УСТАНОВКА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВОЗДЕЙСТВИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ СВЧ НА ИЗМЕНЕНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТЕПРОДУКТОВ В ПОТОКЕ

Полезная модель относится к области исследования или анализа материалов с использованием сверхвысоких частот (СВЧ), в частности исследования воздействия электромагнитного поля СВЧ преимущественно на нефтепродукты в потоке, и может быть использовано при производстве нефтепродуктов, а также при восстановлении качества некондиционных нефтепродуктов.
Существует проблема снижения энергетических и временных трудозатрат при производстве нефтепродуктов и их очистке. Комплексную задачу энергосбережения и снижения затрат целесообразно решать, переходя на технологии нового типа и создание новых классов аппаратов, использующих физические явления (УЗ, УВЧ, ВЧ, СВЧ), которые открывают дополнительные возможности энергомассообмена.
Известно, что при хранении моторных топлив и масел имеет место изменение их качества. Для бензинов, топлива для реактивных двигателей и дизельного топлива характерным является увеличение содержания фактических смол, кислотности, фракционного состава, содержания серы и т.д. Для масел - изменение их трибологических свойств, например, диаметр пятна износа, характеризующего влияние масла на износостойкость трущихся поверхностей, а также показатель критической нагрузки, характеризующий влияние масла на снижение вероятности задира с увеличением нагрузки. При этом в ходе контроля качества и оценки необходимости восстановления (улучшения) качества рассматриваются среднегодовые показатели изменения качества, более значений погрешности метода испытания этих показателей. [Инструкция об организации обеспечения качества горючего в Вооруженных Силах Российской Федерации. - М.: Воениздат, 1994. Приложения №22 и 42].
Перед авторами стояла задача - разработать установку для исследования влияния воздействия электромагнитного поля СВЧ на изменение физико-химических свойств нефтепродуктов в потоке (на изменение таких качественных показателей как вязкость, плотность, содержание фактических смол, содержание серы, содержание водорастворимых кислот и щелочей, содержание воды и механических примесей и т.д.).
В ходе проведенного просмотра научно-технической и патентной информации были выявлены устройства, использующие электромагнитное поле СВЧ для воздействия на различные среды.
Известно устройство для СВЧ нагрева жидких продуктов, содержащее волновод, имеющий прямоугольную форму поперечного сечения, находящийся внутри него зигзагообразный трубопровод с прямоугольным поперечным сечением из радиопрозрачного материала, вершины зигзагов которого примыкают к противоположным стенкам волновода под углом менее 10 градусов, патрубки и поглощающую нагрузку, через которую проходит обрабатываемая жидкость (SU 1238273 Н05В 6/64 1983 г). Однако, недостатком этого устройства является использование энергии поля СВЧ только для нагрева жидкости и необходимость для организации потока предварительного расплавления вязких продуктов, в частности воска, а также необходимость предварительного подогрева трубопровода горячим воздухом до подачи в него обрабатываемого продукта, что требует дополнительного оборудования, без которого не может быть достигнут положительный результат.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой за прототип является установка по обработке водных растворов в жидкой фазе переменным электромагнитным полем высокой частоты, состоящая из полой резонансной камеры с патрубками ввода и вывода жидкости, генератора электромагнитного поля СВЧ, размещенного с наружной стороны резонансной камеры и подключенного к программному блоку управления выходной мощностью генератора. (лабораторная установка «Энергия-К-1-2450, разработана ООО «НИЦ им.Н.Тесла», интернет-сайт предприятия-изготовителя www.teslacenter.ru, 10.01.2011 г. - прототип)
Существенным недостатком прототипа является ограниченность условий (режимов) обработки жидкостей только изменением (регулированием) параметров электромагнитного поля СВЧ, создаваемого одним генератором. Это вызывает необходимость применения для обработки жидкостей с разными физико-химическими свойствами генератора большой мощности, специальных разных по конструкции (коаксиальной, прямоугольной, полой, частично или полностью заполненной гранулами) из радиопрозрачного материала сменных резонансных камер проточного типа, и волновода (проводника) к резонансным камерам, в котором частично теряется мощность генератора. Кроме того, применяемые резонансные камеры не позволяют изменять время обработки в них нефтепродуктов за счет изменения скорости потока и циркуляции (повторного, многократного прохождения потока через резонансную камеру). Это снижает возможности лабораторной установки по исследованиям влияния электромагнитного поля СВЧ при воздействии на нефтепродукты, являющиеся сложными системами.
