Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации составляет 131 страницы, включая 55 рисунков, 6 таблиц и список литературы из 150 наименований.
В первой главе приведен обзор литературных источников по вопросам классификации нефтешламовых амбаров и физико-химическим характеристикам их продукции. На основе литературных источников анализируется экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе. Приведен литературный обзор существующих технологий переработки нефтешламов.
Втора глава посвящена экспериментальному исследованию влияния ВЧ ЭМ поля на электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных шламов, нефтезагрязненного грунта при различных соотношениях углеводородной и твердой частей.
Проведением экспериментальных исследований по изучению теплофизи-ческих, электрофизических и реологических свойств многофазных гетерогенных сред и основываясь на известных теоретических представлениях и экспериментальных работах, установлено:
-нефтяные шламы, представляющие собой многофазную гетерогенную среду, являются слабопроводящими диэлектриками; особенности поведения этих сред во внешнем электромагнитном поле обусловлены поляризацией двойного электрического слоя и возникновением в результате этого индуци-
рованного дипольного момента дисперсных частиц;
-при воздействии мощных электромагнитных полей с оптимальным подбором всех его параметров (напряженности, частоты и величины градиента поля, времени воздействия) на многофазные гетерогенные среды, в них возникают процессы, способствующие интенсивному разделению фаз.
Приведены экспериментальные данные по определению теплоемкости и теплопроводности ряда образцов нефтешламов. Например, были измерены электрофизические характеристики нефтезагрязненного грунта с процентным содержанием нефти в них от 10% до 90%, а также чистой нефти и сухого грунта. Результаты экспериментов показали, что значения диэлектрической проницаемости е1 и тангенса угла диэлектрических потерь tgb нефтезагрязненного грунта могут быть больше, чем значения б' и tgb для нефти и сухого грунта в отдельности.
На основе результатов экспериментов была получена полуэмпирическая зависимость относительной диэлектрической проницаемости многофазной гетерогенной дисперсной системы от соотношения углеводородной, воздушной и твердой фазы, учитывающая прирост диэлектрической проницаемости за счет поляризации двойного электрического слоя, образованного на поверхности твердых частиц в адсорбционном слое асфальтосмолистых компонентов нефти.
На базе этих экспериментов показана возможность оценки времени установления адсорбционного равновесия, основанная на том, что асфальто-смолистые соединения, адсорбируясь на частицах грунта, увеличивают значения электрофизических характеристик среды. По результатам этих исследований можно оценить время образования адсорбционной пленки, следовательно, изучением электрофизических свойств гетерогенных сред можно получить более полную информацию об адсорбционных процессах, происходящих в нефтенасыщенных средах.
Далее во второй главе исследуется влияние воздействия ВЧ ЭМ поля
на электрофизические свойства нефтяных шламов и нефтезагрязненных поч-венно-водных сред. Обнаружено, что происходит уменьшение значений диэлектрической проницаемости, вызванное отслоением воды. Что касается тангенса угла диэлектрических потерь после воздействия ВЧ ЭМ поля, полностью прекращается рост tgd с увеличением частоты ЭМ поля. Это объяснится тем, что в результате отслоения воды исчезает дисперсия диэлектрической проницаемости, следовательно, и рост тангенса угла диэлектрических потерь, вызванная поляризацией поверхности раздела фаз. При этом также уменьшается абсолютное значение tg&.
При утилизации продукции нефтешламовых амбаров и очистке нефтяных резервуаров от донных остатков, основной проблемой является их высокая вязкость и, как правило, её нелинейная зависимость от температуры. Были проведены экспериментальные исследования реологических свойств нефтяных шламов.
Полученные результаты показали, что зависимость вязкости г\(Т) не является монотонной; как правило, наблюдаются три характерных участка снижения вязкости, на каждом из которых функция ц(Т) может быть описана экспоненциальной зависимостью с разными показателями степени.
Воздействие ВЧ ЭМ поля складывается из теплового и менее заметного силового действия (пондеромоторных и термомеханических сил, термодиффузии и т.д.). Очевидно, что, чем выше температура среды, тем менее заметно влияние ВЧ ЭМ поля, это подтверждается экспериментами по изучению реологических свойств нефтешламов.
В третьей главе экспериментально исследуются воздействия ВЧ ЭМ поля на нефтяные шламы. Приводится описание лабораторного стенда, на котором производилась обработка нефтешлама ВЧ ЭМ полем, и методика проведения эксперимента. Для сравнения результатов ВЧ ЭМ воздействия с тепловым воздействием, проведены экспериментальные исследования индукционного нагрева нефтешламов.
