СПОСОБ СНИЖЕНИЯ ЭЛЕКТРИЗАЦИИ ЖИДКИХ УГЛЕВОДОРОДОВ ПРИ ОБРАЩЕНИИ С НИМИ
METHOD OF REDUCING LIQUID HYDROCARBONS ELECTRIZATION WHEN HANDLING

Изобретение относится к способу предотвращения образования электростатических зарядов и может быть использовано при обеспечении пожарной безопасности технологических процессов хранения и транспортировки жидких углеводородов. Сущность изобретения отражается в совокупности применения способов внедрения (диспергирования) многослойных углеродных нанотрубок в нефтепродукты и электростатической стабилизации углеродных наноструктур для обеспечения технического результата - снижения электризации нефтепродуктов при их транспортировке, гомогенизации и распылении.
Известен способ (патент RU 2488627 С1 «Способ предотвращения накопления электростатических зарядов в эмульсиях при добыче и транспорте нефти») снижения электризации с использованием нейтрализующих устройств за счет введения антистатических поверхностно-активных веществ и дозирования деэмульгаторов.
Недостатком данного способа является значительный расход эмульгатора, а также дополнительные затраты на его выведение из нефтепродукта.
Снижение статической электризации в нефтепродуктах достигается за счет воздействия внешних электрических полей. Известен способ снижения скорости накопления электростатических зарядов (патент РФ №2479005 «Способ и устройство управления физико-химическими процессами в веществе и на границе раздела фаз») за счет изменения электрической проводимости двойного электрического слоя (ДЭС) путем воздействия электрического переменного частотно-модулированного сигнала (ПЧМС) с двумя интервалами однородности.
Недостатком данного способа является затруднение его применения для веществ с высоким удельным электрическим сопротивлением, так при воздействии электрических полей низкой частоты не происходит значительного изменения электропроводности.
Электризация жидких углеводородов зависит от величины электрической проводимости (или удельного объемного электрического сопротивления (УОЭС)) средние теоретические [1] и экспериментальные [2] данные показывают, что при уменьшении УОЭС происходит снижение электризации при гомогенизации, распыле и перекачке нефтепродуктов.
Поскольку электрическая проводимость жидких углеводородов зависит преимущественно от наличия в них примесей для снижения электризации жидких углеводородов применяют антистатические присадки. Широко применяются и разрабатываются сурфактанты, в состав которых входят углеродные наноматериалы. Однако, их применение может быть ограничено в связи с быстрой агрегацией углеродных наночастиц.
Известны способы снижения электризации (патент US 20150302948 A1 «Composite materials with magnetically aligned carbon nanoparticles having enhanced electrical properties and methods of preparation», патент US 20140302296 A9 «Transparent conductive films with carbon nanotubes, inks to form the films and corresponding processes») путем введения металлизированных и магниточувствительных наночастиц в составе нанокомпонентных присадок с целью управления электрическими свойствами наножидкостей. Для повышения электрической проводимости, дополнительно с углеродными наноструктурами применялись металлизированные магниточувствительные наночастицы, а также поверхностно-активные вещества (ПАВ) для достижения стабильных наножидкостей. Данный состав позволяет увеличить электрическую проводимость наножидкостей более чем на четыре порядка.
Недостатком данных способов является быстрое образование агрегатов частиц, что может привести к их оседанию и эрозии стенок металлических емкостей и оборудования, где обращаются полученные наножидкости на основе углеводородов, что ведет к резкому уменьшению целесообразности применения данных присадок. Также, данный способ не эффективен в связи с применением сурфактантов, вызывающих изменение химического состава продукции, сложности удаления многослойных углеродных нанотрубок (MWCNT) из базовой жидкости и присутствию в них ПАВ.
