Секция «Перспективные материалы и технологии»
УДК 665.637.048.5 : 532.529.6
ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ПУЗЫРЬКОВ И АССОЦИАТОВ НА АТМОСФЕРНУЮ И ВАКУУМНУЮ ПЕРЕГОНКУ НЕФТИ
Н. И. Полежаева, Р. А. Миллер
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: [email protected]
В работе показано, что для интенсификации перегонки нефти при атмосферном давлении необходимо регулировать размеры пузырьков и интенсивность удаления их из нефтяной системы, а для перегонки мазутов необходимо регулирование размеров, как пузырьков, так и ассоциатов.
Ключевые слова: нефть, пузырек, ассоциат, сложная структурная единица.
EFFECT OF THE SIZES OF BUBBLES AND ASSOCIATES ON THE ATMOSPHERIC AND VACUUM DISTILLATION OF OIL
N. I. Polezhaeva, R. A. Miller
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation
E-mail: [email protected]
The paper shows that in order to intensify the distillation of oil at atmospheric pressure, it is necessary to control the size of bubbles and the intensity of their removal from the oil system, and for the distillation of fuel oils, it is necessary to control the size of both bubbles and associates.
Key words: oil, bubble, associate, complex structural unit.
При добыче и переработке нефть дважды смешивается с водой, образуя эмульсии: при выходе с большой скоростью из скважины вместе с сопутствующей ей пластовой водой и в процессе обессоливания, т.е. промывки пресной водой для удаления растворенных в ней солей [1,2].
В соответствии с современными представлениями в обезвоженной нефти могут формироваться сложные структурные единицы как при низких (ассоциатообразование), так и при высоких (пузыре- и ассоциатообразование) температурах. При высоких температурах к пузреобразованию склонны низкомолекулярные соединения, а высокомолекулярные склонны к ассоциатообразованию [3,4].
Соотношение количеств пузырей и ассоциатов в системе зависит от концентрации в ней низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений. Размеры пузырьков и ассоциатов в системе поддаются регулированию различными добавками. По мере нагрева нефтей происходит повышение концентрации в остатке высокомолекулярных соединений, что приводит к снижению пузыреобразования при одновременном увеличении процесса ассоциатообразования [5,6].
Общим для всех видов ассоциирования является способность перехода нефтяных растворов в состояние свободно-дисперсной системы, а затем - в состояние связанно-дисперсной системы, в которых сложная структурная единица сформирована либо
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 1
физическими (ассоциат), либо химическими (комплекс) связями. Переход жидких нефтяных систем в твердое состояние осуществляется во всех случаях через стадию свободно-дисперсного состояния. Порядок расположения молекул в ассоциате, степень их упорядочивания определяют в дальнейшем качество ассоциирования. Известно, что высокомолекулярные соединения нефти, имеющие регулярное строение цепи (парафины, полициклические ароматические углеводороды), способны к кристаллизации, а с пространственным (объемным) расположением звеньев молекул (асфальтены остаточного происхождения) - к процессам стеклования [7]. Таким образом, ядром сложной структурной единицы может быть при повышенных температурах пузырек (сжимаем) или ассоциат (не сжимаем), на поведение которых внешние условия (например, давление) могут влиять неодинаково.
Четкость разделения высокомолекулярных соединений и низкомолекулярных соединений, находящихся в таких сложных строениях и обладающих определенной прочностью, представляет весьма сложную задачу. При перегонке нефти под атмосферным давлением интенсификация процесса может быть достигнута за счет регулирования размеров пузырьков и интенсивности удаления их из нефтяной системы. При перегонке мазутов на вакуумном блоке автоматизированной вакуумной технологии (АВТ) для интенсификации процесса необходимо регулирование размеров как пузырьков, так и ассоциатов, что достигается в каждом случае различными способами.
Связь между перепадом давления в пузырьке и перепадом температуры, необходимой для формирования пузырька, выражается формулой:
где АН - скрытая теплота фазового перехода; dn - плотность пара.
Отсюда следует, что температура внутри пузырька (которая всегда выше, чем температура насыщения пара при давлении р) может быть определена как температура насыщения, соответствующая давлению p1 = p + Ap. Таким образом, чем меньше размер пузырька, тем на большую величину надо перегревать жидкость, чтобы ее превратить в пар. В этом случае затрачивается минимальная работа для образования пузырька [7].