Приведены количественные результаты воздействия ВЧ ЭМ поля на нефтяные шламы, нефтезагрязненный грунт. Установлено, что вода, которая присутствует в нефтешламе, в устойчивой эмульсии, отслаивается. Из неф-тезагрязненной почвы выделяется углеводородная часть.
Изучению влияния ЭМ полей на устойчивость водонефтяной эмульсии посвящены теоретические и экспериментальные работы Ф.Л. Саяхова, B.C. Хакимова, Н.Ш. Имашева, Р.М Башировой, Г.М. Панченкова, Л.К. Цабек, А.Г. Мартыненко, В.П. Тронова. Однако в этих работах не исследовались сверхустойчивые эмульсии нефтяных шламов.
Показано, что нагрев нефтяных резервуаров высокочастотным электромагнитным полем является быстрым и энергетически выгодным методом.
В четвертой главе описана технология и устройство утилизации нефтяных шламов в промышленных условиях. Приведена конструкция высокочастотного четвертьволнового электромагнитного резонатора для промышленной утилизации шламов, на которую получен патент РФ. Конструкция данной установки позволяет использовать все механизмы, способствующие разделению многокомпонентной гетерогенной среды на отдельные составляющие (разрушение бронирующей оболочки, диполофорез, электрокоагуляция). Описана технология утилизации нефтешламовых амбаров.
Автор выносит на защиту:
1. Результаты экспериментальных исследований воздействия ВЧ ЭМ поля на электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов показывающие возможность применения ВЧ ЭМ поля для утилизации нефтяных шламов. Полуэмпирическую зависимость диэлектрической проницаемости многофазных гетерогенных дисперсных систем от соотношения воздушной, твердой и углеводородных составляющих.
2. Обоснование возможности определения времени образования адсорбционной пленки из асфальтосмолистых компонентов на поверхности твердых
дисперсных частиц и времени установления адсорбционного равновесия, основанную на исследовании электрофизических свойств дисперсной среды.
3. Результаты экспериментальных исследований процесса разрушения устойчивых и сверхустойчивых эмульсий нефтешлама ВЧ ЭМ воздействием.
4. Конструкцию высокочастотного электромагнитного четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов.
ГЛАВА 1. КЛАССИФИКАЦИЯ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕФТЯНЫХ ШЛАМОВ
1.1. Образование и накопление амбарных шламов, их компонентный состав и физико-химические свойства
По происхождению нефтешламы условно можно подразделить на группы, различающиеся по физическим свойствам:
- сбросы при подготовке нефти на добывающих предприятиях;
- сбросы при очистке нефтяных резервуаров;
- нефтесодержащие промывочные жидкости, используемые при производстве буровых работ;
- сбросы при испытании и капитальном ремонте скважин;
- аварийные разливы при добыче и транспортировке нефти;
- амбарные деградированные нефти.
Нефтяные шламы могут занимать огромные объемы и площади, например, только в НГДУ "Туймазанефть" АНК «БашНефть» ежегодно образуется около 8 000 т нефтешламов, которые при отсутствии технологии их обезвреживания являются источниками загрязнения окружающей среды [14]. Так, при очистке только одного нефтяного резервуара объемом 5 000 м3образуется около 200 м3 нефтешлама.
По данным на 2000 год только на территории республики Башкортостан насчитывается около 2 млн. тонн нефтяных шламов [15].
Нефтяные шламы, накапливаемые в амбарах, представляют собой сложную смесь окисленных углеводородов (смол, асфальтенов, парафина), песка, растительного слоя земли, воды, солей, различных химических реагентов, использованных в процессе добычи, сбора и подготовки товарной нефти. В амбарах сосредоточены так называемые ловушечные нефти и замазученная почва, образующаяся в результате разлива нефти на поверхности. Со временем происходит процесс испарения и дальнейшего окисления нефти, формирования тяжелых остатков, состоящих практически из асфальто-смолистых
веществ, не позволяющих обычными средствами удалить воду, соли и мех-примеси.
Большое влияние на амбарный шлам имеет солнечное излучение. В работе [16] описаны процессы радиолиза углеводородов под действием высокоэнергетического электронного и гамма-излучения, инициирующих глубокие химические превращения в нефтяном сырье. Ультрафиолетовое излучение, входящее в состав солнечного света, обладая гораздо меньшей ионизирующей способностью по сравнению с высокоэнергетическим электромагнитным излучением (рентгеновское, гамма-излучение), тем не менее, также может приводить к заметному радиолизу углеводородов, входящих в состав нефтепродуктов, и, как следствие, к изменению химического состава и физико-химических характеристик нефтепродуктов, повышению их среднего молекулярного веса, увеличению плотности, вязкости и других параметров.