Дифференциация нефти в магнитном поле

Р. А. Галимов, В. В. Кротов, Р. Н. Марданшин,

Х. Э. Харлампиди, А. А. Кутуев

ДИФФЕРЕНЦИАЦИЯ НЕФТИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Ключевые слова: нефть, нефтепродукты, магнитная обработка. oil, oil products, magnetic

cuffing.

Магнитное поле позволяет разделить нефть на два потока, отличающиеся физико-химическими свойствами. Интенсивность изменения свойств потоков нефтей по отношению к исходной зависит от времени нахождения сырья в переменном магнитном поле.

The magnetic field allows separating the oil in two flows which have different physical and chemical properties. The intensity of properties changing of oil flows toward the initial ones depends on the time the raw material being in the changeable magnetic field

Нефть представляет собой термодинамически лабильное структурное образование, содержащее парамагнитные и диамагнитные молекулы. Система включает сложные структурные единицы (ССЕ), парамагнитное ядро которых окружено сольватными слоями диамагнитных молекул [1-3].

Молекулы высокомолекулярных соединений, расположенные в объеме надмолекулярной структуры и на ее поверхности, энергетически неравноценны, что отражается в изменении диаметра надмолекулярных частиц, толщины сольватной оболочки и степени упорядоченности молекул в ассоциатах. ССЕ характеризуются экстремальным изменением объемной и поверхностной энергии в надмолекулярных структурах под воздействием внешних факторов [4].

Критерием прочности конструкции в нефтяной дисперсной системе (НДС) служит направление спина магнитного центра каждого отдельного ассоциата. Общее направление спинов всех взаимодействующих молекул и частиц нефтяной системы связано с суммарным магнитным полем в данной области пространства. Наложение внешнего воздействия, в том числе магнитного поля, на нефтяную систему приводит к изменению направления спинов, нарушению устойчивости системы и, как следствие, изменению структуры и свойств за счет организации и разрушения, как ассоциативных комбинаций, так и молекул [1,5].

В практическом аспекте применение внешних физических полей, имеющих волновую природу [6], способствует интенсификации ряда физико-химических процессов, в частности, перемешивания, диспергирования, эмульгирования и т.д. [7-10].

В нефтедобыче, подготовке и транспортировке нефти, а также при нефтепереработке волновые технологии используют для загущения буровых растворов [10], предотвращения выделения парафинов [11-13], снижения температуры начала кипения нефти и повышения глубины отбора светлых нефтепродуктов [14-16]. В некоторых случаях волновые технологии используют для аналитических целей [17].

Экспериментальная часть

Исследования проводили на проточной установке, позволяющей изменять скорости отбора центрального и периферийного потоков нефти из реактора. Скорость расхода нефтяного сырья зависит от времени нахождения его в переменном магнитном поле. Объем исходной нефти - 5,0 л. Частота тока промышленная - 50 Гц, рабочее напряжение переменного тока - 150 В, сила тока - 20 А, потребляемая мощность генератора медленно меняющегося магнитного поля - 4,4 кВт. Началь-

ная температура нефти - 20оС. Рабочий объем реактора - 0,72 л. Нефть в генераторе магнитного поля изолировалась диамагнитным материалом. Генератор переменного магнитного поля состоял из четырех зон.

Разгонку нефти проводили по ГОСТу. Сырьем служила сборная акташская нефть, плотность при 20оС - 0,9103 г/см3, кинематическая вязкость при 20оС - 94,6 мм2/с. Определение динамической вязкости проводили с помощью ротационного вискозиметра «Реотест-2» с коаксильным измерительным устройством в зависимости от скорости сдвига и прикладываемого напряжения. Нефть делили на центральный и периферийный потоки. Концентрацию металлов определяли методом атомно-абсорбционной спектроскопии на приборе ЛЛ8-1.

Скорости отбора периферийных и центральных потоков нефти из реактора приведены в

табл.1.

Таблица 1 - Скорости отбора периферийных и центральных потоков нефти

Поток нефти Скорости потоков нефти, л/мин

№1 №2 №3

Периферийный (П) 0,02 0,15 0,163

Центральный (Ц) 0,3 0,225 0,065

Соотношение П:Ц 1:15 1:1,5 2,5:1

Обсуждение результатов

В табл. 2 приведены данные по фракционному составу потоков нефтей, дифференцированных в переменном магнитном поле и температурам начала кипения (Тнк.) для различных потоков.

