УСТРОЙСТВО ДЛЯ МАГНИТНОЙ ОБРАБОТКИ ЖИДКОСТИ

Заявляемое устройство относится к магнитной обработке технологических жидкостей, неподвижных или, например, транспортируемых по трубопроводам, в разных отраслях техники.
Известно устройство для создания градиента концентрации в объеме электролита путем воздействия на него переменным магнитным полем и одновременно пропусканием переменного электрического тока /1 - Авторское свидетельство СССР №1608136, МПК С 02 F 1/48, 1990/.
Недостатками данного устройства являются недостаточная эффективность выделения кристаллической фазы, т.к. не обеспечиваются оптимальные условия, одним из которых является формирование зоны с нулевой магнитной индукцией; ферромагнитные и парамагнитные примеси в устройстве /1/ совсем не отделяются. Устройство сложное; необходимо решение вопроса утилизации концентрированного раствора.
Известно устройство для магнитной обработки жидкости /2 - прототип - Авторское свидетельство СССР №912665, МПК С 02 F 1/48, 1982/, содержащее корпус из диамагнитного материала, магнитные шайбы, установленные с зазорами между собой на валу с приводом, входной и выходной патрубки, оси которых расположены перпендикулярно к оси вала и в одной плоскости к последней, отличающееся тем, что с целью повышения эффективности магнитной обработки путем увеличения числа магнитных силовых линий, пересекаемых потоком омагничиваемой жидкости, а также для упрощения конструкции аппарата, он снабжен двумя направляющими пластинами.
В данном устройстве происходит обработка жидкости магнитным полем с различной скоростью: если скорость течения через входной патрубок значительно ниже линейной скорости вращения вала и ею можно пренебречь, то на различные зоны жидкости действует магнитное поле с различной скоростью - меньшей у оси вала и большей у края магнитной шайбы. В жидкости при этом индуцируются электрические токи различной силы и направления. Разработчики устройства не учитывают необходимость оптимизации магнитного воздействия, в частности, за счет создания зон с нулевой магнитной индукцией; не обеспечивается стабильный градиент концентрации ионов в жидкости, так как жидкость, обработанная магнитным полем, при выходе из аппарата перемешивается, то есть созданный индуцируемыми
электрическими токами и без того нестабильный градиент концентрации ионов полностью исчезает.
Решаемая задача и ожидаемый технический результат заключаются в повышении эффективности устройства для магнитной обработки жидкости за счет оптимизации условий для снижения минерализации технологической жидкости, ее деэмульгирования и снижения коррозионной агрессивности.
Поставленная задача решается тем, что устройство для магнитной обработки жидкости, содержащее корпус из немагнитного материала, вал с приводом, шайбы, оснащенные источником/источниками магнитного поля, отличается тем, что по крайней мере два вала с по крайней мере одной шайбой каждый расположены вне корпуса, а корпус между валами.
Корпус выполнен в виде лотка.
Указанные валы параллельны друг другу и перпендикулярны корпусу и вращаются с одинаковой скоростью в противоположных направлениях.
Корпус оснащен входным и выходным патрубками.
Устройство представлено на фиг.1, где:
1 - корпус,
2 - шайба,
3 - валы с приводами,
4 - источник магнитного поля (ИМП);
макс
- Черные прямоугольники и круги - торцевые сечения ИМП; на поверхностях, обозначенных полюсами N и S, значения магнитной индукции равны В;
- Тонкие сплошные линии со стрелками - линии магнитной индукции;
- Кольцевые стрелки - направления вращения валов.
Видно, что корпус размещен между параллельными валами с закрепленными на них шайбами, оснащенными ИМП.
Устройство работает следующим образом.
В корпус 1 помещена обрабатываемая технологическая жидкость. Валы 3 с шайбами 2, оснащенными ИМП 4, приводятся во вращение предпочтительно с одинаковой скоростью с тем, чтобы обеспечить расположение ИМП, закрепленных на разных валах, напротив друг друга.
