Дипломная работа: Модификация нефтяного сырья в аппарате с вихревым слоем

В ходе экспериментальных исследований выявлено, что в вихревом слое зарегистрирован широкий и непрерывный спектр частот, отличающихся по интенсивности. При этом существует такая плотность вихревого слоя, при которой ЭДС обладает максимальным значением. Максимальная величина ЭДС соответствует загрузке в рабочую емкость аппарата ферромагнитных частиц в количестве, равном (0,6--0,85)К_кр. Этот максимум с увеличением частоты менее выражен.

Отношение l/d также оказывает существенное влияние на амплитуду ЭДС. При этом в области l/d = 12 - 18 амплитуда достигает максимальной величины для всего диапазона частот.

Проверка полученных результатов для другого материала (сталь сварочная 08Г2С) ферромагнитных частиц подтверждает, что выявленные закономерности характерны для ферромагнитных частиц, изготовленных из другого материала. Диаметр ферромагнитных частиц также не изменяет этих закономерностей.

Таким образом установлено, что амплитуда и частота ЭДС, характеризующая изменения локальных электромагнитных полей (а следовательно, динамику вихревого слоя), зависит в основном от плотности вихревого слоя и соотношения l/d. Поскольку электромагнитные поля могут оказывать существенное влияние па различные физические и химические процессы в вихревом слое, то приведенные зависимости должны учитываться и в каждом конкретном случае.

Совершая механические, а также магнитоострикционные колебания (из-за отставания в своем движении от движения магнитного поля и вследствие магнитоупругого эффекта при ударах), каждая ферромагнитная частица является источником акустических волн в среде, в которой образован вихревой слой. Поскольку в рабочей зоне камеры находятся тысячи частиц, то результирующие параметры акустической волны в любой точке рабочей зоны равны сумме этих параметров для каждой волны порознь. Амплитуда давления акустической волны

, (14)

Где f_i- частота колебаний i-го источника; p_0i - амплитуда колебаний давления в данной точке от i-го источника, t - время

Рис. 9. Зависимость максимальной амплитуды давлений звуковой волны от l/d никелевых частиц при d = 1 мм.

Рис. 10. Зависимость максимальной амплитуды давлении звуковой волны от массы никелевых частиц диаметром 1 мм и длиной 15 мм в вихревом слое

Исследованию подвергались акустические характеристики вихревого слоя никелевых частиц диаметром 1 мм в воде в рабочей зоне аппарата БА-100. Для измерения амплитуды и частоты акустической волны использовался предварительно оттарированный датчик из титаната бария, который устанавливался в заполненную водой рабочую камеру аппарата вне вихревого слоя на расстоянии 50 мм от его границы. Сигнал с датчика через избирательный усилитель подавался па осциллограф С1-49, с помощью которого определялась амплитуда, частота и форма исследуемой гармоники.

Установлено, что спектр частот звуковых волн в любой точке вихревого слоя непрерывный и находится в пределах от десятков периодов в секунду до нескольких мегагерц.

Па рис. 9 - 10 приведены зависимости максимального значения амплитуды давлении звуковой волны в вихревом слое от соотношения длины к диаметру и от массы ферромагнитных частиц. Максимальные амплитуды давлений соответствуют случаю, когда l/d = 15 при массе загружаемых частиц m = 200 г.

На рис. 11 показана зависимость максимального значения давления акустической волны от частоты колебаний. Особенностью кривых является наличие характерной области с ярко выраженным максимумом давлений в диапазоне частот от 10 до 15 кГц и тенденция увеличения амплитуд давлении па частотах выше 90 кГц

Рис. 11. Зависимость максимальной амплитуды давлений звуковой волны от частоты для частиц никеля диаметром 1 мм длиной 15 мм.

Для всех исследованных случаев, как правило, колебания имеют сложный характер. Зачастую колебания от каждого отдельного источника имеют затухающий характер (рис. 12, а). На низкочастотные колебания накладываются колебания более высоких частот (рис. 12, б).

Исследованиями установлено, что даже на сравнительно большом расстоянии от вихревого слоя величина звукового давления в воде достаточно большая (до 98 кПа для частоты 12 кГц), и акустическое воздействие на обрабатываемую среду в вихревом слое может оказывать существенное влияние на скорость различных физических и химических процессов. углеводород нефтяной мазут электромагнитный

В результате действия акустических воли на поверхности частиц твердей фазы, в том числе ферромагнитных частиц и реакционной камеры, имеет место кавитация. С кавитацией связано появление в обрабатываемой жидкой среде ударных волн, вызванных захлопыванием кавитационных полостей в фазе сжатия акустической волны. Вблизи захлопывающегося пузырька в жидкости могут возникать давления в несколько тысяч мегапаскалей (десятки тысяч атмосфер).

