Научная статья на тему 'РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СВЧ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВНЭ И АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ'

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СВЧ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВНЭ И АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

CC BY
36
5
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СВЧ / ВОДОНЕФТЯНАЯ ЭМУЛЬСИЯ / ОБРАБОТКА / ДЕЭМУЛЬГИРОВАНИЕ / ПОЖАРНАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ

Аннотация научной статьи по энергетике и рациональному природопользованию, автор научной работы — Аксенов Сергей Геннадьевич, Елизарьев Алексей Николаевич, Сулиманова Эльнара Тагировна, Гималетдинова Алина Римовна, Гатауллина Юлия Ильгизовна

Целью данной работы было исследование возможности более эффективного применения микроволнового воздействия для деэмульгирования эмульсий вода-в-нефти, стабилизированных гелеобразными ассоциатами, для разделения водной и масляной фаз, присутствующих в их составе, а также разработка рекомендации по пожарной безопасности при эксплуатации экспериментальной установки. Для этого изучаются существующие методы переработки с точки зрения разделения ее на отдельные компоненты, дана классификация методов физического разделения, в том числе гравитационного осаждения, разделения с использованием центробежных сил, химических и комбинированных воздействий.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по энергетике и рациональному природопользованию , автор научной работы — Аксенов Сергей Геннадьевич, Елизарьев Алексей Николаевич, Сулиманова Эльнара Тагировна, Гималетдинова Алина Римовна, Гатауллина Юлия Ильгизовна

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL MICROWAVE INSTALLATION FOR SEPARATION IN THE N E AND ANALYSIS OF FIRE SAFETY DURING OPERATION

The purpose of this work was to investigate the possibility of more effective use of microwave exposure for demulsification of water-in-oil emulsions stabilized with gel-like associates to separate the water and oil phases present in their composition. For this purpose, existing processing methods are studied from the point of view of its separation into individual components, a classification of physical separation methods, including gravitational deposition, separation using centrifugal forces, chemical and combined effects is given.

Текст научной работы на тему «РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СВЧ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВНЭ И АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ»

Научная статья Original article УДК 911.3:234.8

doi: 10.55186/2413046X_2022_7_12_763

РАЗРАБОТКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ СВЧ ДЛЯ РАЗДЕЛЕНИЯ ВНЭ И АНАЛИЗ ПОЖАРНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ DEVELOPMENT OF AN EXPERIMENTAL MICROWAVE INSTALLATION FOR SEPARATION IN THE N E AND ANALYSIS OF FIRE SAFETY DURING OPERATION

Ь й МОСКОВСКИЙ ■p ЭКОНОМИЧЕСКИЙ

^jUyPHM

Аксенов Сергей Геннадьевич, д.э.н., профессор, кафедры землеустройства, заведующий кафедрой «Пожарная безопасность», Уфимский государственный авиационный технический университет, E-mail: t_papaskiri@mail.ru

Елизарьев Алексей Николаевич, кандидат географических наук, доцент, ФГБОУ ВО «УГАТУ», E-mail: Tanya.vorobyeva135@gmail.com

Сулиманова Эльнара Тагировна, Уфимский государственный авиационный технический университет, E-mail: elnara_sulimani@mail.ru

Гималетдинова Алина Римовна, Уфимский государственный авиационный технический университет, E-mail: ah@bgutmo.ru

Гатауллина Юлия Ильгизовна, Уфимский государственный авиационный технический университет, E-mail: t_papaskiri@mail.ru

Биккулов Кирилл Рустамович, Уфимский государственный авиационный технический университет, E-mail: t_papaskiri@mail.ru

Aksenov Sergey Gennadievich, Doctor of Economics Sciences, Professor, Head of the Department «Fire Safety», Ufa State Aviation Technical University, E-mail: t_papaskiri@mail .ru

Yelizaryev Alexey Nikolaevich, Candidate of Geographical Sciences, Associate Professor, Ufa State Aviation Technical University, E-mail: Tanya.vorobyeva135@gmail.com Suleymanova Elnara Tagirovna, Ufa State Aviation Technical University, E-mail: elnara_sulimani@mail.ru

Himaletdinova Alina Rimovna, Ufa State Aviation Technical University, E-mail: ah@bgutmo.ru

Gataullina Yulia Ilgizovna, Ufa State Aviation Technical University, E-mail: t_papaskiri@mail .ru

Bikkulov Kirill Rustamovich, Ufa State Aviation Technical University, E-mail: t_papaskiri@mail .ru

Аннотация. Целью данной работы было исследование возможности более эффективного применения микроволнового воздействия для деэмульгирования эмульсий вода-в-нефти, стабилизированных гелеобразными ассоциатами, для разделения водной и масляной фаз, присутствующих в их составе, а также разработка рекомендации по пожарной безопасности при эксплуатации экспериментальной установки. Для этого изучаются существующие методы переработки с точки зрения разделения ее на отдельные компоненты, дана классификация методов физического разделения, в том числе гравитационного осаждения, разделения с использованием центробежных сил, химических и комбинированных воздействий.

