CC BY
59
© А.А. Бойиова, Н.К. Кондрашева, Е.И. Крапивский, 2015
УДК 665.637.4
А.А. Бойцова, Н.К. Кондрашева, Е.И. Крапивский
ВЛИЯНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СМЕСИ РАЗНОРОДНЫХ НЕФТЕЙ НАФТЕН-АРОМАТИЧЕСКОЙ И ПАРАФИНИСТОЙ ОСНОВАНИЙ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ КАЧЕСТВА ИХ ПЕРЕРАБОТКИ
Приведены результаты исследований влияния ультразвукового воздействия на смеси тяжёлой нафтено-ароматической нефти и парафинистой. Выявлен эффект синергизма при смешении разнородных нефтей. Определено, что в результате ультразвуковой обработки вязкость и температура застывания смесей нефтей повышается.
Ключевые слова: тяжелая нефть, ультразвуковое воздействие, разбавители, смешение, парафинистая нефть, реология, физико-химические свойства.
В условиях истощения запасов традиционных энергетических ресурсов все большее значение приобретают тяжелые трудноизвлекаемые нефти. В настоящее время доля высоковязких и высокопарафинистых нефтей в общем объёме добычи нефти растёт с каждым годом. Россия находится на третьем месте в мире по разведанным запасам тяжелых нефтей после Канады и Венесуэлы. Основные залежитаких нефтей сосредоточены в Приволжском и Северо-Западном (54%), в Уральском (46%) федеральных округах.
Отечественные запасы тяжёлых нефтей составляют порядка 13,1% от общего объема разведанных в России ресурсов нефти. Затраты на добычу тяжёлой нефти и природных битумов в 3-4 раза превосходят затраты на добычу легкой нефти, что обусловлено не только более высокими показателями плотности и вязкости, но инедостаточным развитием техники и технологий добычи, транспортировки и переработки таких нефтей. Следует отметить, что глубина переработки нефти в России в среднем составляет 70-72%, в то время как за рубежом этот показатель достигает 90-95%. Эксперты отмечают,
что переработка тяжелой высоковязкой нефти затруднительна, энергоемка и во многих случаях низкорентабельна и убыточна ввиду низкого содержания в ней светлых фракций и значительного выхода мазута и гудрона. Поэтому высоковязкие нефти, природные битумы и тяжелые остатки переработки нефти идут на экспорт, тем самым лишая Россию многих ценных и дорогостоящих видов нефтепродуктов (моторные топлива, смазочные масла, специальные нефтепродукты), которые можно получить дополнительно из данноговида нетрадиционного сырья.
Разработка новых технологий добычи, транспортировки и переработки тяжелыхвысоковязких нефтей является приоритетным направлением развития всей нефтяной отрасли.
Целью данной работы является определение физико-химических свойств тяжёлой высоковязкой Ярегской нафтено-ароматической и Варандейской парафинистой нефтей, а также и их смесей. Следует отметить, что обе нефти являются неньютоновскими аномально-вязкими жидкостями, взаимодействие которых может вызвать ухудшение показателей текучести, полученной из них смеси. В связи с этим в данной работе также изучалось влияние ультразвуковой обработки смеси нефтей с целью улучшения физико-химических (в том числе транспортных) и структурно-механических характеристик тяжёлого углеводородного сырья [1, 2].
Известно, что нефть образует дисперснуюсистему в результате кристаллизации или коагуляции частивходящих в ее состав компонентов. Длинные, беспорядочно расположенные молекулы парафина, смол и асфальтенов образуют некоторую гибкую решетку, в узлах которой находятся частицы дисперсной фазы и раствор иммобилизованной жидкости [3].
Эта решетка ограничивает движение частиц и обеспечивает ей агрегативную устойчивость. Поэтому система оказывает значительное сопротивление силам сдвига. Кроме того, на вязкость дисперсных систем большое влияние оказывает взаимодействие частиц дисперсной фазы. Отдельные участки поверхности таких частиц лишены адсорбционных или развитых соль-ватныхслоев; вследствие межмолекулярного взаимодействия по этим участкам происходит их слипание. При воздействии на такую систему ультразвуковыми колебаниями высокой интенсивности, за счёт чередования зон сжатия и разряжения, непрерывная цепочка разрывается, разрушая связи между от-
дельными частями молекул, в молекулах парафина нарушаются С-С связи, в результате чего изменяются физико-химические свойства жидкостей [4, 5].
