Пример оформления

УДК 621.396.67
Веденькин Д.А., Зуев О.Ю., Фаизов И.И.,
Галин А.В., Тимаков Н. П.
Казанский национальный исследовательский технический
университет им. А.Н. Туполева-КАИ
Адаптивная система применительно к процессам переработки
твердых нефтешламов с применением растворителей
Представлены результаты численных и экспериментальных исследований
обработанного нефтешлама с применением растворителя вода и керосин, получением
выходных продуктов и результатов его проверки. Особенностью данных исследований
заключается в использовании датчика температур на оптоволоконной решётки Брэгга.
В настоящее время для решения проблемы инженерной защиты окружающей среды,
применение СВЧ энергии является одной из выгодных по расчетам затрат и
эксплуатации.
Ключевые слова: Микроволновые технологии, обработка нефтешламов, нефтесодержащих отходов,
результаты микроволнового нагрева нефтешлама.
В настоящее время нефтедобыча в нашей стране приравнена к государственным
задачам. Каждый год в Росси добывают около 500 миллионов тонн нефти, в 2014 году в
России было добыто 525,3 млн. тонн нефти, это рекордный уровень с начала 1990-х годов.
К сожалению гонка за экспортом приносит и значительный ущерб территории нашей
страны. В частности, повышенное давление нефти в трубопроводах. и редкие замены
старых на новые, приводят ежегодно к порядку 1-2 разрывам на километр [1].
Предлагаемый способ переработки твердых нефтешламов - углеводородных
продуктов (нефтесодержащих) основан на облучении загрязненной нефтью земли –
нефтешлама СВЧ энергией. Применение растворителей такие как вода и керосин,
позволяют вытравливать в жидкую фазу углеводородную составляющею, и чем выше
температура тем больше реакция замещения. Проникающая в нефтешлам микроволновая
СВЧ энергия связывает между собой диполные молекулы воды, взаимодействуя с
компонентами углеводородов, разрушает их связи и тем самым отделяет их от земли,
уменьшая её загрязнение. Разогревая нефтешлам происходит изотермическая реакция
замещения, в результате которой, осуществляется замена одного атома или группы атомов
в исходной молекуле (субстрате) на другие атомы или группы атомов. Повышая
температуру, атомы углеводородов высвобождаются и на выходе мы получаем
углеводородное сырье.
Рассмотрим предлагаемый метод подробнее. Будем использовать частоту генератора
2450 ± 50 МГц, с максимальной мощность СВЧ сигнала 700 Вт. После многочисленных
практических исследовании, установлено, что требуется выбирать скорость нагрева в
пределах 7-10°С/мин [3] . Эти данные необходимы для того, чтобы получить полный
прогрев без ущерба технологическому процессу и разницы температуры колбы и отхода.
При высоких температурах, когда конденсатор – холодильник не способен
сконденсировать (температура выше 17°С ) выходящие пары, может возникнуть процесс
битумизации при 245°С. 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
изменения показателя, напротив – увеличение длительности работы генератора. Тем
самым достигается оптимальное режим и контролируемый процесс облучения. Выбрав
режим прогрева, помещаем нефтешлам в круглодонную колбу рис.1. На рисунке 1,
показана структурная схема лабораторного микроволнового комплекса. Общая длина
установки составляет– 1,14 метра.[2, 3]
Рис. 1. Структурная схема лабораторной установки.
Для определения температуры образующихся паров был реализован датчик
температуры на волоконно-оптической решетке Брэгга. Датчик представляет собой
стеклянную трубку длиной 15 сантиметров из тугоплавкого стекла марки К-1,
отличающейся высокой механической прочностью и термической устойчивостью. В
центре которой, установлено волокно SMF 28. На это волокно насыщенного водородом,
была записана решетка с помощью ультрафиолетового луча от твердотельного аргонного
лазера.
У решетки имеется центральная длина волны представленная на рис. 2 (нами
использовалась решетка на 1550нм., с шириной на полувысоте 1 нм.), которая при нагреве
смещается в сторону увеличения длины волны(10 пм. на 1ºС)
.
Рис. 2 - Центральная длина волны ВОД температуры.
С интеррогатора поступает световой сигнал с широким спектром. Решетка
находиться в резонаторной камере, в которой происходит нагрев нефтешлама СВЧ
излучением. При нагреве центральная длина волны смещается от первоначальной прямо
пропорционально изменению температуры в колбе. На данной длине волны от решетки
отражается сигнал с узким спектром равным ширине самой решетки и поступает обратно
в интеррогатор, где происходит детектирование полученного сигнала с последующей
передачей и обработкой на ЭВМ средствами специализированной программы.