Таблица 2 - Скорости отбора периферийных и центральных потоков нефти

Соотношение скоростей потоков нефти Ц:П* Т ** 1 н.к. Содержание фракций, % мас.

н.к.-200оС 200-300оС выше 300оС

Исходная нефть 54,0 11,4 17,6 71,0

Центральные потоки: 1:2,5 51,0 10,4 14,8 74,8

1,5:1,0 49,0 15,4 15,4 69,2

15:1,0 50,0 12,0 12,6 75,4

Периферийные потоки: 1:2,5 50,0 13,6 11,6 74,8

1,5:1,0 48,0 14,4 12,7 72,9

15:1,0 46,0 14,8 15,2 70,0

*Ц - центральные потоки; П - периферийные потоки; **Тнк. - температура начала кипения нефти.

Из табл.2 видно, что магнитная обработка снижает Тнк. всех полученных потоков нефтей, но существенное снижение указанного параметра наблюдается для периферийных потоков. Причем, чем выше скорость отбора центрального потока, тем ниже Тнк. перифе-

рийного потока нефти. Последнее, возможно, объясняется близостью периферийного потока нефти к источнику магнитного поля.

Кроме того, как следует из экспериментальных исследований (табл. 3) магнитная обработка приводит к изменению фракционного состава. Исключением является случай, когда скорость отбора периферийного потока превышает скорость отбора центрального потока нефти, выход фр. н.к. - 200оС повышается на 0,6-4,0% об. Одновременно наблюдается увеличение выхода фракций, выкипающих выше 300оС, кроме данных эксперимента с максимальной скоростью отбора центрального потока нефти из реактора. В этой связи нелогичным выглядит снижение отбора фракций, выкипающих выше 300оС, для опыта, где скорости отбора потоков нефти соизмеримы (1,5:1,0). Однако, в указанном эксперименте выход легких фракций (н. к. - 200оС) максимальный.

Таблица 3 - Концентрации некоторых металлов в разделенных потоках аделяковской нефти

Поток нефти Концентрация 104, % мас.

V ІЧІ Си Мо

Периферийный 457 45,9 0,10 0,14

Исходный 459 46,8 0,11 0,16

Центральный 464 47,1 0,10 0,16

Резюмируя, можно констатировать, что приведенные изменения осуществляются за счет преобразований в составе фр. 200-300оС, протекающих, по-видимому, по деструктивному механизму, что согласуется с ранее полученными результатами [15,16,18].

На рис. показано изменение динамической вязкости потоков нефти, дифференцированных в переменном магнитном поле при 20°С и соотношении потоков Ц:П=7,5:1.____________

Динамичегсая вязкость, мПл с

Рис. 1 - Изменение динамической вязкости потоков нефти, дифференцированных в переменном магнитном поле

Динамическая вязкость периферийного потока нефти, дифференцированного в переменном магнитном поле, как следует из рисунка, выше, а динамическая вязкость центрального потока нефти ниже, чем у исходной нефти. Предельное напряжение сдвига в первом случае повысилось на 20% отн., во втором понизилось примерно на 3,0% отн. Такие изменения динамической вязкости связаны с объемами получаемых потоков нефти.

Следовательно, экспериментально показана возможность дифференцирования нефти в переменном магнитном поле на потоки, различающиеся по вязкости.

Изменение вязкости потоков нефти, в первую очередь, может быть связано с перераспределением смолисто-асфальтеновых компонентов, являющихся концентратами парамагнитных молекул и аккумулирующих основное количество гетероорганических соединений, в том числе металлов. Следовательно, при перераспределении смолисто-асфальтеновых компонентов в дифференцированных потоках нефти должно наблюдаться изменение концентрации металлов магнитной природы. Концентрации некоторых металлов в дифференцированных потоках нефти показаны в табл.3.

Как следует из табл.3, концентрации исследованных металлов в потоках нефти практически не отличаются от их содержания в исходном сырье. Различия наблюдаются в пределах ошибки метода определения.

Таким образом, магнитное поле позволяет дифференцировать нефть на потоки, различающиеся по свойствам. Однако для решения конкретной задачи необходимо подобрать оптимальные режимы эксперимента и конструктивное оформление реактора.

Литература

1. Унгер, Ф.Г. Фундаментальные аспекты химии нефти. Природа смол и асфальтенов /Ф.Г.Унгер, А.Н. Андреева. - Новосибирск: Наука, - 1995. - 192 с.

