При утилизации продукции нефтешламовых амбаров основной проблемой является их высокая вязкость. Одним из способов понижения вязкости — повышение температуры среды. Поэтому возникает необходимость определения зависимости вязкости данного продукта от температуры. С целью определения зависимости вязкости от температуры были проведены исследования реологических свойств нефтяного шлама.
По своим реологическим характеристикам нефтешламы относятся, как правило, к неньютоновским жидкостям. Решающее влияние на изменение реологических свойств таких систем оказывает макромолекулярный уровень организации их структуры и сильная зависимость от внешних факторов (температура, давление, физические поля, добавление реагентов и т.д.).
Макрореологические параметры несут информацию о микроструктуре нефтяных систем. Носителями структурно-механических свойств нефтяных систем являются высокомолекулярные компоненты. Присутствие высокоплавких парафинов и асфальтосмолистых веществ в нефтяных системах, их дисперсность и степень взаимодействия обеспечивают определенный уровень прочности структуры нефтяной дисперсной системы.
Нелинейное изменение вязкости нефтяных систем при нагреве обусловлено внутренней перестройкой их структуры при нагреве и переходом ее из связанного дисперсного состояния в свободное. Переход твердой фазы в жидкую характеризуется не одной температурной точкой, а областями перехода. Разность между температурами плавления и температурой кристаллизации для смеси парафинов значительно больше, чем для отдельных компонентов.
В.Г. Аванесяном 1980 г. [1, с.116] подробно рассмотрены зависимости реологических характеристик различных эмульсий от соотношения воды, асфальтосмолистых веществ и парафинов. Результаты экспериментальных исследований показали, что вязкость нефтяных эмульсий увеличивается с увеличением содержания воды вплоть до того, пока она не обратится из системы «вода в нефти» в систему «нефть в воде», вязкость которых очень мала. В настоящей работе было установлено, что чем больше содержание асфальтосмолистых веществ в эмульсии, тем ниже температура ее застывания, а чем больше содержание парафинов, тем температура застывания выше.
Для исследования температурных зависимостей вязкости использовался вискозиметр «Rheometer» по Геплеру, принцип работы которого основан на падении шарика в исследуемой среде.
Вязкость рассчитывали по формуле:
 |
(1) |
где t — время прохождения шариком фиксированного расстояния в исследуемой среде (сек.), р — давление, оказываемое шариком на исследуемую среду (г/см2), к — постоянная прибора.
На рис. 1 изображены графики зависимости вязкости образцов нефтешлама №2 и №4 от температуры. В температурном ходе образца №2 можно выделить несколько характерных участков. На первом — до 32 °С -происходит плавное снижение значения вязкости. Второй участок — от 32 до 50 °С — характеризуется резким снижением вязкости, очевидно, за счет плавления парафинов и деструктуризации асфальтосмолистых веществ. После того, как процесс плавления парафинов заканчивается (52 — 88 °С), увеличение температуры в меньшей степени влияет на изменение вязкости. Для образца №2 во всем диапазоне исследования происходит плавное снижение вязкости.
Рис. 1 Зависимость вязкости от температуры для образцов №1 (кривая 1) и №2 (кривая 2)
Для исследования зависимости вязкости от содержания воды, изготавливали образцы водонефтяных эмульсий с различным содержанием воды. На рис. 2. представлены кривые зависимости вязкости образцов от температуры при различном содержании воды, по которым видно, что вязкость нефтешлама уменьшается с повышением температуры и увеличивается с повышением концентрации воды в ней. При более высоких температурах разница в значениях вязкости становится незначительной.
Рис .2 Зависимость вязкости образца №3 от температуры при различном содержании воды.
Увеличение вязкости с повышением концентрации в них воды обуславливается увеличением взаимодействия между каплями, благодаря более тесному сближению глобул воды, вследствие чего трение между слоями увеличивается, и вязкость растёт. То есть с ростом концентрации воды резко возрастает агрегация капель, поскольку с увеличением содержания воды растет число капель, находящихся в тесной близости в каждый момент времени. При низких скоростях сдвига, не вызывающих серьезных изменений в структуре агрегатов, каждый агрегат ведет себя как отдельная сфера с объемом, большим, чем сумма объемов составляющих его капель, потому что внутри структуры удерживается некоторое количество непрерывной фазы. Это изменяет соотношение эффективных объемов дисперсной и непрерывной фаз. В условиях оптимальной упаковки агрегаты связываются в непрерывную сетку. Эти рассуждения подтверждаются фотоснимками микроструктуры образцов при различном содержании водной фазы[2].
Рис. 3 Фотографии микроструктуры образца шлама при различном процентном содержании воды.
По данным Министерство природных ресурсов и экологии Российской Федерации. (МПР) и региональному отделению (РО) “Гринпис”, потери нефти и нефтепродуктов за счет аварийных ситуаций колеблются от 17 до 20 млн. т. ежегодно, что составляет около 7% объемов добываемой в России нефти. При стоимости 1 т нефти 65-70 долл. ущерб экономике России, не считая экологического, составляет 1.1-1.2 млрд. долл.[3]В условиях когда загрязнение земли, водоемов и рек углеводородными продуктами приобретает глобальный характер, не многие могут предложить уникальный метод, при котором будет и польза и выгода. Данный метод прост, не требует значительных затрат и больших по объему предприятий, достаточно лишь питание электричеством.
