращается в исходную.
Плотности образцов устанавливали пикно-метрическим методом в соответствии с методикой,
представленной в ГОСТ 3900-85 «Нефть и нефтепродукты. Методы определения плотности».
Выход фракций определяли на лабораторной установке вакуумной дистилляции нефтепродуктов с использованием колбы Кляйзена. Следует отметить, что при дистилляции обводнённых образцов, до их кавитационной обработки, происходил «переброс» нефтепродукта из колбы Кляйзена в приемную. После кавитационной обработки таких образцов, а также у образцов, не содержащих воды, этого эффекта не наблюдалось. В модельных образцах после кавитации вода невооруженным глазом не идентифицировалась, а при дистилляции отгонялась вместе с фракцией Тнк - 350 °С, а в последующем легко отделялась от углеводородов отстаиванием.
Влияние условий кавитационной обработки на физико-химические характеристики образцов показано в табл. 2.
Таблица 2
Физико-химические характеристики обработанных образцов М и М1 Table 2. Physico-chemical characteristics of activated samples M and M1
Условия обработки Характеристика образцов
Давление, МПа Количество циклов Образец Плотность, г/см3 Выход фракций, % масс.
Тнк -350 °С 350-400 °С 400-480 °С 480 °С и выше
20 1 М 0,9653 7,1 10,2 26,0 56,7
М1 0,9602 7,5 11,5 28,0 53,0
5 М 0,9578 10,6 12,7 22,6 54,1
М1 0,9502 11,3 14,1 27,0 47,6
50 1 М 0,9549 10,0 14,0 22,8 54,9
М1 0,9471 10,4 15,1 22,1 52,4
5 М 0,9473 13,7 14,5 23,6 48,2
М1 0,9345 15,8 16,7 22,5 45,0
Характер влияния давления и количества циклов обработки на физико-химические характеристики образцов аналогичен представленному в работах [18-20]. Повышение градиента давлений в диффузоре, как и увеличение числа циклов обработки сопровождалось большим снижением плотности образца, повышением выхода фракций с температурами кипения до 400 °С и снижением выхода фракций с большими температурами кипения. Более того, результаты подтверждают предположение о том, что в присутствии воды эффект от ка-витационного воздействия может увеличиться. Так, при градиенте давления 50 МПа и 5 циклов обработки плотность активированного образца М составляла 0,9473 г/см3, а обработанного образца М1 0,9345 г/см3, а выход фракции Тнк-350 °С увеличился на 20%.
Предположение об усилении эффекта кавитационной обработки нефтепродуктов в присутствии воды базировалось на том, что зародыши ка-витационных пузырьков формируются на границе раздела фаз, в том числе и на границе фаз капель воды и нефти в водо-нефтяной эмульсии. В таком случае эффективность обработки должна зависеть от содержания воды в эмульсии. При увеличении содержания воды в эмульсии увеличивается поверхность раздела фаз и можно ожидать большего эффекта от обработки.
В табл. 3 показано влияние содержания воды в нефтепродукте на физико-химические характеристики образцов. Кавитационная обработка образцов осуществлялась при градиенте давления 50 МПа и 5 циклах обработки.
Таблица 3
Влияние содержания воды в эмульсии на физико-химические характеристики образцов Table 3. The effect of the water content in the emulsion on the physico-chemical characteristics of the samples
Образец Содержание воды, % об. Плотность, г/см3 Выход фракций, % масс.
Тнк-350 °С 350-400 °С 400-480 °С 480 °С и выше
М1 1 0,9345 15,8 16,7 22,5 45,0
М3 3 0,9135 18,5 17,8 21,3 42,4
М5 5 0,9035 22,0 19,0 19,6 39,4
М20 20 0,9015 22,3 19,3 19,9 38,5
Действительно, увеличение содержания воды в образцах усиливает эффект от воздействия. При большем содержании воды образце после кавитационной обработки фиксируется большее снижение его плотности и увеличение выхода фракций, выкипающих до 400 °С. Наибольший выход этих фракций фиксировался при содержании воды в образце 20% об. Однако наиболее существенные изменения фиксировались при увеличении содержания воды до 5% об.