Технический результат полезной модели - расширение функциональных возможностей установки за счет создания возможности формирования разнонаправленных электромагнитных полей СВЧ с одновременным снижением потерь мощности, изменением времени обработки за счет изменения скорости потока и его циркуляции.
Указанный технический результат достигается тем, что установка для исследования влияния воздействия электромагнитного поля СВЧ на изменение физико-химических свойств нефтепродуктов в потоке, содержащая полую резонансную камеру с патрубками ввода и вывода нефтепродукта, генератор электромагнитного поля СВЧ, размещенный с наружной стороны резонансной камеры и подключенный к программному блоку управления выходной мощностью, согласно полезной модели, дополнительно содержит второй генератор электромагнитного поля СВЧ, установленный перпендикулярно распространяемому электромагнитному полю СВЧ первого генератора и подключенный к соответствующему входу блока управления, размещенную в резонансной камере с минимальным зазором относительно ее стенок емкость, внутренняя полость которой соединена с патрубками ввода и вывода резонансной камеры и которая выполнена из материала, обеспечивающего максимальную пропускную способность задаваемой величины электромагнитного поля СВЧ, трубопроводный контур циркуляции нефтепродукта через емкость, состоящий из соединенного с блоком регулирования скорости перекачки насоса, всасывающая магистраль которого подключена через запорный клапан к патрубку вывода нефтепродукта из резонансной камеры, патрубок ввода нефтепродукта которой соединен через другой запорный клапан с напорной магистралью насоса, линию заливки нефтепродукта в коммуникации установки, линию отбора проб исследуемого нефтепродукта и подключенную к трубопроводному контуру циркуляции между запорным клапаном в напорной магистрали насоса и входным патрубком резонансной камеры гидравлическую линию контроля полноты заполнения коммуникаций, в которой размещен клапан автоматического стравливания воздуха при заливке нефтепродукта в коммуникации, линии отбора проб и заливки нефтепродукта в коммуникации подключены к контуру циркуляции между патрубком выхода нефтепродукта из резонансной камеры и запорным клапаном во всасывающей магистрали насоса, при этом генераторы электромагнитного поля СВЧ размещены непосредственно на взаимно перпендикулярных стенках резонансной камеры, а в линиях заливки нефтепродукта, отбора проб и гидравлической линии контроля полноты заполнения коммуникаций установки размещены индивидуальные запорные клапаны.
На фиг.1 приведена блок-схема установки для исследования влияния воздействия электромагнитного поля СВЧ на изменение физико-химических свойств нефтепродуктов в потоке.
3
Установка для исследования влияния воздействия электромагнитного поля СВЧ на изменение физико-химических свойств нефтепродуктов в потоке содержит насос 1 (как вариант насос жидкостной центробежного типа «Speroni PM.20» с номинальной подачей 20 м/ч, каталог на сайте www.speroni.it 10.01.2011) с блоком 2 регулирования скорости перекачки (лабораторный автотрансформатор регулируемый, например ЛАТР-1М, 9 Ам, 50 Гц, диапазон изменения параметров от 0 до 250 вольт, производитель ООО «Пензкомпрессормаш», http://www.pkm.ru 21.01.2011). Нефтепродукт прокачивается через резонансную камеру 3, на двух взаимно перпендикулярных стенках которой установлены и подключены к ней два СВЧ генератора 4 и 5, соединенные с блоком 6 управления выходной мощностью (например серийно выпускаемый блок управления «Электроника СП-10», производитель ЗАО «Первый московский завод радиодеталей», http://www.mskbizinfo.ru 30.02.2011). В качестве генераторов 4, 5 электромагнитного поля СВЧ использованы промышленные генераторы (как вариант магнетроны фирмы Samsung OM75P(31), максимальной мощностью 750 Вт, частотой 2450 МГц, каталог на сайте www.samsung.com, 10.01.2011).