Количество сольватированных на поверхности ядра сложной структурной единицы соединений может доходить до 10-50 % на всю ее массу и требует дополнительных энергетических затрат на разделение сложных структурных единиц на компоненты. В связи с этим и поставленной перед нефтепереработками задачей углубления перегонки нефти приобретает особо важное значение изыскание новых методов интенсификации атмосферной и вакуумной части установок АВТ без увеличении энергетических затрат на перегонку.
Главное внимание в вопросах перегонки и ректификации нефтей традиционно уделялось изучению пар-жидкость, расчетам парциального давления летучих компонентов нефтяной системы в зависимости от ее состава и внешних условий, что является основополагающим для технологических расчетов. В этих случаях в расчетах всегда принимается давление паров над плоской поверхностью для случая, когда г —► с». В тех случаях, когда г —► 0 - радиус пузырька изменяется в коллоидно-дисперсных пределах за счет внешних воздействий, следует использовать уравнение Томсона-Кельвина, устанавливающее соответствие между кривизной растущей поверхности и изменением давления внутри пузырька по сравнению с давлением над плоской поверхностью:
(1)
Р RTp г '
М 2а
(2)
(Секция «Перспективные материалы и технологии»
где г - радиус пузырька; Я - газовая постоянная; Рх - давление паров над плоской поверхностью жидкости (г —► 0); М. а.р - масса 1 моля, поверхностное натяжение и
го-
плотность жидкости соответственно; Р = Ратм--- давление внутри пузырька (Ратм -
г
атмосферное давление).
Уравнение (2) показывает, что давление насыщенного пара над пузырьком тем больше, чем больше а и чем меньше г. Из расчетов по уравнению (2) следует, что при изменении размера капель воды на 1 порядок (с г = 10"5 до г = 10"6 см) отношение — изменяется на 2 порядка.
Таким образом, из теоретических соображений следует, что лучшие результаты при перегонке нефтяных систем следует ожидать при их нахождении в первом экстремальном состоянии (г
шт).
Библиографические ссылки
1. Сюняев З. И. Прикладная физико-химическая механика нефтяных дисперсных систем. М.: МИНХ и ГП, 1982. 100 с.
2. Нефтяные дисперсные системы / З. И. Сюняев, Р. З. Сафиева, Р. З. Сюняев. М.: Химия, 1990. 226 с.
3. Самородов В. К., Полежаева Н. И Формирование сложных структурных единиц при фазообразовании - кристаллизации и стекловании // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (17 мая 2018, Красноярск) / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГТУ им. М. Ф. Решетнева, 2018. С. 330 - 332.
3. Бриль И. И., Полежаева Н. И Механизм ассоциирования при кристаллизации и стекловании // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (17 мая 2018, Красноярск) / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГТУ им. М.Ф. Решетнева, 2018. С. 314 - 316.
4. Борисевич А. А., Полежаева Н. И Физическое и химическое стеклование высокомолекулярных соединений из растворов нефтяных фракций и остатков // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (25 - 26 апреля 2019, Красноярск) / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГТУ им. М. Ф. Решетнева, 2019. С. 474 - 476.
5. Какарцев В. Л., Полежаева Н. И. Кинетика ассоциирования при фазовых переходах // Молодые ученые в решении актуальных проблем науки : материалы Всеросс. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых (17 мая 2018, Красноярск) / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова ; СибГТУ им. М. Ф. Решетнева, 2018. С. 322 - 324.
6. Полежаева Н. И., Низовцева П. В. Физическое и химическое ассоциирование // Актуальные проблемы авиации и космонавтики : сб. материалов VII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Дню космонавтики (12-16 апреля 2021 г., Красноярск) : в 3 т. / под общ. ред. Ю. Ю. Логинова. СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2021. Т. 1. С.454-456.
7. Полежаева Н.И. Физико-химия нефтяных дисперсных систем. Термодинамика и кинетика фазовых переходов в нефтяных дисперсных системах : учеб пособие ; СибГУ им. М. Ф. Решетнева. Красноярск, 2021. 94 с.
© Полежаева Н. И., Миллер Р. А., 2022