СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
METHOD OF OIL SLUDGE PROCESSING USING MICROWAVE ELECTROMAGNETIC EFFECTS

Изобретение относится к области технологии переработки и утилизации нефтяных отходов и может быть использовано на производствах нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности для создания технологических комплексов для переработки и утилизации нефтяных шламов с использованием сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки. Обеспечивает повышение качества разделения нефтяного шлама на отдельные фракции (товарную нефть, воду и мехпримеси) за счет объемного прогрева и термодинамических процессов, возникающих в среде, находящейся под воздействием СВЧ-энергии в реакторе, а также снижение затрат электроэнергии.
тр
п
д
oc
oc
Известен способ реализуемый устройством разделения водонефтяной смеси (полезная модель РФ №40925 МПК 7 В08В 7/04 опубликованная 10.10.2004), заключающийся в воздействии микроволновой энергией от источника электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду - водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе. В результате воздействия микроволновой энергией осуществляется обработка водонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода, содержащего входной участок трубопровода, и выходной участок трубопровода, к торцевой стенке входного участка трубопровода, диаметром d>2/2.61, подсоединен узел ввода энергии СВЧ, выполненный в виде волноводного патрубка диаметром d>2/3.41, герметично закрытого со стороны конца, расположенного внутри входного участка трубопровода, радиопрозрачной диафрагмой конической формы и с волноводным фланцем на другом конце, к которому подсоединен тракт СВЧ источника энергии СВЧ. Высота h диафрагмы составляет от половины до полутора диаметра основания d диафрагмы, а диаметр основания d диафрагмы взят не менее 2/3.41. Через торцевую стенку входного участка трубопровода внутрь волноводного патрубка введены входной и выходной воздушные патрубки. Узел ввода для нефти расположен на боковой стенке входного участка трубопровода напротив боковой поверхности волноводного патрубка, а вершина радиопрозрачной диафрагмы обращена вглубь входного участка трубопровода. Выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций. Управление мощностью осуществляется вручную либо не предусматривается.
Недостатком данного устройства является неэффективность воздействия электромагнитного поля на среду за счет локального воздействия, вследствие чего происходит нерациональный расход энергопотребления устройства и снижается качество обрабатываемой смеси.
тр
Наиболее близким аналогом изобретения является устройство разделения водогазонефтяной смеси (патент РФ №2196227 МПК 7 Е21В 43/34 опубликованный 10.01.2003), состоящее из трубопровода, содержащего три участка: входной, средний и выходной участки, средний участок заполнен продольно ориентированным пучком тонких труб, выходной участок выполнен наклонным и содержит узлы отбора фракций нефтяной эмульсии. Входной участок трубы выполнен диаметром d>2/2.61, на боковой поверхности которого через отверстия присоединены узел ввода для нефти и узлы ввода энергии СВЧ-выполненные в виде патрубков с волноводными фланцами, к которым с помощью тракта СВЧ подсоединены источники энергии СВЧ. Патрубки содержат диэлектрический согласующий и герметизирующий вкладыш, а выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций для газа нефти и воды. В этом устройстве на водонефтяную смесь, находящуюся в трубопроводе, воздействуют энергией СВЧ от источника электромагнитных колебаний.
Однако описанную установку нельзя применить для таких высокоустойчивых водонефтяных эмульсий, как нефтешламовые эмульсии. Кроме этого, данный способ не предусматривает процесс восстановления адсорбционных оболочек на поверхности глобул воды, препятствующих их слиянию, что приводит к снижению эффективности применения СВЧ электромагнитного поля в процессе переработки водонефтяных эмульсий и нефтяных шламов.
Техническим результатом изобретения является обеспечение эффективной переработки нефтяных шламов с применением СВЧ энергии, позволяющей повысить качество обработанной продукции.
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>σ</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow>
Технический результат в способе переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия, заключающемся в непрерывном воздействии СВЧ электромагнитного поля от источника электромагнитных колебаний на поток нефтешлама в СВЧ реакторе, достигается тем, что до подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют относительную диэлектрическую проницаемость ε', удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения:
,
0
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>α</mi><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mi>α</mi><mi>r</mi></mrow></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
где µ - магнитная постоянная, с - скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения:
,
0
0
кр
α
кр
кр
где N - мощность излучения электромагнитных волн, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т и критическую температуру Т, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tgδ(t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ печи до температуры Т, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Т, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(t) от времени.
На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ реактор по следующим формулам:
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow />
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mi>υ</mi><mo>,</mo></mrow>
где L - длина СВЧ-реактора.
α
Для более полного разрушения нефтешлама на отдельные фракции предотвращения процесса обратной адсорбции полярных компонент нефти на глобулах воды после СВЧ-реактора обработанная продукция подается в трехфазный декантер. где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды t:
α
R<υt.