В резонансной камере 3, представляющей собой металлический куб со сторонами, равными 217 мм, размещена емкость 7, патрубки которой соосны патрубкам резонансной камеры 3 (входному 8 и выходному 9), подключенным через запорные клапаны 10 и 11 к напорной и всасывающей магистралям насоса 1 соответственно.
Емкость 7, установленная в резонансной камере 3 с минимальным зазором (1-2 мм), изготовлена из материала (как вариант полиэтилен, www.xumuk.ru/encyklopedia., 20.03.2011), имеющего высокую пропускную способность электромагнитного поля СВЧ (потери менее 1,0%).
Резонансная камера 3 с размещенной в ней емкостью 7, насос 1, всасывающая и напорная магистрали которого оснащены запорными клапанами 10, 11, образуют циркуляционный контур, в котором блоком управления 2 регулируют скорость перекачки нефтепродукта, изменяя время воздействия электромагнитного поля СВЧ и осуществляя повторную обработку электромагнитным полем СВЧ многократной прокачкой (циркуляцией) нефтепродукта. При закрытых всех запорных клапанах возможно обрабатывать нефтепродукты в емкости 7 в статических условиях (как и в прототипе), т.е. без циркуляции (при исследовании влияния поля СВЧ на процесс восстановления качества некондиционных нефтепродуктов).
Между выходным патрубком 9 и запорным клапаном 11 подключена линия 12 заливки нефтепродукта с запорным клапаном 13 и линия отбора проб с запорным клапаном 14. Эта линия используется также для слива обработанной жидкости из устройства.
Между входным патрубком 8 и запорным клапаном 10 подсоединена гидравлическая линия (отводной трубопровод) контроля полноты заполнения коммуникаций с установленными в ней запорным клапаном 15 и клапаном 16 автоматического стравливания воздуха (как вариант предохранительный клапан 661300Б. см. «Каталог серийных изделий авиационного завода». - М.: Издательство оборонной промышленности. 1957. с.108) из емкости 7, насоса 1 и трубопровода при заливке исследуемого нефтепродукта. В случае повышения температуры пары нефтепродукта через запорный клапан 16 стравливаются автоматически.
Установка работает следующим образом. При заполнении партии нефтепродукта для обработки открывают запорные клапаны 10, 11, 13, 15 и по заливной линии 12 осуществляют заполнение емкости 7, насоса 1 и трубопроводного контура циркуляции общим объемом 10,5 литров. При этом воздух по мере заполнения емкости 7, насоса 1 и трубопроводов вытесняется через клапан 15 в атмосферу. Заполнение заканчивают при появлении нефтепродукта на выходе клапана 15, после чего запорные клапаны 10, 11, 12 и 15 закрывают. Установка готова к работе.
Обработку нефтепродукта электромагнитным полем СВЧ осуществляют в несколько этапов с учетом физико-химических свойств исследуемого нефтепродукта, преимущественно плотности и вязкости.
На первом этапе обработку нефтепродукта ведут в статике, т.е. без циркуляции, при начальной настройке генераторов 4 и 5 на максимальную мощность, равную 750 Вт каждый, в течении одной минуты, затем отбирают пробу, открыв запорный клапан 14. Определяют один или несколько показателей, характеризующих эксплуатационные свойства конкретной марки топлива или масла, в соответствии с программой и методикой исследований, фиксируют их значения.
Следующий этап осуществляют в динамическом режиме. Настраивают насос 1 на скорость 10,5 л/мин, величина скорости выбрана из условия обеспечивающего прокачку всего объема равного 10,5 л. находящегося в циркуляционном контуре нефтепродукта через емкость 7 в резонансной камере 3 в течение 1 минуты. Воздействие электромагнитным полем СВЧ производят с настройкой генераторов 4 и 5 на максимальную мощность по 750 Вт. После истечения 1 минуты обработки отбирают пробу для анализа и оценки результата обработки. Учитывая полученные результаты, снижают скорость прокачки для обработки жидкости в течение 2, 3 минут и т.д. до получения изменения в ходе обработки исследуемых параметров обрабатываемого нефтепродукта.
