Содержание
Введение ...4
Глава 1. Классификация и физико-химические характеристики нефтяных шламов ...13
1.1. Образование и накопление амбарных шламов, их компонентный состав и физико-химические свойства...13
1.2. Экологический вред, причиняемый нефтяными шламами природе. 16
1.3. Существующие технологии переработки амбарных шламов...21
Глава 2. Исследование электрофизических, реологических и теплофизических свойств продукции нефтешламовых амбаров...31
2.1. Особенности электрофизических свойств нефтяных шламов...31
2.2. Экспериментальное определение электрофизических характеристик нефтяных шламов...44
2.2.1. Методика проведения экспериментов и объекты исследования...44
2.2.2. Экспериментальные исследования электрофизических свойств нефтяных шламов...50
2.2.3. Экспериментальные исследования времени образования адсорбционной пленки методом высокочастотной диэлектрической спектрометрии...63
2.2.4. Экспериментальные исследования влияния воздействия высокочастотного электромагнитного поля на электрофизические характеристики нефтяных шламов...66
2.3. Исследование теплофизических свойств нефтяного шлама...69
2.4. Экспериментальные исследования реологических свойств нефтяных шламов...71
Глава 3. Экспериментальные исследования воздействия высокочастотного электромагнитного поля на нефтяные шламы...78
3.1. Экспериментальные исследования нагрева нефтяных шламов высокочастотным электромагнитным полем...78
3.1.1. Разработка лабораторной модели высокочастотного четвертьволнового резонатора...78
3.1.2. Экспериментальная модель и методика проведения эксперимента82
3.1.3. Сопоставление результатов экспериментальных исследований высокочастотного и индукционного нагрева...85
3.1.4. Анализ результатов экспериментов...89
3.2. Экспериментальные исследования разложения нефтяных шламов при воздействии высокочастотным электромагнитным полем...93
Глава 4. Разработка технологии воздействия высокочастотного электромагнитного поля на нефтяные шламы...108
4.1. Высокочастотный четвертьволновый резонатор в качестве утилизатора амбарных шламов в промышленных условиях...108
4.2. Согласование резонатора с генератором...110
4.3. Принципиальная схема утилизации нефтешламовых амбаров...113
Основные результаты ...117
Список литературы ...118
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
Главная задача, ставшая перед человечеством в начале третьего тысячелетия - это охрана окружающей среды. Так, 9 статья Конституции РФ гласит: «Земля и другие природные ресурсы используются и охраняются в Российской Федерации как основа жизни и деятельности народов, проживающих на соответствующей территории»[1].
Одним из основных источников загрязнения окружающей среды в результате техногенной деятельности человека являются предприятия нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности. В результате аварийных ситуаций в трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов, а также в результате производственной деятельности предприятий нефтепереработки, в нашей стране накопилось огромное количество нефтешламов, которые усугубляют экологическую ситуацию. Надо акцентировать внимание на том, что нефтешламовые амбары находятся в местах, недоступных полю зрения большинства населения страны, и поэтому не столь заметны, как, например, выбросы заводских газов в атмосферу, но, несмотря на это они причиняют большой вред природе.
Актуальность проблемы утилизации нефтяных шламов обуславливается двумя основными задачами: во-первых, это охрана окружающей среды, а во-вторых, использование содержащегося в их составе вторичного сырья (углеводородов, редких металлов и других полезных компонентов).
Нефтяные шламы, накапливаемые в амбарах, представляют собой сложную многофазную гетерогенную среду из смеси окисленных углеводородов (смол, асфальтенов, парафина), песка, растительного слоя земли, воды, солей, различных химических реагентов, использованных в процессах добычи, сбора и подготовки товарной нефти. Накопление и хранение нефтесодер-жащих шламов в амбарах происходит в течение многих лет. Они занимают
существенные площади земли, создают серьезную угрозу окружающей среде, т.к. проникают в почву, попадают в источники воды, испаряются в атмосферу и являются причиной потери значительного количества углеводородного сырья.
Многокомпонентный состав продукции нефтешламовых амбаров, наличие в них различных химических соединений создают многие проблемы в разработке технологии обработки, извлечения из них товарной нефти, очистки от нефтепродуктов твердого остатка. Высокая вязкость, повышенное содержание механических примесей и, самое главное, высокая агрегативная устойчивость амбарных эмульсий обусловлены, главным образом, повышенным содержанием асфальтенов, смол, парафинов и других компонентов.