Abstract. The purpose of this work was to investigate the possibility of more effective use of microwave exposure for demulsification of water-in-oil emulsions stabilized with gel-like associates to separate the water and oil phases present in their composition. For this purpose, existing processing methods are studied from the point of view of its separation into individual components, a classification of physical separation methods, including gravitational deposition, separation using centrifugal forces, chemical and combined effects is given. Ключевые слова: СВЧ, водонефтяная эмульсия, обработка, деэмульгирование, пожарная безопасность

Keywords: Microwave, oil-water emulsion, processing, demulsification, fire safety

Россия лидирует по добыче нефти. Следовательно, и объемы отходов крайне велики. На данный момент широко используются устаревшие методы их ликвидации. На нефтебазах, включая нефтяные терминалы или автозаправочные станции, хранится много легковоспламеняющихся нефтепродуктов. Практика показывает, что большинство предприятий нефтегазодобывающего комплекса складируют водонефтяной шлам на открытом воздухе в специально отведенных местах, образуя шламовые озера. В России ежегодно образуется более 3 миллионов тонн нефтешламов. Структура образования нефтешламов примерно следующая:

—Нефтедобывающие компании - более 1 миллиона тонн нефтешламов и нефтезагрязненных грунтов;

—Нефтеперерабатываюие предприятия - 0,7 миллионов тонн ежегодно; —Нефтяные терминалы - 0,3 миллиона тонн;

—Другие источники, включая ж/д транспорт, аэропорты, морские порты - 0,5 миллионов тонн [1].

Но утилизация нефтеотходов может проводиться и по современным технологиям. Последние активно разрабатываются учеными. Отделение и извлечение масляной фазы из отработанных нефтяных эмульсий оказывает мощное влияние на защиту окружающей среды и экономические выгоды для нефтеперерабатывающих заводов.

В ходе исследований была разработана структурная схема установки для разделения водонефтяной эмульсии включающая в себя 1-блок питания, 2- СВЧ генератор, 3- камера для СВЧ-обработки, 4- таймер, 5 -подставка для пробирок.

В данной установке исходную суспензию ВНЭ, приготовленную путем смешивания нефти с дистиллированной водой, помещают в камеру для СВЧ-обработки, под воздействием СВЧ генератора. Работа проводится за определенный период времени для этого используется таймер. После чего испытуемый образец попадает в отстойник, где происходит последний этап — отстаивание. На выходе мы наблюдаем образец эмульсии с осадком воды.

В данной установке исходную суспензию ВНЭ, приготовленную путем смешивания нефти с водой, в пробирке помещают в камеру для облучения. После чего испытуемый образец в пробирке отстаивается. На выходе мы наблюдаем образец эмульсии с осадком воды. Далее берутся пробы испытуемого образца для микроскопического изучения.

Разработан метод приготовления образцов из гельсодержащих эмульсий вода-в-масле присутствующих в композиции, для их последующего анализа[2]. Исследованы реальные образцы углеводородсодержащих эмульсий, различающихся по составу (различное содержание воды).

Существует несколько способов получения эмульсий такие как:

— метод впрыска заключается в том, что дисперсная фаза (вода) впрыскивается в непрерывную среду (нефть), затем он может быть разбит на большие капли;

— метод перемешивания заключается в применении некоторого механического воздействия или оборудования для однородного смешивания эмульсии.

В лабораторных условиях были приготовлены углеводородсодержащие эмульсии путем динамического перемешивания испытуемых материалов нефти и воды в пробирках. Основой метода является комбинация инъекций с перемешиванием. Вода при поступлении в дисперсную фазу, дробится на мелкие частицы, при этом образуя глобулы воды. Для образования глобул ВНЭ необходимо размешивать смесь в течение 15 минут.

Различают качественные и количественные методы определения содержания воды [3-

4].

В данной работе предлагается применять прямые измерения и алгоритм измерения на микроскопе.

Преимущества данного метода:

— прямые измерения;

—для анализа требуется минимальное количество пробы;

— модульная система позволяет проводить ручные измерения по изображениям, а также статистическую обработку результатов измерений.

Капли (глобулы) воды имеют диаметр от 0,1 до 1000 мкм [18] их размер можно определить, используя метод оптической микроскопии с использованием модульного биологического микроскопа МИКРОМЕД С-1, Р-1, включающего в себя программное обеспечение анализа изображений. При помощи пипетки наносим каплю образца на

предметное стекло накрываем его покровным и помещаем все в микроскоп. Используя окулярную камеру фиксируем изображение. Далее полученный результат вносим в систему трехмерного моделирования КОМПАС-3D для выявления геометрических параметров глобул ВНЭ [5].