В случае получения результатов изменения значений параметров (восстановления или улучшения) выше точности оценки по действующим стандартным методикам после обработки за 1 минуту при работе генераторов на максимальной мощности, проводят исследования с новыми образцами того же нефтепродукта при ступенчатом постепенном снижении мощности одного или двух генераторов на 100 Вт, а также при работе поочередно одним из генераторов. При необходимости увеличивают время обработки за счет увеличения количества циклов прокачки. На скорости 10,5 л/мин или на других скоростях соответственно, 5,75 л/мин и 2,875 л/мин.
В случае нагрева и, как результат, увеличения объема обрабатываемого нефтепродукта происходит стравливание его через автоматический клапан 16 в сборную емкость (на фиг. не показано).
При смене исследуемого нефтепродукта после обработки (после проведения эксперимента, серии экспериментов), для слива нефтепродукта открываются запорные клапаны 10, 11, 13 и 14. При этом нефтепродукт сливается самотеком из емкости 7, насоса 1 и трубопроводных коммуникаций через запорный клапан 14, а в их внутренние полости поступает воздух через открытый запорный клапан 15.
На предлагаемой установке за счет воздействия электромагнитного поля СВЧ на электроны в атомах (или молекулах) обрабатываемых нефтепродуктов, происходят химические изменения, влияющие на их эксплуатационные показатели. Практически решается оптимизационная задача получения максимального эффекта (восстановление, улучшение) основных показателей эксплуатационных свойств при сохранении других показателей в нормативных пределах по техническим условиям за счет воздействия электромагнитного поля СВЧ и времени обработки. На данной установке были исследованы различные нефтепродукты. Ниже приведены примеры.
Пример №1
Образцы №1 и №2 автомобильного бензина марки АИ-93 по ТУ 38.401-58-56-93 с избыточной концентрацией фактических смол и образец №3 этой же марки бензина с концентрацией фактических смол в пределах нормы обработаны в установке в статических условиях (т.е. без прокачки) в течение трех минут при максимальной мощности двух одновременно включенных генераторов 4 и 5 (750 Вт+750 Вт) при начальной температуре окружающей среды +21°С. Результаты исследований приведены в таблице 1.
Таблица 1
Результаты обработки автомобильных бензинов электромагнитным полем СВЧ на заявленной установке.
№ образца автобензина
концентрация фактических смол мг/100 см<sup>3</sup>
до обработки
после обработки
№1
99,2
50,0
№2
49,6
41,2
№3
7,2
6,0
Как видно из данных таблицы 1 при идентичных режимах воздействия электромагнитного поля СВЧ в установке эффект снижения концентрации фактических смол в образцах автомобильного бензина с избыточной концентрацией очевиден (в образце №1 - в 2 раза, в образце №2 - в 1,12 раза). Также получен эффект улучшения показателя в 1,12 раза по нижению концентрации фактических смол в образце автомобильного бензина №3 с начальной концентрацией в пределах допуска по ТУ.
Пример №2
Три образца турбинного масла ТП - 22 с ТУ 38.101821-83 обрабатывались на установке в режиме максимальной мощности работы генераторов 4 и 5 (750 Вт+750 Вт) при изменении времени обработки 1, 2 и 3 минуты соответственно за счет изменения подачи насоса 10,5 л/мин (образец №1), 5,25 л/мин (образец №2), 2,875 л/мин (образец №3). Результаты обработки масла ТП-22 с образцов 1-3 приведены в таблице 2. (В исследованиях этап обработки в статических условиях не проводился с целью обработки всего объема масла в коммуникациях установки).
Результате воздействия электромагнитного поля СВЧ оценивали по двум основным трибологическим параметрам эксплуатационных свойств масел: диаметр пятна износа, характеризующий влияние масла на износостойкость трущихся поверхностей и критическая нагрузка, характеризующая влияние масла на снижение вероятности задира с увеличением нагрузки.
Таблица 2
Результаты обработки турбинного масла ТП-22 с электромагнитным полем СВЧ.
