Применение ультразвука для очистки от асфальтосмолистых и парафиновых отложений на объектах транспорта и хранения нефти

Методы борьбы с АСПО.

На сегодняшний день в промышленности применяется множество методов борьбы с АСПО (рисунок 1).

Рисунок13 – Реконструкция паропровода путем увеличения задвижек

 

 

 

Принципиально эти методы различаются на превентивные (предотвращение отложений) и непосредственную борьбу с уже выпавшими отложениями. Методы, относящиеся к физическим, основаны на действии механических и ультразвуковых колебаний (вибрационные методы), а также электрических, магнитных и электромагнитных волн. Существующие вибрационные методы основаны на создании в области парафинообразования колебаний, которые, воздействуя на кристаллы парафина, вызывают их микроперемещения, что препятствует осаждению на стенках труб. Воздействие магнитных полей следует отнести к наиболее перспективным из физических методов. По мнению некоторых специалистов, образование микропузырьков газа в центрах кристаллизации после магнитной обработки обеспечивает газлифтный эффект. Под действием магнитных полей на движущуюся жидкость происходитразрушение агрегатов, состоящих из субмикронных ферромагнитных микрочастиц соединений железа, находящихся в типичных концентрациях 10–100 г/т в нефти и попутной воде. В каждом агрегате содержится от нескольких сотен до нескольких тысяч микрочастиц, поэтому разрушение агрегатов приводитрезкому (в 100–1000 раз) увеличению концентрации центров кристаллизации парафинов и солей и формированию на поверхности ферромагнитных частиц пузырьков газа микронных размеров. В результате разрушения агрегатов кристаллы парафина выпадают в виде тонкодисперсной, объемной, устойчивой взвеси, а скорость роста отложений уменьшается пропорционально уменьшению средних размеров, выпавших совместно со смолами и асфальтенами в твердую фазу кристаллов парафина.

Тепловые методы основаны на свойствах парафина плавиться при температурах выше 50 ºС и стекать с нагретой поверхности. Для создания необходимой температуры требуется специальный источник тепла, который может быть помещен непосредственно в зону отложений или вырабатывать теплосодержащий агент.

В настоящее время используются следующие технологии с применением: - горячей нефти или воды в качестве теплоносителя; - перегретого пара; - электропечей наземного и скважинного исполнения;электродепарафинизаторов (индукционныхподогревателей),осуществляющих подогрев нефти в скважине;реагентов, при взаимодействии с которыми протекают экзотермические реакции.

Недостатками данных методов являются высокая энергоемкость, повышенная электро- и пожароопасность, во многих случаях – и ненадежность конструкции при достаточно невысокой эффективности.

Существует множество работ, в которых авторы отмечают изменение физических свойств жидкостей под воздействием ультразвука, например в работе Х. Хамиди представлена разработка методики непосредственного исследования влияния ультразвуковых волн на вязкости парафина, синтетического масла и керосина при различных частотах и мощностях воздействия. Эксперименты проводились как в контролируемом, так и в неконтролируемом температурных режимах в гладкой капиллярной трубке. Результаты показывают, что вязкости жидкостей уменьшаются при воздействии ультразвука, что может происходить за счет наведенного тепловыделения и кавитации внутри жидкости. Обсуждаются и интерпретируются особенности частоты, мощности и температуры ультразвука по снижению вязкости.

 

Тепловые методы по предотвращению и удалению отложений имеют ограничения по максимально допустимым температурам эксплуатации и не могут дать требуемой эффективности. Прогрев ниже температур плавления парафинов обычно не только малоэффективен, но и из-за интенсификации тепломассобменных процессов на границе нефть – стенка может привести к увеличению отложений.

 

Анализ существующих методов по предотвращению и удалению отложений нефти в процессе трубопроводного транспорта показал отсутствие в настоящий момент эффективной технологии, которая позволила бы бороться с отложениями без прямого воздействия на состав нефти и вывода, зачищаемого оборудованиях из эксплуатации.

 

Изучение механизма ультразвукового воздействия на поверхности твердых веществ и успешный опыт его использования при обработке скважин, говорят о возможности использования ультразвукового метода для диспергирования донного осадка в резервуарах и очистки внутренней поверхности трубопроводов.

Во второй главе представлены результаты исследования силы кавитирующих полей при ультразвуковой обработке асфальтосмолопарафиновых отложений.

 

С целью определения и установления механизма разрушения АСПО с помощью кавитации, вызванной ультразвуковыми волнами, был проведен эксперимент с применением высокоскоростной камеры. Задачей эксперимента являлось определение параметров, при которых в жидкости возникают кавитационные поля и как эти поля могут влиять на АСПО.

Исследование силы кавитирующих полей при ультразвуковой обработке асфальтосмолопарафиновых отложений.

С целью определения и установления механизма разрушения АСПО с помощью кавитации, вызванной ультразвуковыми волнами, был проведен эксперимент с применением высокоскоростной камеры. Задачей эксперимента являлось определение параметров, при которых в жидкости возникают гравитационные поля и как эти поля могут влиять на АСПО.