В процессе наших исследований при рассмотрении видеокадров было выявлено, что толщина слоя нефтешлама на стекле составляет доли миллиметра, а размеры глобул -нанометры, поэтому на рисунках видны глобулы нескольких слоев. Нефть при взаимодействии с водой всегда сопровождается нежелательным образованием эмульсий промежуточного слоя, вызванным присутствием естественных поверхностно-активных молекул, таких как асфальтены и смолы. Эмульсия промежуточного слоя представляет собой два слоя видимый и невидимый, разделенных межфазной поверхностью дисперсионных сред «нефть-вода».

Так как наблюдать за внутренними каплями воды гораздо труднее, предлагаемый подход может позволить проводить измерения количества и размеров с относительно небольшими погрешностями.

Была определена точка наибольшей концентрации СВЧ — волн в камере для облучения, чтобы реализовать дальнейшие исследования.

Эксперименты проводятся при мощности генератора 3 - 1000 Вт, частотах 2,45...10 ГГц.

Для определения эффективной частоты эксперименты проводятся в пробирках, объем которых составляет 10 мл.

Условно разделив корпус камеры для облучения на 4 части, в каждом эксперименте пробы эмульсии должны фиксироваться в разных местах (рис.2)

40*

Рис.2 -Предполагаемые точки СВЧ - воздействия Где. 1- СВЧ-генератор; 2- корпус камеры дтя облучения

Измерительные приборы:

1. Весы лабораторные, ВЛКТ-200

2. Весы лабораторные типа «Сартогосм СЕ 423-С»

3. Секундомер

4. Измеритель температуры для влажной среды (термометр)

5. Измеритель температуры воздуха

6. Измеритель влажности воздуха (электронный гигрометр)

Порядок проведения экспериментов:

1. Собрать установку с СВЧ-генератором

2. Взвесить пронумерованные пробирки со шкалой

3. Подготовить 5 образцов нефтешлама с разным содержанием воды в этих емкостях.

4. Взвесить подготовленные образцы с точностью 0,01мг.

5. Определить точку максимальной мощности СВЧ-волн

6. Провести обработку проб по одной с разным временем в точке максимальной мощности.

7. Результаты и исходные данные занести таблицу 1.

Таблица 1 - Экспериментальные результаты низкотемпературной обработки

ВНЭ(60% на 40%)

№ Ооье м проб ы: мл Т окруж. среды Влажность прооы;% Мощное ть СВЧ Время СВЧ- БОЗДеЙСТБНЯ секунд Время отста.ива.ни я, мнн Ооьем отстоявш ейся БОЛЫ. МЛ

1 10 21,5 40% 0 0 30 0

60 0

90 3

120 5

2 10 21,5 40% 300 10 30 5

60 10

90 15

120 20

3 10 21,5 40% 300 5 30 3

60 5

90 S

120 10

4 10 21,5 40% 200 10 30 2

60 4

90 7

120 10

5 10 21,5 40% 200 5 30 0

60 2

90 5

120 7

Далее проводился микроскопический анализ исследуемых эмульсий. При помощи пипетки наносим каплю образца нефтешлама на предметное стекло накрываем его покровным после чего помещаем в микроскоп с калибровочной сеткой. Фиксируем полученный результат, используя окулярную камеру, для микроскопической фотофиксации изображения глобул до и после СВЧ - воздействия (рис.3).

Рис. 3 — до СВЧ - воздействия и после

В результате расчетов было получено уравнение множественной регрессии: У = -11.3125 + 0.825X1 + 0.04875X2. Возможна экономическая интерпретация параметров модели: увеличение времени СВЧ-воздействия на 1 единицу измерения приводит к увеличению объема отстоявшейся воды в среднем на 0.825 ед.изм.; увеличение мощности СВЧ-воздействия на 1 единицу измерения приводит к увеличению объема отстоявшейся воды в среднем на 0.0488 ед.изм. По максимальному коэффициенту Р2=0.489 делаем вывод, что наибольшее влияние на результат объема отстаивания оказывает фактор

мощность СВЧ-воздействия.

3D Surface Plot of Объем отстоявшейся воды again»! время воздействия end Мощность СВЧ

Spreadsheet«! 3v"16c Объем отстоявшейся воды - -11.3125*0.825"х-*-0.0488'у

< 5

< 3

< 1

Рнс.4 — Регрессионная модель зависимости объема отстоявшейся воды от времени

и мощности СВЧ-воздействия

При подготовке рекомендаций по пожарной безопасности были рассмотрены следующие нормативно-правовые акт:

1. Ф3-123, «Тех. регламентом о требованиях ПБ» — контроль за безопасным состоянием объектов защиты.