На сегодняшний день существует множество технологий утилизации нефтяных шламов, основанных, например, на химическом разделении (применение различных деэмульгаторов, химических реагентов и их композиций), применении растворителей (ШФЛУ, бензин, газойль т.д.), механическом разделении (гравитационный отстой, фильтр- прессы, центрифугирование и т.д.), применении высоких температур, обработке нагретым теплоносителем, промывке дренажной водой, сжигании в специальных печах, биологические методы разложения и т.д.[2-7]. Все эти методы с разной долей успеха испытывались и применялись как в отечественной, так и в зарубежной практике. Однако ни один из них в чистом виде не дал положительных результатов.
Одним из способов, способствующих существенному снижению агре-гативной устойчивости и вязкости нефтяных шламов является воздействие мощного высокочастотного электромагнитного (ВЧ ЭМ) поля резонансной частоты, предложенный Ф.Л. Саяховым [8-13].
Целью работы является:
1. Экспериментальное изучение влияния воздействия ВЧ ЭМ поля на электрофизические, теплофизические и реологические свойства нефтяных
шламов и нефтезагрязненных грунтов.
2. Экспериментальное исследование процесса нагрева нефтяных резервуаров ВЧ ЭМ полем с целью очистки их от донных остатков.
3. Разработка конструкции установок для утилизации нефтяных шламов воздействием ВЧ поля в промышленных условиях.
Научная новизна работы.
1. Измерены электрофизические, реологические и теплофизические параметры нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов при различном соотношении углеводородной, водной и твердой части, выявлены закономерности их качественного и количественного изменения после ВЧ ЭМ воздействия. Обнаружена аномальная зависимость значений электрофизических параметров от концентрации углеводородной и твердой части в неф-тешламе, обусловленная поляризацией двойного электрического слоя и пленочными эффектами; предложена полуэмпирическая формула для комплексной диэлектрической проницаемости рассмотренных дисперсных систем, описывающих эту зависимость.
2. Обоснована возможность определения времени образования адсорбционной пленки из асфальтосмолистых компонентов нефтяного шлама на поверхности твердых дисперсных частиц и времени установления адсорбционного равновесия, основанная на исследовании электрофизических свойств дисперсной среды.
3. Показано, что при воздействии ВЧ ЭМ поля разрушение структуры и нагрев нефтяных шламов и нефтезагрязненных грунтов является быстрым, энергетически и экономически более выгодным, чем другие способы воздействия.
4. Разработана конструкция ВЧ ЭМ четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов в промышленных масштабах, защищенная патентом РФ.
Практическая ценность
1. Разработана конструкция ВЧ ЭМ четвертьволнового резонатора для утилизации нефтяных шламов в промышленных масштабах, защищенная патентом РФ.
2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований электрофизических свойств многофазных гетерогенных сред необходимы для практической реализации воздействия на них ВЧ ЭМ поля. Эти результаты могут быть использованы также для создания влагомеров, учитывающих присутствие механических примесей (почвы, песка) и газа в измеряемой среде, в частности, углеводородной.
Достоверность экспериментальных измерений электрофизических, теплофизических и реологических характеристик исследуемых объектов проверялась тестовыми измерениями химически чистых жидкостей
Достоверность результатов по разложению сверхустойчивых эмульсий нефтешлама и выделению углеводородной части из нефтезагрязненных грунтов воздействием ВЧ ЭМ поля подтверждена многочисленными экспериментами при различных технологических режимах, которые проводились в течение нескольких лет. Производилась микрофотосъемка этих процессов, что давало визуальное подтверждение результатов.
Апробация работы. Основные результаты, полученные в диссертационной работе, докладывались на республиканских конференциях аспирантов и молодых ученых (БашГУ, Уфа, 1998-2004 г.г.), на научно-практической конференции «Решение проблем освоения нефтяных месторождений Башкортостана» (БашНИГТИНефть, Уфа 1998 г.), на республиканской научно практической конференции «Состояние и перспективы использования геофизических методов для решения актуальных задач поисков, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» (ВНИИГИС, г. Октябрьский, 1999 г.), на II Всероссийской научно-практической конференция «Отходы-2000», (Уфа, 2000 г.), на XXII - XXV школах-семинарах по проблемам меха-
ники сплошных сред в системах добычи, сбора, подготовки, транспорта и переработки нефти и газа, проведенных под руководством академика А.Х. Мирзаджанзаде (ИПТЭР, Уфа, 1998-2002 г.г.), на международной конференции «Фундаментальные проблемы разработки нефтегазовых месторождений, добычи и транспортировки углеводородного сырья» (ИПНГ РАН, Москва, 2004 г.)
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 16 научных работах и 2 патентах РФ