На фиг.1 представлена временная зависимость tgδ пробы нефтяного шлама после СВЧ электромагнитной обработки, на которой видно, что по истечении некоторого времени значение тангенса угла диэлектрических потерь растет и устанавливается на некотором среднем значении, что соответствует установлению адсорбционного равновесия.
На фиг.2 представлена схема устройства для осуществления способа переработки нефтяных шламов с использованием СВЧ электромагнитного воздействия. Условные обозначения: 1 и 1′ - источники электромагнитных волн, 2 - волноводы, 3 - СВЧ реактор. 4 - трехфазный декантер.
Способ осуществляется в следующей последовательности:
<mrow><mi>α</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>μ</mi><mn>0</mn></msub><mi>σ</mi><mi>c</mi></mrow><mrow><mn>2</mn><msqrt><mrow><mi>ε</mi><mo>'</mo></mrow></msqrt></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор определяют ее относительную диэлектрическую проницаемость ε', удельную электрическую проводимость σ, плотность ρ, теплоемкость С, коэффициент затухания электромагнитной волны в среде из следующего соотношения:
0
где и µ - магнитная постоянная, с скорость света в вакууме, определяют объемные источники тепла из следующего соотношения:
<mrow><mi>q</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>α</mi><msub><mi>N</mi><mn>0</mn></msub><msup><mi>e</mi><mrow><mi>α</mi><mi>r</mi></mrow></msup></mrow><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi><mtext> </mtext><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
0
0
кр
α
кр
кр
где N - мощность излучения электромагнитных волн в реакторе, r - радиус СВЧ-реактора, определяют начальную температуру обрабатываемой среды Т и критическую температуру Т, до которой необходимо нагреть обрабатываемую среду, определяют время установления адсорбционного равновесия t, равное времени выхода кривой tgδ(t) на стационарный режим, для чего пробу нефтяного шлама, обработанную в СВЧ-печи до температуры Т, помещают в измерительную электрофизическую ячейку, в ячейке поддерживают температуру Т, строят зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ(t) от времени (фиг.1).
На основе определенных параметров рассчитывают эффективную скорость потока нефтешлама в СВЧ-реакторе υ и расход подачи обрабатываемой продукции в СВЧ-реактор Q по следующим формулам:
<mrow><mi>υ</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>q</mi><mi>L</mi></mrow><mrow><mi>ρ</mi><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>Т</mi><mrow><mi>к</mi><mi>р</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>0</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo></mrow>
<mrow />
<mrow><mi>Q</mi><mo>=</mo><mi>π</mi><msup><mi>r</mi><mn>2</mn></msup><mi>υ</mi><mo>,</mo></mrow>
где L - длина СВЧ-реактора.
0
Далее нефтешлам посредством насоса подается в СВЧ-реактор 3 с расходом Q (фиг.2). Включают источники электромагнитных волн 1 и 1', непрерывно воздействующий на поток нефтешлама мощностью N.
α
После СВЧ-обработки продукция подается в трехфазный декантер 4, где происходит разделение нефтешлама на товарную нефть, воду и механические примеси. Расстояние до трехфазного декантера R определяется временем установления адсорбционного равновесия на глобулах воды t:
α
R<υt.
Пример конкретных расчетов.
До подачи нефтешлама в СВЧ-реактор были определены ее следующие параметры:
ε' - 5,3;
σ - 0,025 См/м;
3
ρ - 870 кг/м;
С - 867 Дж/кг*К;
0
-6
µ - 1,26*10 Гн/м;
0
N - 15,0 кВт;
r - 0,1 м;
0
Т - 295 К;
кр
Т - 351 К;
α
t - 120 c;
L - 6,0 м.
Далее, с помощью приведенных выше формул были рассчитаны следующие параметры обработки нефтешлама СВЧ электромагнитным полем:
-1
α=2,05 м;
6
<mrow><mfrac><mrow><mi>В</mi><mi>т</mi></mrow><mrow><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow></mfrac></mrow>
q=0,3*10
;
<mrow><mfrac><mi>м</mi><mi>с</mi></mfrac></mrow>
υ=0,043
;
<mrow><mfrac><mrow><msup><mi>м</mi><mn>3</mn></msup></mrow><mi>ч</mi></mfrac></mrow>
Q=4,8
;
R<5,1 м.
Данное изобретение комплексно решает проблемы переработки нефтяных шламов с достижением необходимой эффективности ее обезвоживания и обессоливания. Применение изобретения позволит: получить высококачественную товарную нефть, повторно использовать воду в технологических процессах, сократить выбросы углеводородов, углекислого и прочих газов в атмосферу, сократить эксплуатационные расходы предприятий на содержание полигонов и хранилища органических и нефтесодержащих отходов, сократить платежи предприятия за загрязнение окружающей среды.