На рисунке 2 представлена экспериментальная установка. Одной из задач эксперимента являлась визуальная фиксация того, что с помощью кавитации, вызванной в жидкости ультразвуковыми волнами, можно очищать поверхности. Следующей задачей было установление параметров ультразвукового воздействия, при которых происходит очистка каждого образца в различных условиях.

 

Для фиксации изменений в образце использовалась высокоскоростная камера (скорость съемки до 700 тыс. кадров в секунду). Для обеспечения необходимого разрешения на камеру был установлен микроскоп.

 

 

Рисунок 14 – Экспериментальная

 

установка

 

Рисунок 15 – Экспериментальный куб с испытуемым образцом на дне

 

 

Воздействие на образец осуществлялось через пьезоэлемент с помощью генератора ультразвуковых волн и усилителя. Нахождение резонансной частоты системы проводилось с использованием осциллографа.

 

Для проведения эксперимента был изготовлен куб из оргстекла толщиной 5 мм (рисунок 3). Оргстекло было нарезано частями 5 х 5см и склеен

эпоксидным клеем. Опыты проводились при атмосферном давлении и температуре. В куб помещались испытуемые образцы. Стекла для образцов были предварительно очищены и обезжирены. На них наплавлялся слой испытуемого вещества и в некоторых случаях слой уменьшался с помощью пинкотера. Затем с помощью герметика стекла прикреплялись к нижней поверхности куба с внутренней стороны. Куб устанавливали на штатив перед камерой. После этого куб заполняли дистиллированной водой. С противоположной стороны от камеры устанавливали лампу.

Для создания в жидкости кавитационного эффекта использовался пьезоизлучатель 7BB-20-6L0. Для получения ультразвуковых колебаний в среде необходимо обеспечить работу пьезокристалла в диапазоне частот от 20 кГц. Для преобразования тока использовался ультразвуковой генератор Agilent 33522A фирмы KeysightTechnologies (США), имеющий связь по частоте и амплитуде. Данный генератор синхронизировался с работой высокоскоростной камеры фирмы PHOTRON. В ходе эксперимента частота изменялась в промежутке от 20кГц. Для усиления сигнала (амплитуды) использовался усилитель фирмыTandCPowerConversion, Inc.дальнейшем эксперименты проводились на определенной резонансной частоте с изменением амплитуды, усилением сигнала и увеличением количества циклов (времени воздействия).

Парафин наплавлялся на стеклянные пластины, которые приклеивались ко дну куба. Было использовано две парафиновые модели. В первой модели парафин наносился простым наплавлением. Для второй модели в процессе застывания с помощью шприца были добавлены пузырьки воздуха. Это было сделано для исследования влияния ультразвука на содержащийся в парафине пузырек воздуха.

 

Далее для обеих систем была найдена оптимальная резонансная частота. Резонансная частота находилась с помощью осциллографа и гидрофона, опущенного в воду максимально близко к поверхности парафина. Осциллограф синхронизирован с генератором ультразвуковых волн и усилителем. На генераторе устанавливали значение амплитуды 0,1–0,5 В

 

На рисунке 4 изображен осциллограф, на котором виден ряд резонансных частот. Из этого ряда для проведения дальнейшего эксперимента был выбран ряд частот 70–75 кГц, т.к. при них наблюдается наибольший резонанс.

 

 

Рисунок 16 – Нахождение рабочей частоты системы

 

 

После нахождения оптимальной резонансной частоты осциллограф отключался от генератора, гидрофон вытаскивался из воды. Для наблюдения за поведением кавитирующих пузырьков использовалась высокоскоростная камера FASTCAM SA-X2 с микроскопом в качестве объектива (увеличение 100, разрешение 128 х 8 пикселей при максимальной съемке 1000000 кадров в секунду), также синхронизированная с генератором (рисунок 5).

 

 

Рисунок 17 – Высокоскоростная камера с микроскопом

 

Рисунок 18 – Парафиновый образец с пузырьком воздуха

14

 

 

В эксперименте с образцом с предварительно посаженным пузырьком воздуха под слой парафина (рисунок 6) воздействие осуществлялось периодами по 1 секунде. В области пузырька уже на 2-ой секунде были видны изменения образца. Они обуславливались появлением кавитирующих пузырьков в области выпуклости образца. Также наблюдалось изменение размера пузырька в парафине с конечным всплытием пузырька, таким образом, ядром чистой полости стало именно то место, где находился пузырек. И именно с этого места и начиналась очистка поверхности с помощью кавитирующих пузырьков.

На данном изображении видны белая область – очищенная и темная – парафин. Так же отчетливо видны пузырьки воздуха больших размеров (рисунок 7).

Воздействуя на образец около 1 мин можно было наблюдать значительные изменения.

Далее были проведены экспериментальные исследования на промышленном образце АСПО, предоставленном с действующего трубопровода МН ТУ-3 197 км ЛПДС «Черкассы». Ход эксперимента был аналогичен экспериментам, описанным выше. Резонансная частота составила 75 кГц, амплитуда 10 В, время одного воздействия не более 10 с.