Рис. 12. Вид осциллограммы изменения давлений звуковой волны в вихревом слое частиц никеля

Исследованиями установлено, что образующиеся при кавитации газовые пузырьки под действием ультразвуковых волн подвергаются пульсации с определенной частотой..

(15)

где - отношение удельных теплоемкостей газа, которым наполнен пузырек; у -- поверхностное натяжение; с - плотность жидкости; r - радиус газового пузырька

Для каждого диаметра газового пузырька существует резонансная частота. В условиях вихревого слоя спектр частот акустической волны непрерывный. Таким образом, можно предположить, что создаются все условия для резонансных колебаний пузырьков любого диаметра. Очевидно, пузырек газа совершает резонансные колебания и в том случае, если он образован не в процессе кавитации, а введен в жидкую среду извне. Опыты показали, что в вихревом слое газ в жидкости за доли секунды диспергируется до размеров 0,1--3 мм. Для таких размеров пузырьков резонансная частота акустических колебаний находится в пределах 10 -- 100 кГц. Как видно из приведенных ранее данных, в вихревом слое именно в этом диапазоне частот наблюдается максимальная амплитуда акустических колебаний.

Акустические волны и вызванная ими кавитация безусловно оказывают сильное влияние на разрушение (износ) ферромагнитных частиц и внутренней поверхности реакционной камеры.

Кавитационные явления, вызываемые перемещением ферромагнитных элементов во вращающемся магнитном поле и оказывающие существенное влияние на изменение структуры и свойств нефтяного сырья, требуют отдельного рассмотрения.

1.6 Использование кавитации для интенсификации деструктивных превращений нефтяного сырья

Химическая природа и состав нефти, нефтяных фракций и остатков предопределяют весь комплекс их физико-химических свойств и коллоидно-дисперсное строение нефтяных систем.

Общим свойством пространственно-структурированных систем является сопротивляемость деформации и разрушению под действием внешней механической нагрузки. При достижении определенного значения механической нагрузки (предельного напряжения сдвига) структура разрушается. Проявлением этого эффекта является изменение вязкости и плотности системы.

К перспективным направлениям в создании нетрадиционных технологий и интенсификации существующих относится использование различных физических методов воздействия на нефтяное сырье. В результате такого воздействия в аппаратах различной конструкции могут реализовываться физические и химические процессы, которые в обычных условиях трудно или невозможно осуществить. Привлекательность такого рода аппаратов заключается в том, что они способны обеспечить высокую концентрацию энергии в единице объема и значительную производительность при относительно малых габаритах.

Ряд нетрадиционных методов активации жидкого сырья различной природы основан на использовании кавитации, с которой на протяжении многих десятилетий боролись как с негативным явлением. Кавитация разрушает гребные винты судов, крыльчатки насосов и помп, вызывает шум, вибрации и снижение эффективности работы гидравлического оборудования [15,16,]. Однако, очевидно, что выделяемая при кавитации в результате схлопывания пузырьков колоссальная энергия, а также большое число способов создания условий для кавитации могут с эффективностью использоваться для интенсификации многих технологических процессов.

Кавитация - образование в жидкости полостей (пузырьков), которые пульсируют, осцилируют, растут, уменьшаются, схлопываются и при этом перемещаются вместе с потоком жидкости.

К одному из первых сообщений о возможности применения кавитации для интенсификации крекинга нефтяного сырья можно, вероятно, отнести доклад, сделанный в 1960 г. на Всесоюзной научно-технической конференции по применению ультразвука в промышленности [17]. В докладе приведены результаты исследований влияния ультразвуковых колебаний на процесс легкого крекинга тяжелых нефтяных остатков при повышенном давлении. Термокрекинг проводили на лабораторной установке непрерывного действия при температуре 430-470°С и давлении 20-60МПа. Для создания ультразвуковых колебаний на входе в трубчатую печь были установлены магнитострикционные излучатели. Резонансная частота колебаний составляла 27 кГц.