В данной работе использовалась ультразвуковая установка ИЛ10-4, внутрь которой вмонтированы 6 ультразвуковых источников мощностью 600 Вт. Для проведения экспериментальных исследований при изучении реологических характеристик нефти был использован ротационный вискозиметр НЬео1ез1НН4.1. В работе изучено изменение физико-химических и структурно-механических свойств трех смесей нефтей Ярегского и Варан-дейского месторождений до и после ультразвуковой обработки с концентрацией тяжелой Ярегской нефти в смеси 8, 24 и 50%.
Выявлено повышение значений динамической (структурной) вязкости во всем диапазоне исследуемых скоростей сдвига при использовании ультразвукового воздействия. В результате структура смеси нефтейс концентрацией ярегской нефти 24% и варандейской нефти 76% стала желеобразной
На основании проведенных исследований можно сделать ряд выводов:
При смешении двух разнородных нефтей нафтено-арома-тического и парафинистого оснований выявлен эффект синергизма, суть которого состоит в том, что суммарное действие двух и более факторов превышает воздействие каждого из них по отдельности или средне-арифметическое аддитивное воздействие.
При различных концентрациях Ярегской нефти в смеси с Варандейской без использования ультразвукого воздействия экспериментально полученный на лабораторной перегонной установке выход светлых фракций имеет положительное отклонение от расчетных значений на 2-9%. Это объясняется экстремальным снижением энергии активации молекул или энергии межмолекулярного взаимодействия в граничном слое, что в свою очередь приводит к снижению энергии фазового перехода и температуры начала кипения смеси нефтей в оптимальном соотношении по сравнению с исходными компонентами [5].
Температура застывания также не является аддитивной величиной. Потеря подвижности нефти связана с фазовым переходом вещества из области обычной вязкости в структурную. Фазовый переход при понижении температуры в парафини-стой нефти сопровождается появлением множества кристаллов
парафина и других твердых углеводородов, которые образуют сетку - кристаллический каркас. Скорость роста кристаллов прямо пропорциональна концентрации парафиновых углеводородов. Незастывшая часть нефтепродукта находится внутри сетки и таким образом становится неподвижной. [6].
Ультразвуковое воздействие имеет незначительное влияние на кинематическую вязкость, в то время как значительно увеличивает динамическую (структурную) вязкость и выход светлых фракций из обрабатываемой смеси нефтей. В процессе кавитационной обработки нефти и смеси нефтей энергия, выделяющаяся при схлопывании кавитационных пузырьков, используется для разрыва химических связей между атомами больших молекул углеводородных соединений.
Энергия диссоциации связи С-Н колеблется в зависимости от молекулярноймассы и структуры молекулы в пределах 322...435 кДж/моль, энергия диссоциации связи С-С -250...348 кДж/моль. При разрыве связи С-Н от углеводород-ноймолекулы отрывается водород, при разрыве связи С-С углеводородная молекуларазрывается на две неравные части. При кавитационной обработке углеводородного сырья происходит деструкция молекул, вызванная микрокрекингом молекул и процессами ионизации [7, 8, 9]. Таким образом, в результате разрыва С-С связей увеличивается выход светлых фракций, а в результате разрыва С-Н связей молекулы водорода освобождаются, упрочняя тем самым структуру нефти.
Следует отметить тот факт, что удельная энергия разрушенных тиксотропных связей характеризуется площадью петли гистерезиса, образуемой различием реологических кривых прямого и обратного хода - чем выше площадь петли гистерезиса, тем более выражены тиксотропные свойства исследуемой среды. Тискотропия - способность субстанции уменьшать вязкость (разжижаться) от механического воздействия и увеличивать вязкость (сгущаться) в состоянии покоя [10]. То есть ультразвуковое воздействие повышает тиксотропию смеси Ярегской и Варандейской нефтей.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 15-17-00017).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Федоров П.В. Совершенствование методов планирования технологических режимов и контроля процесса транспортировки нефти по магистральным нефтепроводам. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Ухта, 2011.
2. Boytsova A.A., Kondrasheva N.K., Krapivsky E.I. Investigation of the Effect of Ultrasonic Treatment on The High-Viscosity Oil from Yarega Field In Komi Republic (Russian Federation) // Journal "Fundamentals of Renewable Energy and Applications - 2015", Volume 5, Issue 2, - p. 1-5.
3. Сюняев З.И., Сюняев P.3., Сафиева Р.З. Нефтяные дисперсные системы. - М.: Химия, 1990, 226 с.
4. Фролов Ю.Г. Курсколлоиднойхимии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебникдля ВУЗов. - М.: Химия, 1988. - 464 с.
5. Захарченко В.Н. Коллоидная химия. - М.:Высш.шк. 1989. - 238 с.