Анализируя полученный результаты отметим: масса растворителя – воды 62гр;
масса нефтешлама 100 гр. Масса выходного продукта нефтешлама 86гр; масса приемника
(без учета массы колбы, с воднонефтянной эмульсией) – 74гр.(14 гр. углеводородного
сырья вытравили), 2 грамма из реактора улетучилось. Масса растворителя – керосин 100
гр. Масса нефтешлама 100 гр; Масса выходного продукта нефтешлама 73.7гр; Масса
приемника – 102.4гр., 26.3 гр. углеводородного сырья вытравили из нефтешлама, на 1.87
единиц получили больше углеводородного сырья, поскольку керосин является сильным
реагентом, около 26 грамм из реактора испарилось. Так же испарения могут увеличиться,
если процесс переработки будет выходить из нормированных температур, при этом
возникает процесс битумизации, когда температура паров превышает 245°С.
При использовании растворителя вода, углеводородный продукт является густой и
не смешан с водой, в СВЧ диапазоне – дисперсия является поляризацией компонентов
воды. При использовании растворителя керосин, углеводородный продукт является
жидкий.
При использовании растворителя керосин мы получили более «чистую» землю,
поскольку для обезвоживания и очищения нефтешлама с водой, требуются более высокие
температуры и более длительное время
Расчет затрачиваемой энергии: 1 баррель (американский, нефтяной) = 42 галлона ≈
0,1364 тонн нефти (в среднем по США, более точно зависит от марки нефти и
температуры/плотности) = 136,4 кг нефти = 136 400 грамм = 60 $. Если 60 разделить на
136 400 мы получим сколько стоит один грамм нефти это 0.00044 $. Если полученный
объем выходного углеводородного продукта равен 102.4 грамма = 0.04504 $ = 2.65 рубля
(при стоимости 1 доллара 58, 81 рубль).
Единственный источник потребления энергии, затрачиваемый на СВЧ установке это
магнетрон М-136 соответствует 680 Вт = при средне статистической программе обработки
нефтешлама длительностью 1,5 часа - будет затрачено 1,02 кВт = при стоимости 1 кВт = 2
рубля это составит 2,04 рубля, т.е. 0,0199 за грамм нефтешлама.
Если 1 баррель переработанный на СВЧ установки будет стоить 2 717,34 рубля,
тогда как цена за один барелль составит 3 528,6 рублей. Итого 811,26 рублей за каждый
баррель переработанный нефти.
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 водноиловую суспензию можно дополнительно обрабатывать 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.
Также был проведен первичный анализ полученных продуктов. Ниже представлены
физико-химические свойства продукта переработки:
1.) Плотность =0,793г/см3
2.) Температура вспышки = 10˚С (закрытый тигель)
3.) Вязкость = 1,382мм2/с (диаметр вискозиметра=0,34; К=0,00343; τ=403с)
4.) Показатель преломления = 1,4465 – до перегонки
5.) Показатель преломления = 1,4376 – после перегонки
6.) Однородность, низкое содержание серы
Работа выполнена при финансовой поддержке МОН РФ в рамках проектной части
госзадания на оказание услуг (выполнение работ) по организации научных исследований,
выполняемых ФГБОУ ВПО «КНИТУ-КАИ» (программа «Радиофотоника», задание
З.1962.2014/К).
Библиографический список
1. D.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.
2. 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:
http://www.mnr.gov.ru/news/detail.php?ID=134377&sphrase_id=536093 (дата обращения: 16.05.2014)
3. D.A. Vedenkin, R.E. Samoshin, O.Yu. Zuev Treatment of oil sludge using microwave energy 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. 399401.
4. Способ обработки нефтешлама : пат. 2 396219 С1 Рос. Федерация. № 2008147031/15; заявл. 28.11.08
; опубл. 10.08.10, Бюл. №22. 9 с.
5. Веденькин Д.А., Самошин Р.Э., Дорогов Д.Н. Особенности применения волоконно-оптических
датчиков измерения температуры в процессе переработки нефтешламов. Проблемы техники и технологий
телекоммуникаций ПТиТТ-2014; Оптические технологии в телекоммуникациях ОТТ-2014 Материалы
Международных научно-технических конференций. Казань, 2014. С. 141-142.