При исследовании изменения электризации наножидкостей, полученных в условиях электрофизического воздействия, на основе жидких углеводородов использовались углеродные наноматериалы, содержащие MWCNT (l=10…20 мкм, d=10…30 нм). Данный вид MWCNT получен методом каталитического пиролиза на установке «CVDomna» с последующей отчисткой от примесей [3] и не содержит металлизированных и магниточувствительных наночастиц в концентрациях, обнаруживаемых стандартными методами. Однако возникает необходимость в дополнительной стабилизации наноструктур (предотвращение образований агрегатов) с целью увеличения времени сохранения улучшенных свойств наножидкости.
Известны способы увеличения времени процесса образования агрегатов наночастиц в жидкостях (патент РФ №2352618 «Наночастицы оксида церия в качестве топливных присадок», патент US 20160017253 A1 «Gelling nanofluids for dispersion stability», патент US 6432320 B1 «Refrigerant and heat transfer fluid additive») путем функционализации наноматериала и добавления ПАВ в качестве стабилизатора.
Недостатком в применении данных способов является добавление в жидкость ПАВ, в связи с чем удаление из базовой жидкости наночастиц невозможно, а также функционализация наноструктур. Обработка кислотами наноматериалов приводит к улучшению эксплуатационных характеристик наноматериала, однако это может привести к сложности удаления наночастиц для очистки базовых жидкостей. Обработка наноматериала под воздействием высоких температур может повлечь за собой частичное разрушение наноструктур, что снижает эффективность применения данного вида наночастиц.
Целью настоящего изобретения является снижение электризации жидких углеводородов путем введения MWCNT в сочетании с электростатической стабилизацией наножидкости с целью пролонгации заданных параметров наноструктур.
Для достижения поставленной цели предлагается осуществлять снижение электризации жидких углеводородов за счет внедрения MWCNT, диспергирования и дальнейшей стабилизации наноструктур путем воздействия переменного электрического поля, вследствие чего достигается изменение примесной и катафоретической проводимости на длительный срок в условиях сохранения одних из характерных параметров наножидкости (размер наночастиц и расстояние между ними).
Процесс стабилизации наноструктур заключается в изменении электрокинетического потенциала (дзета-потенциала) [4] наночастиц на границе раздела фаз жидкость-газ при электрофизическом воздействии с параметрами прибора ПЧМП.
Для осуществления предлагаемого изобретения электрофизическое воздействие с параметрами прибора ПЧМП прикладывается непосредственно к жидким углеводородам (Фиг. 1). Стабилизация наноструктур достигается посредством воздействия переменного частотно-модулированного потенциала на дисперсионную среду «жидкость - наночастица», в заземленной емкости с параметрами:
max
U=U⋅cos(wt)
max
где U=56 В;
w - круговая частота, определяющаяся в соответствии с зависимостью:
,
где L - индуктивность колебательного контура , Гн;
земли
С - электрическая емкость Земли (~740 мкФ);
С - емкость двойного электрического слоя, возникающего между слоем жидкости и наночастицами.
Фигура 1. Структурная схема стабилизации наноструктур в углеводородной жидкости путем электрофизического воздействия с параметрами прибора ПЧМП. 1 - металлическая емкость, 2 - модифицированная MWCNT углеводородная жидкость, 3 - электрод, 4 - прибор ПЧМП U=56 В, ƒ=50 Гц.
Фигура 2. Зависимость удельного сопротивления наножидкости на основе этанола от времени стабилизации MWCNT, в условиях электрофизического воздействия.
Фигура 3. Зависимость удельного сопротивления наножидкости на основе ацетона от времени стабилизации MWCNT, в условиях электрофизического воздействия.
Фигура 4. Зависимость удельного сопротивления наножидкости на основе орто-ксилола от времени стабилизации MWCNT, в условиях электрофизического воздействия.
Фигура 5. Топология агрегаций наноструктур в наножидкостях на основе: а, б - этанола; в, г - ацетона; д, е - орто-ксилола, а, в, д - образцы без воздействия переменного электрического поля; б, г, е - образцы, подверженные воздействию переменного электрического поля.