Образец, №
Контролируемые параметры
Диаметр пятна износа, Ди, мм
Критическая нагрузка, Рк, кг/с
1
0,74
53
2
0,62
60
3
0,78
64
4
0,76
67
Как видно из данных таблицы 2, в результате воздействия электромагнитного поля СВЧ на режиме работы генераторов 4 и 5 с максимальной мощностью (по 750 Вт каждый) наилучший результат снижения показателя «Диаметр пятна износа» и увеличения значения параметра «Критическая нагрузка» по сравнению с исходными данными (образец №4) получен воздействием электромагнитного поля СВЧ (образец №1) уже в течение 1 минуты. При увеличении времени обработки (образцы №№2 и 3), хотя и имеет место увеличения параметра «Критическая нагрузка», но происходит увеличение параметра «диаметр пятна износа» даже выше исходного значения. Таким образом, оптимальным режимом обработки масла ТП-22 с являются условия обработки образца 1. (Образец №1 при работе двух генераторов на полной мощности (750 Вт+750 Вт) при прокачке в течение 1 минуты объема 10,5 литров со скоростью соответственно 10,5 л/мин.).
Пример №3
В таблице 3 приведены результаты исследования моторного масла SAE SW 40 CF-4/9G электромагнитным полем СВЧ в вариантах изменения мощности генераторов и времени обработки. В таблице 3 приведены также показатели базового масла SAE SW 40 CF-4/9G (без обработки) для сравнения с результатами обработки на установке.
Таблица 3
Результаты обработки моторного масла SAE SW 40 CF-4/9G электромагнитным полем СВЧ на установке.
№ п/п
Наименование показателей
Базовое масло SAE SW40 CF-4/9G
Варианты изменения мощности генераторов и времени обработки ЭМП СВЧ
генераторы №№4, 5 общей мощностью 1500 Вт в течение 1 мин
генератор №4 мощностью 750 Вт в течение 2 мин
генераторы №№4, 5 суммарной мощностью 750 Вт в течение 2 мин
1
2
3
4
5
6
1
Вязкость кинематическая при 100°С, мм<sup>2</sup>/с
13,4
13,32
13,32
15,5
2
Индекс вязкости
169
166
160
164
3
Зольность сульфатная, %
1,15
1,14
1,17
1,4
4
Щелочное число, мг КОН на 1 г масла
8,56
8,96
8,82
11,3
5
Массовая доля механических примесей, %
0,0098
0,010
0,010
0,005
6
Массовая доля воды
следы
следы
следы
следы
7
Диаметр пятна износа, Ди, мм
0,34
0,32
0,31
0,35
8
Нагрузка критическая, Ри, кгс
94
106
100
119
Примечание: В исследованиях этап обработки в статических условиях не проводился с целью исключения потерь объема масла в коммуникациях установки.
Как видно из данных таблицы 3 наибольший эффект повышения трибологических свойств по сравнению с базовым маслом (столбец 3) произошло при обработке в течении одной минуты при работе генераторов на полной мощности (столбец 4). Результаты изменения параметров масла SAE SW 40 CF-4/9G при двух минутной обработке электромагнитным полем СВЧ одним генератором 4 (столбец 5) на мощности 750 Вт и двумя генераторами 4 и 5 (столбец 6) на суммарной мощности 750 Вт (по 375 Вт на каждый) не адекватны. Лучший результат изменения трибологических параметров (диаметр пятна износа и критической нагрузки) получен при работе двух генераторов 4 и 5 за счет наложения перпендикулярно распространенных электромагнитных полей.
На основании полученных результатов можно утверждать, что на предлагаемой установке существенно расширены возможности обработки жидкости электромагнитным полем СВЧ для обоснования рациональной технологии получения эффекта улучшения (восстановления) их свойств.
Применение полезной модели расширяет функциональные возможности установки за счет формирования разнонаправленных электромагнитных полей СВЧ с одновременным снижением потерь мощности, изменения времени обработки за счет циркуляции и изменения скорости потока обрабатываемого нефтепродукта.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
1. Публикация на интернет-сайте изготовителя www.teslacenter.ru
2. Авторское свидетельство SU 1238273 А1.
3. Публикация на интернет-сайте изготовителя www.speroni.it