2. Сюняев, З.И. Химия нефти / З.И. Сюняев. - Л.:Химия, 1984. - 359 с.

3. Красногорская, Н.Н. Модель сложной структурной единицы в конденсированных средах /Н.Н.Красногорская [и др.] // Химия и технология топлив и масел. - 1987. - №5. - С.35-36.

4. Зиновьев, А.П. Процессы фазовых и структурных превращений в нефтяных дисперсных системах /А.П. Зиновьев, С.А. Зиновьев //»Теория и практика массообменных процессов химической технологии»: мат. Всерос. науч. конф. -Уфа, 21-25 октября, 1996. -Уфа, 1996. - С.74-75.

5. Писарева, С.И. Влияние магнитного поля на обменные взаимодействия в нефтяных дисперсных системах / С.И. Писарева, Л.Н. Андреева, Ф.Г. Унгер // Технологии ТЭК. - 2004. - №4. - С.89-95

6. Ганиев, Р.Ф. Нелинейная волновая механика и технологии /Р.Ф.Ганиев, Л.Е.Украинский. - М.: Научно-исследоват. центр «Регулярная и хаотичная динамика», 2008. - 712 с.

7. Курочкин, А.К. Влияние ультразвука на процесс деасфальтизации нефтяных остатков /А.К.Курочкин [и др.] // Химическая технология переработки нефти и газа. - 1981.- С.48-51.

8. Курочкин, А.К. Интенсификация некоторых процессов переработки нефтяного сырья воздействием акустических колебаний /А.К.Курочкин [и др.] // Химическая технология переработки нефти и газа. - 1982. - С. 15-17.

9. Иванов, Б.Н. Волновая природа процессов генезиса добычи и подготовки нефти. Часть 2. / Б.Н.Иванов // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №4. - С. 100-120.

10. Маслов, В.В. Кавитационное диспергирование дисперсной фазы буровых растворов / В.В. Маслов, Р.Ю. Кузнецов // Известия вузов. Нефть и газ. - 2006. - №6.-С. 42-45.

11. Карамышев, В.Г. Влияние электроискровой обработки высокопарафинистой нефти на ее реологические свойства / В.К. Карамышев, Р.С. Гумеров, И.А. Фазлутдинов // Нефтяное хозяйство. -1994. - №1-2. - С.37-42.

12. Карпов, Б.В. Использование физических полей для предупреждения отложений парафина при добыче нефти / Б.В.Карпов [и др.] // Нефтяное хозяйство. - 1997.-№7. - С.46-47.

13. Семенов, В.В. Магнитная обработка добываемой жидкости нефтяных скважин ООО «Лукойл-Пермь» и критерии для исключения осложнений при ее добыче /В.В.Семенов, Ю.Г.Матвеев // Известия вузов. Нефть и газ. - 2006. - №6. - С.42-46.

14. Промтов, М.А. Импульсные технологии для переработки нефти и нефтепродуктов / М.А. Промтов, А.С. Авсеев //Нефтепереработка и нефтехимия. - 2007. - №6.-С.22-24.

15. Галимов, Р.А. Многостадийная активация нефтей в электромагнитном поле / Р.А. Галимов, Р.Н. Марданшин, Х.Э. Харлампиди // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2008. - №4. - С.121-126.

16. Пивоварова, Н.А. Влияние магнитного поля на результаты перегонки нефтяных остатков / Н.А.Пивоварова [и др.] // Нефтепереработка и нефтехимия. - 2003. -№12. - С.23-26.

17. Самедова, Ф.А. Разделение асфальтенов способом физического воздействия /Ф.А.Самедова, М.Ф.Мир-Бабаев // Химия и технология топлив и масел. - 1995. - №5. - С.41.

18. Галимов, Р.А. Сохранность влияния электромагнитной активации нефти во времени/ Р.А.Галимов, Х.Э.Харлампиди, В.А.Ходкевич // Вестник Казан. технол. ун-та. - 2009. - №4. -С.251-256.

© Р. А. Галимов - д-р хим. наук, проф. каф. общей химической технологии КГТУ; В. В. Кротов -канд. техн. наук, науч. сотр. ОАО «Панхимтех»; Р. Н. Марданшин - асп. каф. общей химической технологии КГТУ; Х. Э. Харлампиди - д-р хим. наук, проф., зав. каф. общей химической технологии КГТУ; А. А. Кутуев - канд. техн. наук, доц. той же кафедры, vorobiov@kstu.ru.