Поверхность раздела фаз возрастает также
и при увеличении дисперсности (уменьшении диаметра) капель воды. В табл. 4 показано влияние размеров внутренней фазы (капель воды) на эффективность обработки гидроочищенного вакуумного газойля с содержанием воды 10% об. Обработка образцов осуществлялась при градиенте давления 50 МПа и 5 циклах воздействия.
Образцы различались средним размером частиц дисперсионной фазы. Для одного образца она составляла 0,7 мм, для другого 0,3 мм, и соответственно образцы обозначались как ГВГ10-0,7 (рис. а) и ГВГ10-0,3 (рис. б).
Ч 0 о ; '/ • » f-? . ° ' щ
о ' ^." * ч О ° о в Л * к х' о ' '* : • « '-О
° ян 0.3
S " -' о •« "
- - * • о о -Ч шшшшшшшшшш | V» • . а » о
Рис. Микрофотографии водонефтяной системы а) - ГВГ10-0,7 и б) - ГВГ10-0,3 Fig. Micrographs of the water and oil system of ГВГ10-0.7 of ГВГ10-0.3
Таблица 4
Физико-химические характеристики обработанных образцов ГВГ10-0,7 и ГВГ10-0,3 Table 4. Physico-chemical characteristics of activated samples of ГВГ10-0,7 and ГВГ10-0,3
Можно отметить, что увеличение дисперсности капель водной фазы в -2,3 раза привело к
возрастанию границ раздела фаз в -5,4 раза и повысило выход фракций, выкипающих до 400 °С.
Представленные результаты подтверждают предположение о зарождении ядер кавитации на границе раздела фаз. Для нефтяных систем такими границами могут являться не только границы диспергированных нефтяных частиц (асфальтенов) с нативной средой, но и границы диспергированной водной фазы и углеводородной среды. Результаты также показывают, что кавитационная обработка обводненных углеводородов приводит к большему выходу фракций, выкипающих до 400 °С. При этом, при последующей вакуумной разгонке таких обводнённых нефтепродуктов вода уходит с «легкими» фракциями и в последующем легко отделяется отстаиванием.
Показатель Образец
ГВГ 10-0,7 ГВГ 10-0,3
Плотность, г/см3 0,9039 0,8993
Выход фракций, %
масс.
Тнк-350 °С 7 8
350-400 °С 37 39
400-480 °С 48 46
480 °С и выше 8 7
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов, требующего раскрытия в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кардашев Г.А. Физические методы интенсификации процессов химической технологии. М.: Химия. 1990. 208 с.
2. Промтов М.А. Машины и аппараты с импульсными энергетическими воздействиями на обрабатываемые вещества. М.: Машиностр. 2004. 136 с.
3. Федоткин И.М., Гулый И.С. Кавитация, кавитационная техника и технология, их использование в промышленности. Киев: ОКО. 2000. 898 с.
4. Немчин А.Ф. Новые технологические эффекты тепло-массопереноса при использовании кавитации. Пром. теплотехн. 1997. Т. 19. Вып. 6. С. 39-47.
5. Богданов В.В., Христофоров Б.И., Клоцунг Б.А. Эффективные малообъемные смесители. Л.: Химия. 1989. 224 с.
6. Слизнева Т.Е., Акулова М.В., Разговоров П.Б. Влияние механомагнитной активации растворов CaCl2 и Na2S2Û3 на фазовый состав цементного камня. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2019. Т. 62. Вып. 12. С. 101-107. DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.6114.
7. Витенько Т.Н., Гумницкий Я.М. Механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду. Химия и технология воды. 2007. Т. 29. Вып. 5. С. 422-432.
8. Промтов М.А. Пульсационные аппараты роторного типа: теория и практика. М.: Машиностр. 2001. 260 с. DOI: 10.3103/S1063455X07050037.
9. Балабышко А.М., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое диспергирование. М.: Наука. 1998. 330 с.