При расположении ИМП, закрепленных на разных валах, напротив друг друга возникает магнитное поле, линии магнитной индукции которого направлены в
зависимости от взаимной полярности расположенных напротив друг друга ИМП: или от северного полюса одного ИМП к южному полюсу другого ИМП - если ИМП расположены относительно друг друга разнополярно; или от северного полюса ИМП к его южному полюсу - если ИМП расположены относительно друг друга однополярно (последний случай представлен на фиг.2).
При дальнейшем вращении валов с шайбами происходит взаимное перемещение ИМП относительно друг и друга и относительно корпуса с обрабатываемой технологической жидкостью. Соответственно перемещается и магнитное поле относительно корпуса устройства. Очевидно, что по мере удаления ИМП относительно друг друга величина магнитной индукции уменьшается по сравнению с величиной магнитной индукции при расположении ИМП непосредственно напротив друг друга. При перемещении магнитного поля относительно корпуса в электропроводящей технологической жидкости индуцируется электрический ток.
Направление индуцированного электрического тока зависит от взаимной полярности расположенных напротив друг друга ИМП, закрепленных на разных валах. Соответственно, изменяя взаимную полярность расположенных напротив друг друга ИМП, возможно добиваться желаемого направления индуцируемого в технологической жидкости электрического тока, которое, в свою очередь, позволяет решать разные задачи: снижения минерализации жидкости и обеспечения, например, расслаивания водонефтяной эмульсии - при однополярном расположении ИМП относительно друг друга или снижения коррозионной агрессивности жидкости - при разнополярном расположении ИМП относительно друг друга.
В каждой элементарной ячейке технологической жидкости, при движении с линейной скоростью u>0 магнитного поля с индукцией В, создаваемой вращающимися ИМП, индуцируется электрический ток.
Известно /3 - Савельев И.В. Курс общей физики том 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. М., Наука., 1978, 480 с./, что при движении заряженных частиц и ионов на них будет действовать в магнитном поле сила Лоренца
величина которой зависит от заряда (q), скорости его движения (u) и индукции магнитного поля (В). На положительно и отрицательно заряженные частицы сила Лоренца действует в противоположных направлениях.
Если рассмотреть бесконечно малый - единичный - объем жидкости, то при движении жидкости на содержащийся в ней единичный заряд действует сила Лоренца
направленная перпендикулярно к направлению скорости движения технологической жидкости и к линиям индукции магнитного поля. Под действием этой силы Лоренца /4 - Брановер Г.Г., Цинобер А.Б. Магнитная гидродинамика несжимаемых сред. Главная редакция физико-математической литературы издательства «Наука», М., 1970, 380 с./ происходит разделение зарядов с разными знаками, возникает разность электрических потенциалов между областями технологической жидкости и, следовательно, индуцируется электрический ток.
Направление вектора индуцируемого электрического тока определяется по правилу левой руки /5 - Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х т. под редакцией Г.С.Ландсберга. Т.2 Электричество и магнетизм. - 10-е изд. - М: Наука. Главная редакция физико-математической литературы. - 480 с./.
Пример 1 - Исследование и предотвращение процессов отложения солей, а также исследование разрушения эмульсий в неподвижной или движущейся технологической жидкости - осуществляется с использованием устройства по фиг.2, а именно: при однополярном относительно друг друга расположении ИМП, закрепленных на разных валах.
макс
Действие устройства связано с перемещением ИМП, которыми являются пары магнитных элементов, закрепленных на разных валах и направленных одноименными полюсами друг к другу, относительно технологической жидкости с линейной скоростью u>0 так, что линии магнитной индукции пересекают технологическую жидкость в корпусе. При этом технологическую жидкость пересекают линии индукции магнитного поля как минимум двух ИМП. Вблизи ИМП магнитная индукция имеет значение В=В, а в зоне между ИМП В=0 (фиг.2).