Техническим результатом заявляемого способа является:
- повышение качественных характеристик жидких углеводородов за счет применения, в качестве стабилизатора электрофизическое воздействие с параметрами переменного частотно-модулированного потенциала U=56 В, ƒ=50 Гц;
- неизменность химического состава наножидкостей на основе жидких углеводородов, вследствие химической нейтральности используемых MWCNT;
- возможность удаления MWCNT после использования, путем фильтрации (до 90%) наножидкости и/или очистки путем электрофоретического осаждения (до 100%);
- замедлен процесс образования агрегаций MWCNT (до 4 раз);
- возможность управлять процессами электризации жидких углеводородов, за счет регулирования размеров агрегатов наноструктур и расстояния между ними.
2
5
3
5
8
10
Осуществимость заявляемого способа подтверждена экспериментально на базе Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России. Наножидкости были получены путем диспергирования наноматериалов (с концентрацией 0,5 и 1,0 об. %) с MWCNT в базовой жидкости (СН(ОН), СН(ОН), CH) при воздействии источника ультразвука с частотой 100 кГц в течение 1 часа при температуре 40°C. Далее для обеспечения условий стабилизации наножидкости подвергались электрофизическому воздействию с параметрами ПЧМП U=56 В, ƒ=50 Гц в течение 1 часа.
Исследование зависимости электропроводности наножидкостей от условий стабилизации в ней наночастиц MWCNT проводилось в измерительной ячейке тераомметра Е6-13А. Предварительно подготовленную наножидкость помещали в измерительную ячейку, где проводили измерения каждые одинаковые промежутки времени до установления исходных параметров удельного объемного электрического сопротивления.
Данные исследований показывают (фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4), что при возрастании концентрации MWCNT в жидкости наблюдается снижение ее удельного сопротивления в среднем на 45%. В условиях воздействия ПЧМП происходит более медленный рост значений (68%) удельного электросопротивления жидкости, что связано с более медленным процессом агрегации наночастиц при электрофизическом воздействии [5].
В табл. 1, 2 приведены результаты исследований напряженности электрического поля при перекачке модифицированных жидких углеводородов и при гомогенизации наножидкостей. Полученные результаты свидетельствуют о значительном вкладе стабилизированных наночастиц в изменение кинетики накопления электростатического заряда при перекачке модифицированных жидкостей.
Посредством изменения таких характеристик как концентрация, размер частиц и расстояние между ними появляется возможность управления электризацией жидких углеводородов (табл. 1, табл. 2). Исследование сохранения свойств наножидкостей, а именно размера и расстояния между MWCNT проводили с помощью атомно-силовой микроскопии на установке NT MDTIntegra. В топологии агрегаций углеродных наноструктур в наножидкостях при воздействии переменного электрического поля наблюдается сохранение расстояния между наноструктурами и уменьшение их линейных размеров (фиг. 5). Таким образом, результаты исследования доказывают возможность регулирования параметров наноструктур.
Литература
1. Бобровский С.А., Яковлев Е.И. «Защита от статического электричества в нефтяной промышленности»; Москва «НЕДРА»; 1983.
2. Иванов А.В., Скрипник И.Л., Воронин С.В. «Исследование процессов электризации при обращении с модифицированными наножидкостями и лакокрасочными материалами»; Проблемы управления рисками в техносфере; №3(47); 2018; 110-119.
3. Бобринецкий И.И. «Технология производства углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза из газовой фазы этанола»; Химическая технология; 2007; №2; стр. 58-62.
4. Yu W., Xie Н. A review on nanofiuids: preparation, stability mechanisms, and applications // Journal of Nanomaterials. - 2012. - 17 p. DOI: 10.1155/2012/435873.
5. Иванов A.B., Мифтахутдинова A.A., Нефедьев С.А., Симонова М.А., Маслаков М.Д. Условия стабилизации наноструктур для безопасной транспортировки легковоспламеняющихся жидкостей. Пожаровзрывобезопасность / Fire and Explosion Safety. 2017; 26(9):35-43.