10. Хмелев В.НН Ультразвуковые многофункциональные и специализированные аппараты для интенсификации технологических процессов в промышленности, сельском и домашнем хозяйстве. Бийск: Изд-во Алт. гос. техн. унта. 2007. 400 с.
11. Винтовкин А.А. Технологическое сжигание и использование топлива. М.: Теплотехник. 2005. 288 с.
12. Промтов М.А. Кавитационная технология улучшения качества углеводородных топлив. Хим. и нефтегаз. машиностр. 2008. Вып. 2. С. 6-8. DOI: 10.1007/s10556-008-9014-x.
13. Промтов М.А., Авсеев А.С. Импульсные технологии переработки нефти и нефтепродуктов. Нефтеперераб. и нефтехимия. 2007. Вып. 6. С. 22-24.
14. Золотухин В.А. Новая технология для переработки тяжелой нефти и осадков нефтеперерабатывающих производств. Хим. и нефтегаз. машиностр. 2004. Вып. 10. С. 8-11. DOI: 10.1007/s10556-005-0014-9.
15. Нестеренко А.И., Берлиозов Ю.С. Возможность крекинга углеводородов под действием кавитации. Количественная энергетическая оценка. Химия и технол. топлив и масел. 2007. Вып. 6. С. 43-44. DOI: 10.1007/s10553-007-0089-4.
16. Ершов М.А., Муллакаев М.А., Баранов Д.А. Снижение вязкости парафинистых нефтей обработкой в гидродинамическом проточном реакторе. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. М. : ВНИИОЭНГ. 2011. Вып. 4. С. 22-26.
The authors declare the absence a conflict of interest warranting disclosure in this article.
REFERENCES
1. Kardashev G.A. Physical methods of intensification of chemical technology processes. M.: Khimiya. 1990. 208 p. (in Russian).
2. Promtov M.A. Machines and devices with impulse energy effects on the processed substances. M.: Mashinostr. 2004. 136 p. (in Russian).
3. Fedotkin I.M., Guly IS. Cavitation, cavitation technique and technology, their use in industry. Kiev: OKO. 2000. 898 p. (in Russian).
4. Nemchin A.F. New technological effects of heat and mass transfer when using cavitation. Prom. Teplotekhn. 1997. V. 19. N 6. P. 39-47 (in Russian).
5. Bogdanov V.V., Khristoforov B.I., Klotsung B.A. Efficient low volume mixers. L.: Khimiya. 1989. 224 p. (in Russian).
6. Slizneva T.E., Akulova M.V., Razgovorov P.B. Influence of mechanomagnetic activation of CaCl2 and Na2S2O3 solutions on the phase composition of cement stone. Chem-ChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol.]. 2019. V. 62. N 12. P. 101-107 (in Russian). DOI: 10.6060/ivkkt.20196212.6114.
7. Vitenko T.N., Gumnitskiy Ya.M. The mechanism of the activating action of hydrodynamic cavitation on water. Khim. Tekhnol. Vody. 2007. V. 29. N 5. P. 422-432 (in Russian).
8. Promtov M.A. Rotary pulsating apparatus: theory and practice. M.: Mashinostr. 2001. 260 p. (in Russian). DOI: 10.3103/S1063455X07050037.
9. Balabyshko A.M., Zimin A.I., Ruzhitskiy V.P. Hydrome-chanical dispersion. M.: Nauka. 1998. 330 p. (in Russian).
10. Khmelev V.N. Ultrasonic multifunctional and specialized devices for the intensification of technological processes in industry, agriculture and households. Biysk: Izd. Alt. gos tekh. un-ta. 2007. 400 p. (in Russian).
11. Vintovkin, A.A. Technological combustion and fuel use. M.: Teplotekhnik. 2005. 288 p. (in Russian).
12. Promtov M.A. Cavitation technology for improving the quality of hydrocarbon fuels. Khim. Neftegaz. Mashinostr. 2008. N 2. P. 6-8 (in Russian). DOI: 10.1007/s10556-008-9014-x.