На фиг.2 приведена схема расположения источников магнитного поля и образуемые ими зоны нулевой магнитной индукции, а также индуцируемые электрические токи в технологической жидкости. Показано распределение индуцируемых электрических токов при вращении валов с шайбами, оснащенными ИМП. Здесь:
макс
- Черные прямоугольники и круги - торцевые сечения ИМП; на поверхностях, обозначенных полюсами N и S, значения магнитной индукции равны В;
- Кольцевые стрелки - направления вращения валов;
- Тонкие сплошные линии со стрелками - линии магнитной индукции;
- Серые взаимно перпендикулярные линии соответствуют зонам с нулевой магнитной индукцией В=0;
- Жирные прямые стрелки - направления электрических токов, индуцируемых движущимися магнитными полями;
- Крупные точки - зоны увеличения концентрации отрицательно заряженных частиц;
- Мелкие точки - зоны увеличения концентрации положительно заряженных частиц.
Если технологическая жидкость является раствором электролита, то электрический ток в электролитах поддерживается за счет перемещения ионов. При движении ИМП относительно корпуса устройства в примыкающих друг к другу зонах с нулевой магнитной индукцией (В=0) повышается концентрация как положительно заряженных частиц - за счет действия ИМП, оснащающего шайбу на одном валу, так и отрицательно заряженных частиц - за счет действия ИМП, оснащающего шайбу на другом валу (фиг.2).
2
2
При увеличении концентрации частиц, например, ионов, на границе зон выше предела насыщения раствора происходит не только ассоциация ионов, но и выпадение кристаллов солей (и/или выделение пузырьков молекулярного газа, например CO и HS). Таким образом, процессы переноса заряженных частиц и проведения реакций их ассоциации могут быть выполнены непосредственно в растворе, а не на электродах, как это имеет место, например, в техническом решении по /6 - Патент РФ №2137721, МПК С 02 F 5/00, 1999/.
3
4
макс
В качестве иллюстрации результатов обработки предлагаемым устройством насыщенных при нормальных условиях растворов CaCO и CuSO при скорости перемещения ИМП относительно корпуса 1 м/с, значении В=0,1 Тл - приведены фотографии (фиг.3 и фиг.4 соответственно), на которых видны кристаллы (показано стрелками), образованные в зоне с нулевой магнитной индукцией. Видно, что максимальное выпадение кристаллов происходит в центральной зоне корпуса - зоне с нулевой магнитной индукцией.
При необходимости особенно глубокой выкристаллизации солей можно установить более одной пары валов с шайбами и закрепленными на них ИМП (фиг.5).
Подтверждение явления переноса ионов в предлагаемом устройстве относительно зоны с нулевой магнитной индукцией получено также при исследовании электросопротивления слабых растворов соляной кислоты:
электросопротивление в зоне нулевой магнитной индукции меньше электросопротивления в зонах, близких к ИМП, в 10 и более раз. Измерением рН среды, обработанной заявляемым устройством по фиг.2, установлено, что концентрация ионов в указанных зонах отличается в 10-12 раз (разница рН около 1).
Установлено также, что обработка водонефтяной эмульсии устройством по фиг.2 или фиг.5 обеспечивает увеличение скорости ее расслоения за счет поляризации и ориентации диполей органических молекул и капель воды в эмульсиях и за счет воздействия на ферро- и парамагнитные частицы бронирующих оболочек глобул воды.
Пример 2 - Исследование и снижение коррозионной активности технологической жидкости - осуществляется с использованием устройства по фиг.1 (фиг.6), а именно: при разнополярном относительно друг друга расположении ИМП, закрепленных на разных валах.
+
+
Коррозия, как электрохимический процесс, протекает по катодному или анодному механизму, за счет перетока электронов между катодным и анодным участком. В случае катодной реакции деполяризации лимитирующей стадией служит восстановление водорода из ионов H. Для снижения скорости коррозии достаточно уменьшить концентрацию деполяризаторов /7 - Жук Н.П. Курс теории коррозии и защиты металлов. М.: «Металлургия», 1976, 472 с. - С.181/ у поверхности коррозирующего металла, т.е. концентрацию H (или ионов гидроксония).