 

До и после проведения эксперимента образец был взвешен для проведения количественного анализа результатов (рисунок 9). Масса АСПО на пластине уменьшилась на 75 %.

 

Рисунок 19 – Образец из действующего

 

трубопровода

 

 

Рисунок 20 – Образец

 

после испытания

15

 

 

Рисунок 21 – Образцы до, во время и после испытаний

 

На основе анализа проведенных исследований можно заключить, что ультразвуковые излучатели создают кавитирующие поля, которые значительно влияют на асфальтосмолопарафиновые отложения и вызывают процесс их отделения от поверхностей.

Проводились исследования зависимости амплитуды в точке подключения гидрофона от амплитуды при постоянном усилении сигнала (рисунок 10).

 

напряжения на гидрофоне, В

 

40

 

35

 

30

 

25

 

20

 

15

 

10

 

R2=98,962%

 

 

 

 

5

 

0

 

0        1         2         3         4         5         6         7         8         9        10       11

 

Напряжение на генераторе, В

 

 

 

Рисунок 22 – Зависимость амплитуды в точке подключения гидрофона от амплитуды при постоянном усилении сигнала

 

16

 

 

Установлено, что давление, измеренное на гидрофоне, изменяется нелинейно. Следовательно, и давление кавитирующих пузырьков изменяется так же нелинейно, и существует предельный тепловой эффект при ультразвуковом воздействии, выражающийся в ограниченной тепловой мощности процесса вне зависимости от увеличения входной мощности генератора колебаний.

Таким образом, при увеличении входной мощности генератора выше 30 % от его максимума не происходит явного сокращения времени достижения необходимой температуры. Следовательно, в целях оптимизации процесса ультразвуковой обработки имеет смысл проведение предварительных исследований свойств образцов АСПО и нефти, на основании которых следует производить точную калибровку и настройку преобразователей.

Исследования теплового эффекта при ультразвуковой обработкеасфальтосмолистых и парафиновых отложений в объёме нефти.

Ультразвуковой гомогенизатор создает продольные механические колебания

частотой 20 кГц посредством электрической стимуляции (обратный пьезоэффект). Входная мощность может быть задана в диапазоне от 20 % до 100 % от максимальной.

Сонотрод, установленный на консоль, увеличивает колебания и передает их в среду через всю свою фронтальную поверхность. Ультразвуковые колебания на сонотроде с механической амплитудой до 100 мкм создают в обрабатываемой среде кавитацию. Временные высокие давления и температуры, генерируемые во время этого процесса, могут вызывать реакции, благоприятные для необходимого применения.

 

Исследовалось время достижения температуры плавления парафина при различных входных мощностях и постоянной амплитуде. Стеклянная колба заполнялась парафином, который был предварительно расплавлен, и далее было выждано время для его обратного превращения в кристаллическую форму. После

этого сонотрод ультразвукового гомогенизатора UIP2000hdT был помещен в центр затвердевшего образования парафина, как показано на рисунке 23.

 

Рисунок 23 – Сонотрод, установленный в парафин

 

Термометр был установлен на расстоянии 0,04 м от сонотрода. Возможности генератора позволяли изменять мощность в диапазоне 10–100 % от максимальной мощности (2 кВт) с шагом 10 %.

 

 

Результаты эксперимента по определению времени достижения заданной температуры представлены графически на рисунке 12.

 

 

Время достижения t = 45 °C, мин

 

 

20

 

18

 

16

 

14

 

12

 

10

 

8	R2=99,460%

 

6

 

4

 

2

 

0

 

0 10 20         30         40         50         60         70         80         90         100

Входная мощность генератора, % от максимума (2000 Вт)

 

Рисунок 24 – Зависимость времени достижения температуры t = 45 °С

от входной мощности генератора

 

 

Заключение:

 

1 Анализ существующих методов по предотвращению и удалению

отложений нефти в резервуарах показал преимущества ультразвуковой обработки для размягчения и диспергирования плотных трудноудаляемых отложений, которые заключаются в отсутствии прямого термического воздействия, влияния на состав и свойства нефти, необходимости последующей очистки и утилизации жидкостей.

2 Установлено, что ультразвуковая очистка поверхности от отложений нефти в значительной мере происходит из-за проявления кавитационных полей

под действием резонансных ультразвуковых колебаний, при этом максимальная

амплитуда колебаний асимптотически стремится к определенному значению, и

равному 40В для условий эксперимента.

3 Экспериментально установлено наличие синергетического эффекта кавитирующего и теплового полей, позволяющего производить диспергирование

донного осадка с большей скоростью по сравнению с только тепловым воздействием той же мощности.

4 Разработанная математическая модель процесса ультразвуковой обработки нефти, учитывающая косвенный тепловой эффект резонаторов, позволила оценить среднюю величину увеличения тепловой мощности процесса – в 1,5 раза по сравнению с обычным нагревом, и определить радиус эффективного действия ультразвуковых излучателей, лежащий в пределах от 0,5 до 1,0 м в зависимости от типа резонат