2. СП 18.13330.2011

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

3. СП 155.13130.2014 -требования к складам нефти и нефтепродуктов.

4. СП 123.13330.2012 - о подземных хранилищах нефти, газа, продукции.

5. Проект СП от 2014 года о требованиях пожарной безопасности к нефтеперерабатывающим, нефтехимическим предприятиям.

6. Приказ № 125 Федеральной службы по технадзору от 29.03.16 года об утверждении «Правил безопасности нефтегазоперерабатывающих производств»

Соблюдение требований этих нормативно-правовых актов является первостепенной задачей при построении системы пожарной безопасности на нефтяном предприятии.

Подводя итоги, можно сказать, что результаты эксперимента подтверждают расчетные данные, причем мощность СВЧ-излучения практически находится на нижнем пределе необходимой для разрушения глобул мощности. Поэтому разрушаются глобулы только определенных размеров. Объясняется это тем, что, во-первых, от размеров глобул зависит сила поверхностного натяжения, во-вторых, частота СВЧ-излучения в 3 раза меньше, чем резонансная частота молекул воды. При расчетах минимальной напряженности электрического поля мы не учитывали силу поверхностного натяжения. Для ее преодоления необходимо увеличить мощность излучения. Таким образом, низкотемпературное разделение эмульсии возможно за счет разрыва химических связей под воздействием электромагнитного поля, а не нагрева.

Список источников

1. Владимиров В.С., Корсун Д.С., Карпухин И.А., Мойзис С.Е. Переработка и утилизация нефтешламов резервуарного типа // ПромХим-Сфера [Электронный ресурс] URL: http://www.promhim-sfera.ru/articles?id=7

2. Хабаева А.Р., Шавалеев Э.И., Абдеев Э.Р., Рукомойников А.А., «Изучение влияния механических воздействий на глобулы воды в углеродсодержащих средах», в сборнике: Проблемы современного физического образования Сборник материалов V Всероссийской научно-методической конференции. Ответственный редактор М.Х Балапанов. 2019. С. 7679

3. ГОСТ 2477-2014 Нефть и нефтепродукты. Метод определения содержания воды

4. Интернет ресурс — https://www.ngpedia.ru/id617240p4.html: «Большая энциклопедия нефти и газа»

5. Э.Р. Абдеев, Р.И. Саитов, Р.Г. Абдеев, М.А. Фатыхов, А.Ф. Хасанова. Разработка энергоресурсоэффективной техники и технологии экологически безопасной СВЧ-переработки нефтешламов. Материалы конгресса «Техноген-2019» «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований». 18-21 июня 2019 г. г. Екатеринбург.

References

1. Vladimirov V.S., Korsun D.S., Karpukhin I.A., Moizis S.E. Processing and utilization of tank-type oil sludge // PromHim-Sphere [Electronic resource] URL: http://www.promhim-sfera.ru/articles?id=7

2. Khabaeva A.R., Shavaleev E.I., Abdeev E.R., Rukomoinikov A.A., «Study of the influence of mechanical influences on water globules in carbon-containing media», in the collection: Problems of modern physical education Collection of materials of the V All-Russian Scientific and Methodological Conference. Responsible editor M.H. Balapanov. 2019. pp. 76-79

3. GOST 2477-2014 Oil and petroleum products. Method for determining the water content

4. Internet resource — https://www.ngpedia.ru/id617240p4.html : «The Great Encyclopedia of Oil and Gas»

5. E.R. Abdeev, R.I. Saitov, R.G. Abdeev, M.A. Fatykhov, A.F. Khasanova. Development of energy-efficient equipment and technology for environmentally safe microwave processing of oil sludge. Materials of the congress «Technogen-2019» «Fundamental research and applied development of processes of processing and utilization of technogenic formations». June 18-21, 2019 Yekaterinburg.

Для цитирования: Аксенов С.Г., Елизарьев А.Н., Сулиманова Э.Т., Гималетдинова А.Р., Гатауллина Ю.И., Биккулов К.Р. Разработка экспериментальной установки СВЧ для разделения ВНЭ и анализ пожарной безопасности при эксплуатации // Московский экономический журнал. 2022. № 12. URL: https://qje.su/rekreacia-i-turizm/moskovskij-ekonomicheskij -zhurnal-12-2022-66/ © Аксенов С.Г., Елизарьев А.Н., Сулиманова Э.Т., Гималетдинова А.Р., Гатауллина Ю.И., Биккулов К.Р., 2022. Московский экономический журнал, 2022, № 12.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.