-8
-8
2
+
-
+
-
+
-
3
3
3
Абсолютные скорости ионов в водных предельно разбавленных растворах имеют значение от 4·10 до 8·10 м/В·с, кроме ионов HO и OH /8 - Стромберг А.Г., Семченко Д.П. Физическая химия. Учеб. для хим. спец. вузов. Под редакцией А.Г.Стромберга. - 4-е изд. Испр. - М.: Высш. шк., 2001. - 527 с./. Самыми высокими абсолютными скоростями обладают ионы гидроксония и гидроксила . Это объясняется тем, что перемещение ионов HO и OH в растворе происходит по особому, так называемому эстафетному механизму, который состоит в том, что между ионами гидроксония HO и молекулами воды, а также между молекулами воды и ионами OH непрерывно происходит обмен протонами по уравнениям:
3
+
-11
Причем эти процессы происходят с такой быстротой, что средняя продолжительность существования иона HO равна 10 с.
Эффективность снижения скорости коррозии стального оборудования, контактирующего с обработанной в предлагаемом устройстве технологической жидкостью (коррозионной средой), определяется концентрацией ионов-деполяризаторов.
Поэтому для снижения коррозионной активности жидкости необходимо уменьшить в ней концентрацию ионов гидроксония.
Устройство по фиг.1 или фиг.6 предназначено для осуществления способа противокоррозионной обработки технологической жидкости, загрязненной органической фазой (водоэмульсионная технологическая жидкость).
За счет индуцирования электрического тока (фиг.6; жирными вертикальными стрелками показано его направление) движущимися относительно корпуса ИМП обеспечивается стабильный градиент концентрации ионов в жидкости и происходит перемещение ионов гидроксония снизу вверх - в сторону органической фазы (нефти), где происходит образование карбокатионов - положительно заряженных органических молекул (как правило, смол и асфальтенов) /9 - Коптюг В.А. Карбкатионы: Строение и реакционная способность. 1964-1975. - М.: Наука, 2001. - 419 с; ил. (Избранные труды; Т.1 кн.1)/. Стабильность карбокатионов зависит от состава нефти - чем больше молекулярная масса и количество гетероатомов в молекуле, тем выше стабильность образованного ей карбокатиона.
3
В качестве коррозионной среды использовалась обводненная до 70% продукция нефтяных скважин Сергеевского месторождения, с содержанием сероводорода около 30 г/м, где деполяризаторами служат ионы гидроксония.
Исследовалась скорость коррозии образцов из стали 20 в водной фазе указанной продукции после обработки устройством по фиг.6.
На фиг6:
- окружность - корпус устройства;
- верхний - темный - участок вида А фиг.6. изображает нефтяную фазу;
- нижний - светлый - участок вида А фиг.6. изображает водную фазу;
- горизонтальные прямоугольники - шайбы, на которых установлены ИМП; на двух напротив расположенных шайбах ИМП обращены друг к другу разноименными полюсами;
- стрелками показано направление индуцированного электрического тока;
- тонкими линиями со стрелками показаны вектора магнитной индукции;
- круговые стрелки - направления вращения валов;
- мелкими кружками обозначены гидроксил-ионы;
- точками обозначены ионы гидроксония.
Результаты обработки указанной продукции: скорость коррозии стали 20 снижается в 10 и более раз при увеличении скорости вращения шайб и величины магнитной индукции (табл.1).
Таблица 1
В, Т
u, м/с
Скорость коррозии, мм/год
0,0
0,0
0,74
0,1
0,5
0,25
0,5
1,0
0,08
1,0
2,0
0,02
Для продукции скважин Сергеевского месторождения длительность эффекта составляет около 5 часов.
Таким образом, предлагаемое устройство для магнитной обработки жидкости обеспечивает оптимизацию условий для снижения минерализации технологической жидкости, ее деэмульгирования и снижения коррозионной агрессивности. Может быть применено в промышленности для снижения отложений солей и органических соединений на внутренней поверхности трубопроводов, для расслаивания эмульсий типа «вода-масло» и для уменьшения скорости внутренней коррозии трубопроводов.
Может найти применение также при изучении и моделировании магнитогидродинамического течения (МГД-течения) жидкостей в лабораторных условиях.
Устройство эффективнее прототипа; промышленно применимо.