Рассмотрим предлагаемый метод подробнее. После многочисленных практических исследовании, установлено, что требуется выбирать оптимальный режим работы – второй, (при этом скорость нагрева осуществляется в пределах 7-10°С/мин) указанный на графике (рис.4):
Рис. 4. Режим работы генератора
Эти данные необходимы для того, чтобы получить полный прогрев без ущерба технологическому процессу и разницы температуры колбы и отхода. Ясно и понятно, что при увеличении температуры объекта, получается больше испарений, однако это число неможет бытьчрезмерно большим,поскольку в этомслучаевозникает процессбитумизации (245°С) и сам процесс оказывается неконтролируемым, вследствие крайне высокой температуры паров и недостаточно низкой температуры охлаждающей камеры. Оптимальной нами считается следующая методика: разогрев происходит в три этапа. В первом происходит прогрев до температуры 50-60°С. Во втором этапе прогрев до 110°С и в третьем до 146°С, в этапах для которых характерно превышение температуры из указанного диапазона, применяется уменьшение мощности, указанное в техническом регламенте.В случае низкой температуры медленного измененияпоказателя, напротив – увеличение мощности генератора. Тем самым достигается оптимальное режим прогрева и контролируемый процесс облучения. Выбрав оптимальный режим прогрева, помещаем нефтешлам в колбу (4) рис.5.На рисунке 5, показана структурная схема лабораторной установки. Общая длина установки составляет– 1,14 метра.[5, с. 396-398]
Рис. 5. Структурная схема лабораторной установки:
1 — СВЧ генератор;2–соединительный волновод;
3- резонаторная камера(реактор);4 — круглодонная колба;
5 — насадка Вюрца;6-конденсатор-холодильник(обратный);
7,8-датчики температуры на решетки Брэгга;
9 –аллонж;10–приемник,
11–компьютер; 12 – охлаждающий поток воды.
Технические характеристики СВЧ генератора: потребляет переменный ток напряжением 220В и частотой 2450 МГц, с максимальной выходной мощностью 700 Вт. Размеры рабочей камеры генератора: 220х250х400мм.
Для сбора полученных нефтепродуктов используются специализированные емкостные шприцы.
Следует отметить и то, что продукт на выходе состоит из водно-иловой суспензии, легких и тяжелых фракций изамазученного остатка. Способ обработки нефтешлама заключается в его подогреве, изотермическому разделению т.е. разделению на твердую, водную и нефтепродуктовую фазы СВЧ энергией, нагретым до температуры 60-200°С. Далее выходной продукт попадает в отстойник(круглодонную колбу, изготовленную из кварцевого стекла, пропускающего энергию СВЧ излучения), после чего используются специализированные емкостные шприцы для отбора готового продукта, а замазученные механические примеси и водно-иловую суспензию обрабатывают в аппарате-культиваторе микроорганизмами и грибной микрофлорой с получением тяжелых металлов, песка и глины для использования в промышленности.[4]Изобретение высокоэффективно при обработки нефтешлама, имеет низкие затраты на переработку нефтяных отходов, и исключает из процесса использование дорогостоящих реагентов и технологий, а также обеспечивает экологическую чистоту.
Список литературы:
- В.Г. Аванесян Реологические особенности эмульсионных смесей. М., Недра, 1980. -116с.
- Р. З. Миннигалимов. Разработка технологии переработки нефтяных шламов с применением энергии ВЧ и СВЧ электромагнитных полей: диссертация на соискание доктора технических наук, Уфа, 2011.
- Министерство Природных Ресурсов и Экологии Российской Федерации [Электронный ресурс] : «На сегодняшний день выявлено почти 77 тыс. мест незаконного складирования отходов, вред почвам от этого превысил 7 млрд рублей» ; Ин-т «Пресс-служба Минприроды России». М., 2014. URL: https://www.mnr.gov.ru/news/detail.php?ID=134377&sphrase_id=536093 (дата обращения: 16.05.2014)
- Способ обработки нефтешлама : пат. 2 396219 С1 Рос. Федерация. № 2008147031/15; заявл. 28.11.08 ; опубл. 10.08.10, Бюл. №22. 9 с.
- A. Vedenkin, R.E. Samoshin, O.Yu. Zuev Laboratory complex for processing of oily waste using microwave thechnology in a Proceedings of X Anniversary International Conference on Antenna Theory and Techniques, April 21 – 24, 2015 year – Kharkiv: — Kharkiv, Ukraine: Publishing house of Ukrainian National Antenna Association, 2015. – P. 396-398.[schema type=»book» name=»ИССЛЕДОВАНИЕ РЕОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ И ИХ ПЕРЕРАБОТКА» description=»В данной работе показаны численные и экспериментальные данные, метод очищения земли более экологическим способом и экономичностьустановки переработки. Полученный выходной продукт — углеводородное сырье состоит из легких и тяжелых фракций нефти. Особенностью данных исследований заключается в том, что в настоящее время для решения проблемы инженерной защиты окружающей среды, применение СВЧ энергии является одной из выгодных видов энергии переработки нефтешлама по расчетам затрат и эксплуатации.» author=»Зуев Олег Юрьевич, Кешишев Анатолий Сергеевич, Шабров Игорь Сергеевич» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-03-20″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_30.05.2015_05(14)» ebook=»yes» ]