6. Глаголева О.Ф., Капустин В.М. Технология переработки нефти. Первичная переработка нефти. - М.: Химия, КолосС, 2007. - 400 с.
7. Немчин А. Ф. Влияние кавитационного воздействия на углеводородное топливо // Пром. теплотехника. - 2002. - Т. 24, № 6. - С. 60-63.
8. Нестеренко А.И. Возможность крекинга углеводородов под дейст-виемкавитации. Количественная энергетическая оценка / Нестеренко А.И., Берлиозов Ю.С. // Химия и технология топлив и масел. - 2007. - № 6. - С. 43-44.
9. Исагулянц В.И. Химия нефти. - 1965. -518 с.
10. Рогачев М.К, Кондрашева Н.К. Реология нефти и нефтепродуктов: Учеб. пособие. - Уфа: Изд-во УГНТУ, 2000. - 89 с.
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ -
Бойцова A.A. - аспирант кафедры химических технологий и переработки энергоносителей, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Санкт-Петербург, e-mail:cadaga@mail.ru
Кондрашева Н.К. - доктор технических наук, заведующий кафедры химических технологий и переработки энергоносителей, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, e-mail: natalia_kondrasheva@mail .ru
Крапивский Е.И. - доктор геолого-минералогических наук, профессор кафедры транспорта нефти и газа, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, email: eikrapivsky@mail.ru
UDC 622.7
ULTRASONIC INFLUENCE ON PHYSICO-CHEMICAL PROPERTIES OF THE MIXTURE OF DISSIMILAR OIL AROMATIC-NAPHTHA AND PARAFFIN BASE IN ORDER TO IMPROVE THE QUALITY OF ITS PROCESSING
Boytsova A.A., Post-graduate student of the Department of Chemical Technology and processing of energy of National Mineral Resources University «Mining», St. Petersburg; e-mail: cadaga@mail.ru
Kondrasheva N.K., Ph.D, Head of the Department of Chemical Technology and processing of energy of National Mineral Resources University «Mining», St. Petersburg; e-mail: na-talia_kondrasheva@mail.ru
Krapivsky E.I., Ph.D, professor of the department of transportation of oil and gas mineral resource National Mineral Resources University «Mining», St. Petersburg;e-mail: eik-rapivsky@mail.ru
In work the results of studies of the effect of ultrasonic treatment on a mixture of heavy naphtha, aromatic oil and paraffin was researched. The effect of synergy with the displacement of diverse oils was discovered. It was determined that viscosity and pour point of a mixture of oil rises after sonication effect.
Key words: heavy oil, ultrasonic treatment, diluents, mixing, paraffin oil, rheology, physico-chemical properties.
ACKNOWLEDGEMENTS
The study was performed by the grant of Russian scientific Foundation (project No. 15-17-00017).
REFERENCES
1. Fedorov P.V. Improved methods of planning and control of technological modes of transportation of oil through the main oil pipelines. Abstract of dissertation for the degree of candidate of technical sciences. Ukhta, 2011.
2. Boytsova A.A., Kondrasheva N.K., Krapivsky E.I. Investigation of the Effect of Ultrasonic Treatment on The High-Viscosity Oil from Yarega Field In Komi Republic (Russian Federation) // Journal "Fundamentals of Renewable Energy and Applications - 2015", Volume 5, Issue 2, - p. 15.
3. Sunyaev Z.I., Sunyaev R.Z., Safieva R.Z. Oil dispersions. - M.: Chemistry, 1990, 226 p.
4. Frolov Y.G. The course of colloid chemistry. Surface phenomena and disperse systems. Textbook for High Schools. - M .: Chemistry, 1988. - 464 p.
5. Zakharchenko V.N. Colloidal chemistry. - M.: Higher. school. 1989. - 238 p.
6. Glagoleva O.F., Kapustin V.M. The technology of oil refining. Primary oil refining. -M .: Chemistry, Colossus, 2007. - 400 p.
7. Nemchin A.F. Influence of cavitation on hydrocarbon fuel // Prom. heating engineer. - 2002. - V. 24, № 6. - S. 60-63.
8. Nesterenko A.I. The possibility of cracking of hydrocarbons under the action of cavitation. Quantitative assessment of energy / Nesterenko A.I., Berlioz Y.S. // Chemistry and technology of fuels and oils. - 2007. - № 6. - S. 43-44.
9. Isagulyants V.I. Chemistry of oil. - 1965. -518 p.
10. Rogachev M.K., Kondrasheva N.K. Rheology of oil and oil products: Proc. allowance. - Ufa: UGNTU, 2000. - 89 p.