В результате исследований были выявлены определенные условия наиболее эффективного действия ультразвука: температура 450°С, давление 50МПа. При этих условиях по сравнению с условиями обычного термического разложения увеличивается выход продуктов реакции: газа - в 1,3 раза, бензиновой фракции - в 1,6 раза, фракций до 350°С - в 1,6 раза.

В общем случае явление кавитации связывают с появлением в жидкости при определенных условиях многочисленных кавитационных пузырьков, которые пульсируют, осциллируют, растут, уменьшаются, схлопываются и при этом перемещаются вместе с потоком жидкости.

Необходимыми и достаточными условиями возникновения кавитационных пузырьков являются наличие в жидкости зародышей пузырьков и статического давления ниже давления насыщенных паров этой жидкости при данной температуре, так как в реальной жидкости плотность сверхкритических зародышей достаточно высока. Способ понижения статического давления принципиального значения не имеет [18, 19].

Достичь статического давления ниже давления насыщенных паров можно наложением на среду акустических волн [20-25], а также гидродинамическим путем, увеличивая скорость жидкости за счет уменьшения площади живого сечения ее потока (трубка Вентури, центробежные вихревые камеры и т.д.). Опыты по созданию гидродинамической кавитации в центробежной вихревой камере с целью воздействия на поток мазута показали: существование кавитации в окрестности вихря, стадии схлопывания пузырьков, а также понижение технологической температуры крекинга мазута.

При схлопывании пузырька в результате несферического сжатия возникают кумулятивные струйки, а в окрестности места исчезновения пузырька выделяется энергия. При этом в точке схлопывания пузырька температура может достигать 10⁴ К, а давление - 200-400МПа.

Энергия разрыва (Е_св) некоторых химических связей [26] для одного моля некоторых типов соединений приведена в табл.8. Как видно, для разрыва связи типа С-С в одной молекуле, например парафиновых углеводородов, необходимо потратить энергию:

, (16)

где N_A - число Авогадро.

Таким образом, число N молекул, в которых может быть разорвана связь при схлопывании одного кавитационного пузырька, составит:

, (17)

где - энергия, выделяющаяся при схлопывании одного кавитационного пузырька.

Это говорит о возможности крекинга углеводородов нефти путем гидродинамической кавитации. Для увеличения выхода продуктов крекинга необходимо, чтобы конструкция кавитационного аппарата обеспечивала многоцикловость кавитационного процесса и создание в потоке нефтепродукта кавитационных пузырьков максимальной плотности.

Таблица 8. Энергия разрыва связи для некоторых типов соединений.

Кавитация возникает и используется в новом отечественном устройстве - дезинтеграторе высокого давления ДА-1. В работе [27] приведены результаты поисковых исследований по выявлению возможности увеличения выхода легких фракций при переработке жидкого нефтяного сырья с помощью этого аппарата.

Дезинтеграционный агрегат высокого давления ДА-1 (экструзионный диспергатор) представляет собой аппарат для диспергирования (измельчения) нефтепродуктов на молекулярном уровне вплоть до разрушения сложных органических молекул на более простые составляющие. Принцип действия дезинтеграционного агрегата высокого давления основан на скоростном течение диспергируемых (экструдируемых) веществ в узких каналах под действием высоких и сверхвысоких давлений ( от 10 до 150 МПа). При этом в процессе обработки возникают большие напряжения сдвига, кавитационные явления при резком переходе обрабатываемых веществ из зоны высокого давления в зону нормального атмосферного давления, кроме того возникают ударные нагрузки, связанные с торможением скоростного потока диспергируемых веществ неподвижным экраном. Конструкция дезинтеграционного агрегата высокого давления ДА-1 обеспечивает подачу углеводородного сырья из расходной емкости в камеру высокого давления с помощью плунжерного механизма в диспергирующую головку, где происходит сжатие до установленного давления. Далее происходит вытеснение обрабатываемых веществ через сопловой блок диспергирующей головки, состоящий из пары сопло-заслонка, в приемную емкость. Диспергирующая головка испытывает на себе сверхвысокие нагрузки от статического давления экструдируемого вещества и динамического воздействия скоростного потока. Продавливание нефтепродуктов через узкую гомогенизирующую микрощель с регулирующим зазором шириной ~25 - 500 мкм из области высокого давления в область нормального атмосферного давления приводит к разрушению нефтепродуктов под действием кавитационного удара, развивающегося при резком перепаде давлений и сил гидравлического трения, возникающих при высокоградиентном течении жидкости. Аппарат работает как в непрерывном, так и в циклическом режиме.