УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ОБРАБОТКИ ВОДОНЕФТЯНОЙ ЭМУЛЬСИИ, ТРАНСПОРТИРУЕМОЙ ПО ТРУБОПРОВОДУ
DEVICE FOR MICROWAVE PROCESSING OF WATER-OIL EMULSION TRANSFERRED BY PIPELINE

Изобретение относится к области подготовки товарной нефти и может быть использовано на производствах нефтеперерабатывающей и нефтедобывающей промышленности для создания аппаратов сверхвысокочастотной (СВЧ) обработки водонефтяных смесей.
Известны устройства СВЧ обработки водонефтяной эмульсии, см., например, патент РФ №2196227, МПК 7 Е21В 43/34, опубл. 10.01.2003, Бюл. №1. Устройство разделения водогазонефтяной смеси. Устройство состоит из трубопровода с водонефтяной эмульсией, в который подается энергия СВЧ от системы дискретных излучателей. Микроволновая обработка в этих устройствах производится дискретными излучателями электромагнитной энергии. Недостатком устройства является то, что в нем формируют воздействие энергии СВЧ с поверхности обрабатываемой среды и в результате, из-за наличия значительных потерь в этой среде, электромагнитному воздействию подвергаются только наружные слои водонефтяной эмульсии, т.е. имеет место большая неравномерность микроволновой обработки водонефтяной эмульсии.
Прототипом изобретения является Аппарат для микроволнового разделения эмульсии US Patent №4853507 Aug. 1,1989. Данное устройство состоит из цилиндрической камеры, подсоединенной с помощью патрубков на входе и выходе камеры к трубопроводу, а внутри камеры, на ее торцевой стенке, установлен своим основанием герметичный конический радиопрозрачный обтекатель, внутри которого расположено устройство ввода и распределения электромагнитной энергии, соединенное с источником СВЧ-энергии.
Данное устройство обеспечивает формирование в камере режима микроволновой обработки, например, для водонефтяной эмульсии, но процесс сепарации эмульсии в отстойных резервуарах после такой обработки протекает неполно. Это происходит потому, что электромагнитная энергия в продольном и поперечном сечении камеры, в которой протекает эмульсия, распределяется неравномерно, фокусируясь вблизи обтекателя примерно на расстоянии 1/3 от его вершины. В результате в соответствии с таким неравномерным распределением поля в поперечном сечении камеры поток эмульсии подвергается неравномерному воздействию электромагнитной энергии и происходит некачественное разделение водонефтяной эмульсии.
Решаемая техническая задача предлагаемого технического решения заключается в повышении качества разделения водонефтяной эмульсии путем увеличения интенсивности и равномерности воздействия электромагнитной энергии на весь поток водонефтяной эмульсии.
к
oq
к
д
Техническая задача в устройстве для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу, состоящем из цилиндрической камеры длиной L, имеющей входной и выходной патрубки для подключения камеры к трубопроводу, а внутри которой на торцевой стенке установлен герметичный радиопрозрачный обтекатель длиной 0<L<L, внутри которого расположено устройство ввода и распределения электромагнитной энергии, соединенное с источником СВЧ-энергии, достигается тем, что в цилиндрической камере поверх герметичного радиопрозрачного обтекателя, соосно с ним, установлены вложенные друг в друга с зазором d<λ/2 между их боковыми поверхностями n проточных радиопрозрачных обтекателей, подобных радиопрозрачному герметичному обтекателю с отверстием в каждом из них для протока эмульсии, распложенным в соседних обтекателях в их противоположных концах соответственно, у одного обтекателя на его конце, у другого - в начале обтекателя, а входной и выходной патрубки расположены соответственно, входной патрубок расположен в области между герметичным радиопрозрачным обтекателем и первым проточным радиопрозрачным обтекателем, а выходной патрубок расположен за последним проточным радиопрозрачным обтекателем.