13. Promtov M.A., Avseev A.S. Impulse technologies for processing oil and oil products. Neftepererab. Neftekhim. 2007. N 6. P. 22-24 (in Russian).
14. Zolotukhin V.A. New technology for the processing of heavy oil and oil refinery sludge. Khim. Neftegaz. Mashinostr. 2004. N 10. P. 8-11 (in Russian). DOI: 10.1007/s10556-005-0014-9.
15. Nesterenko A.I., Berliozov Yu.S. Possibility of cracking of hydrocarbons under the influence of cavitation. Quantitative energy assessment. Khim. Tekhnol. Topliv Masel. 2007. N 6. P. 43-44 (in Russian). DOI: 10.1007/s10553-007-0089-4.
16. Ershov M.A., Mullakaev M.A., Baranov D.A. Reducing the viscosity of paraffinic oils by treatment in a hydrody-namic flow reactor. Equipment and technologies for the oil and gas complex. M.: VNIIOENG. 2011. N 4. P. 22-26 (in Russian).
17. Торховский В.Н., Воробьев С.И., Антонюк С.Н., Егорова Е.В., Иванов С.В., Кравченко В.В., Городский С.Н. Использование многоцикловой кавитации для интенсификации переработки нефтяного сырья. Технологии нефти и газа. 2015. Вып. 2. С. 10-17.
18. Терентьева В.Б., Николаев А.И., Торховский В.Н., Пешнев Б.В., Воробьев С.И. Гидродинамическая кавитация нефтяного сырья. Тез. докл. Всеросс. науч. конф. «Переработка углеводородного сырья. Комплексные решения» (Левинтерские чтения). Самара: Самар. гос. техн. ун-т. 2016. С. 263-264.
19. Терентьева В.Б., Николаев А.И., Торховский В.Н., Пешнев Б.В., Воробьев С.И., Конькова Н.А., Арнац-кий Г.А. Механохимическая активация нефти и тяжелых нефтяных остатков. Тез. докл. III Всеросс. молод. науч. конф. с междунар. уч. «Экологобезопасные и ресурсосберегающие технологии и материалы». Улан-Удэ: Изд-во БНЦ СО РАН. 2017. С. 231-233.
20. Терентьева В.Б., Пешнев Б.В., Николаев А.И. Гидродинамическая активация тяжелых нефтяных остатков. Тонкие хим. технологии. 2021. Вып. 5. С. 390-398.
17. Torkhovsky V.N., Vorobiev S.I., Antonyuk S.N., Egorova E.V., Ivanov S.V., Kravchenko V.V., Gorodsky S.N. The
use of high-cycle cavitation to intensify the processing of petroleum feedstocks. Tekhnol. Nefti Gaza. 2015. N 2. P. 10-17 (in Russian).
18. Terentyeva V.B., Nikolaev A.I., Torkhovsky V.N., Peshnev B.V., Vorobiev S.I. Hydrodynamic cavitation of crude oil. Abstracts. report All-Russian Scientific Conference "Processing of Hydrocarbon Raw Materials. Complex solutions "(Levinter readings). Samara: Samar. gos. tekhn. un-t. 2016. P. 263-264 (in Russian).
19. Terentyeva V.B., Nikolaev A.I., Torkhovsky V.N., Peshnev B.V., Vorobiev S.I., Kon'kova N.A., Arnatsky G.A. Mechanochemical activation of oil and heavy oil residues. Abstracts. report III All-Russian youth scientific conference with international participation "Environmentally friendly and resource-saving technologies and materials". Ulan-Ude: Izd. BNTs SO RAN. 2017. P. 231-233 (in Russian).
20. Terentyeva V.B., Peshnev B.V., Nikolaev A.I. Hydrodynamic activation of heavy oil residues. Tonkie Khim. Tekhnol. 2021. N 5. P. 390-398 (in Russian). DOI: 10.32362/2410-6593-2021-16-5-390-39.
Поступила в редакцию 04.03.2022 Принята к опубликованию 29.03.2022
Received 04.03.2022 Accepted 29.03.2022