об
к
к
oб
к
к
В качестве герметичного радиопрозрачного обтекателя длиной L<L и n проточных обтекателей длиной L-Δ могут быть использованы обтекатели конической формы с углом при вершине 0°<α<180°, при этом нечетные проточные обтекатели выполнены с отверстием при вершине обтекателя и своим основанием размещены вплотную на поверхности камеры, а четные проточные обтекатели установлены своим основанием на поверхности камеры с зазором Δ, а также герметичный радиопрзрачный обтекатель длиной L<L и n проточных радиопрозрачных обтекателей длиной L-Δ могут быть выполнены цилиндрической формы разных диаметров, диаметры которых отличаются на величину 2d и установлены коаксиально относительно друг друга на противоположных друг от друга торцевых стенках камеры соответственно, где:
oб
L - длина обтекателя,
к
L - длина цилиндрической камеры,
d - зазор между боковыми поверхностями обтекателей,
Δ - ширина зазора между обтекателем и стенкой камеры,
д
λ - длина волны электромагнитного сигнала в диэлектрике.
На фигуре 1 показано продольное сечение устройства для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу с расположенными в ней радиопрозрачными обтекателями конической формы.
На фигуре 2 показано продольное сечение устройства для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии, транспортируемой по трубопроводу с расположенными в ней радиопрозрачными обтекателями цилиндрической формы.
к
oб
к
д
1
2
1
2
1,3,5
2,4,6
д
1
n
По фигуре 1 устройство для микроволновой обработки водонефтяной эмульсии состоит из цилиндрической камеры 1 длиной L, имеющей входной патрубок 2 на входе камеры 1 и выходной патрубок 3 на выходе камеры 1 для подсоединения к трубопроводу. Внутри камеры, вдоль ее оси на торцевой стенке 4, установлен герметичный радиопрозрачный обтекатель 5 длиной 0<L<L, имеющий коническую форму с углом при вершине 0°<α<180°, внутри которого расположено устройство ввода и распределения электромагнитной энергии 6, соединенное с источником СВЧ-энергии 7. В цилиндрической камере 1 поверх герметичного радиопрозрачного обтекателя 5, соосно с ним, установлены вложенные друг в друга с зазором d<λ/2 между их боковыми поверхностями n=1, 2, 3… проточных радиопрозрачных обтекателей 8 (на фигуре 1 показано два проточных радиопрозрачных обтекателей 8 и 8), подобных герметичному радиопрозрачному обтекателю 5. Проточные радиопрозрачные обтекатели 8 имеют отверстие 9 для протока эмульсии 10, распложенное в соседних обтекателях в их противоположных концах соответственно, у одного обтекателя 8 в конце при его вершине, у другого обтекателя 8 - в начале обтекателя у его основания. Для чего нечетные проточные радиопрозрачные обтекатели 8 выполнены с отверстием 9 при вершине обтекателя и размещены своим основанием вплотную на торцевой стенке 4 камеры 1, а четные 8 установлены своим основанием с зазором шириной Δ с торцевой поверхностью камеры 1, образуя щель шириной Δ для протока эмульсии 10 между основанием проточного обтекателя 8 и стенкой камеры 1. Система проточных обтекателей 8 с отверстиями 9 для протока эмульсии образует в камере 1 лабиринтный канал 11 шириной d<λ/2 для протока эмульсии 10. Входной патрубок 2 и выходной патрубок 3 расположены на поверхности камеры 1 соответственно, входной патрубок 2 направляет поток эмульсии 10 в область между герметичным радиопрозрачным обтекателем 5 и первым проточным радиопрозрачным обтекателем 8, выходной патрубок 3 расположен в области за последним проточным радиопрозрачным обтекателем 8 и выводит поток эмульсии из камеры.
oб
к
i
к
д
По фигуре 2 герметичный радиопрозрачный обтекатель 12 длиной L<L и n проточных радиопрозрачных обтекателей 13 длиной L-Δ выполнены в виде цилиндров разных диаметров. Имея разные диаметры, отличающиеся на величину 2d, они коаксиально расположены относительно друг друга и поочередно установлены на противоположных торцевых стенках 4 камеры 1, образуя при этом на свободном конце между проточным обтекателем 13 и торцевой стенкой 4 камеры 1 зазор шириной Δ для протока эмульсии 10. Проточные радиопрозрачные обтекатели 8 и 13 формируют лабиринтный канал 11 для протока эмульсии 10 необходимой ширины d<λ/2.
Рассмотрим работу устройства по фигурам 1 и 2.
1
Поток водонефтяной эмульсии 11 через входной патрубок 2 поступает в камеру 1 в лабиринтный канал 10 шириной d между герметичным радиопрозрачным обтекателем 5 и первым дополнительным обтекателем 8. Этот канал 11 концентрирует поток эмульсии 10 в области, прилегающей к герметичному радиопрозрачному обтекателю 5, где он подвергается действию электромагнитного поля равномерно распределенного в поперечном сечении канала 11, формируемого устройством ввода и распределения электромагнитной энергии 6. Ввиду того что эмульсия протекает по узкому лабиринтному каналу 11 d<λ/2, то в поперечном сечении канала распределение поля можно считать равномерным и весь поток эмульсии подвергается равномерному воздействию электромагнитного поля. Радиопрозрачные свойства проточных обтекателей 8 и 13 обеспечивают свободное распространение поля в камере 1. Поэтому все участки лабиринтного канала 8 и 13 в камере 1 будут обеспечивать равномерность микроволнового воздействия на водонефтяную эмульсии 10. Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает равномерность обработки электромагнитным полем всего потока эмульсии 10. Количество проточных радиопрозрачных обтекателей 8 и 13 определяет длину лабиринтного канала 11 и, соответственно, время воздействия электромагнитного поля на поток эмульсии 10.
Известно, что для обеспечения высокого качества микроволнового технологического процесса необходимо, чтобы электромагнитное поле оказывало воздействие с одинаковой интенсивностью во всем объеме обрабатываемого вещества, а для этого необходимо обеспечить высокую равномерность распределения поля в потоке обрабатываемого материала, см., например, Анфиногентов В.И. Математическое моделирование СВЧ нагрева диэлектриков. / Анфиногентов В.И. - Казань: Изд-во Казан. гос. тех. ун-та, 2006. - 140 с.
Поэтому для большинства микроволновых технологических процессов, таких как ускорение химических реакции, разрушение эмульсий, нагрев и сушка веществ с низкой теплопроводностью, основным параметром, определяющим его качество, являются однородность микроволнового воздействия по интенсивности и длительности для всей массы обрабатываемого материала.
(r)
2
В устройстве по прототипу, в поперечном сечении цилиндрической камеры распределение поля характеризуется неравномерностью вида f~1/r~1/r и поток эмульсии, протекающий в этом сечении камеры, подвергается неравномерному воздействию электромагнитного поля.
В предлагаемом техническом решении весь поток 10 направляется в лабиринтный канал 11, в поперечном сечении которого поле распределено равномерно т.к. ширина этого канала невелика, а его стенки радиопрозрачные. Поэтому поток, протекающий по лабиринтному каналу, на всех его участках подвергается равномерной обработки электромагнитного поля. Количество проточных радиопрозрачных обтекателей от 1 до n определяет длину формируемого лабиринтного канала и, соответственно, длину пути и время воздействия электромагнитного поля на поток эмульсии. Это позволяет увеличить время и длину канала взаимодействием с электромагнитным полем потока эмульсии и уменьшить продольный размер камеры. В поперечном сечении каждого из этих участков канала 11 поле распределено равномерно и потому в данном устройстве обеспечивается равномерность обработки потока эмульсии на всем ее пути потока 10 по каналу 11.
Из результатов экспериментальной проверки по разделению водонефтяной эмульсии на установке, не содержащей проточных обтекателей и с двумя проточными обтекателями, следует, что на установке, не содержащей проточных обтекателей, расслоение водонефтяной эмульсии протекает в полтора - два раза дольше, чем в камере, содержащей дополнительно два проточных обтекателя цилиндрической формы.