Современное состояние исследований переработки нефтешлама и нефтесодержащего техногенного сырья

Высокий КПД электрогидравлического эффекта, а также уникальные возможности электрогидравлического воздействия являются основой для широкого применения электрогидравлического эффекта во всех областях народного хозяйства.

Механическое воздействие жидкости на объекты, помещенные вблизи канала разряда, получаемого по традиционной схеме с прямым подключением конденсатора на разрядный промежуток в жидкости, практически ничтожно для жидкостей с ионной проводимостью и сравнительно ощутимым лишь среде жидких диэлектриков. Оно определяется весьма незначительными давлениями внутри парогазового пузыря, возникающего вокруг зоны разряда. Создающиеся в жидкости гидравлические импульсы имеют пологий фронт и значительную длительность протекания, при этом обладают большой мощностью.

В связи с этим необходимо выполнение условий, при которых действие гидравлических импульсов могло бы быть резко усиленно. Для этого требуется уменьшить толщину парогазовой оболочки и сократить продолжительность разряда, в сечении которого она создается. Одновременно необходимо повысить мощность единичного импульса.

Решить эту задачу оказалось возможным путем разработки принципиальной электрической схемы, которая обеспечила подачу тока на рабочий промежуток в виде короткого импульса при помощи мгновенного "ударного" подключения накопителя энергии.

С этой целью был введен в электрическую схему формирующий воздушный искровой промежуток, что позволило в жидкостях с ионной проводимостью изменить характер искрового заряда, резко усилить его механическое действие (рисунок 1.1) [2,3].

Дополнительный формирующий воздушный промежуток позволяет накапливать заданное количество энергии с импульсной подачей на ее основной промежуток; значительно сократить длительность импульса и предотвратить возникновение колебательных процессов; создавать крутой фронт импульса, исключая возможность перехода к дуговому разряду; получать при заданном основном межэлектродном промежутке любые из допустимых для используемого источника питания значения тока и напряжения; регулированием длины формирующего промежутка изменять форму импульса и характер разряда на основном рабочем промежутке в жидкости. Именно формирующий промежуток явился обострителем импульса тока, позволившим перейти к напряжениям гораздо большим, чем напряжение пробоя рабочего промежутка в жидкости.

Таким образом, для создания электрогидравлических ударов предложена схема, включающая источник питания с конденсатором в качестве накопителя электрической энергии. Напряжение на конденсаторе повышается до значения, при котором происходит самопроизвольный пробой воздушного формирующего промежутка, и вся энергия, запасенная в конденсаторе, мгновенно поступает на рабочий промежуток жидкости, где и выделяется в виде краткого электрического импульса большой мощности. Далее процесс при заданных емкости и напряжении повторяется с частотой, зависящей от мощности питающего трансформатора и электрофизических характеристик среды в межэлектродном промежутке.

(R - зарядное сопротивление; Т_Р - трансформатор; V - выпрямитель; ФП - формирующий искровой промежуток; РП - рабочий и искровой промежуток в жидкости; С - рабочая емкость - конденсатор)

Рисунок 1.1-Электрическая схема для воспроизведения ЭГС с одним формирующим промежутком

Опытным путем [1] была установлена возможность широкого варьирования параметрами принципиальной электрической схемы, воспроизводящей электрогидравлический эффект. Это дало основание ввести понятие "режим работы" силовой установки, подразумевая под этим значения основных параметров схемы: емкости и напряжения [23, 4]. Были определены 3 основных режима: жесткий, U больше или равно 50кВ; С меньше либо равно 0,1 мкФ; средний - 20 кВ<U<50 кВ; 0,1мкФ<С<1,0мкФ; мягкий - U<20 кВ; С>1,0мкФ.

Электрогидравлический эффект и его применение в нефтехимии и нефтепереработке. Использование электрогидравлического эффекта в химической промышленности и химическом машиностроении - одно из самых перспективных, но пока и наименее освоенных направлений в развитии электрогидравлики [1].

Теоретически обосновано и подтверждено экспериментами, что электрогидравлический эффект как метод механического, физического и химического воздействия на материалы может эффективно применяться для многих целей в химической промышленности: при полимеризации - усложнение молекулярной структуры веществ, получение блок-полимеров, привитых полимеров и т.п; деполимеризации - упрощение молекулярной структуры веществ; синтезе химических соединений - получение уже известных или новых соединений; повышении активности катализаторов; ускорении химических реакций; образовании многовалентных ионов, возникающих под влиянием сверхмощных полей, давлений, температур и других факторов, сопутствующих процессу электрогидравлической обработки; выпадении остатков - ускорение кристаллизации или замедление ее; ускорение растворения веществ; обрыве сорбционных и других слабых химических связей с переходом в раствор, связанных с обрабатываемым материалом химических элементов или соединений [1].

В результате многочисленных экспериментов выявлено возможность дробления руд с применением электрогидроимпульсного воздействия с целью выделения из них урана, а также многих редких и рассеянных элементов из горных пород. Определены пути увеличения прочности гальванических покрытий с возможностью покрытия впадин и выемок в изделиях при импульсном электролизе о чистки производственных стоков от различных химических загрязнений и другие направления использования импульсной электрохимии. Определенная часть импульсной электрохимии находит применение в агропромышленных отраслях для получения комплексных удобрений, химической и биологической отчистки сточных вод, обеззараживания органических субстратов, переработки растительного и животного сырья [1,2].

Электрогидравлические удары способны весьма эффективно и быстро смешивать между собой в виде высокодисперсных эмульсий самые разнообразные вещества, которые затем могут долгое время не расслаиваться [2,3]. Достигаемая дисперсность эмульсий зависит как от свойств самих смешиваемых компонентов, так и от энергии, затраченной на изготовление эмульсии, а при заданной энергии импульса - от времени обработки путем ее воздействия электрогидравлическим эффектом. Эмульсии двух или нескольких несмешивающихся жидкостей могут быть получены различными способами, каждый из которых осуществляется с помощью специального устройства [3].

Электрогидравлические удары, диспергирующие жидкости в эмульсии, могут осуществляться как внутри объема самих смешиваемых жидкостей, так и вне его [4]. Учитывая, что многие жидкости (в том числе и вода) при электрогидравлическом воздействии претерпевают значительные химические изменения, осуществление электрогидравлических ударов внутри объема жидкости может оказаться нежелательным. В этом случае электрогидравлические удары осуществляют в объеме вспомогательной жидкости (обычно воды), отделенной от объема, занятого смешиваемыми жидкостями, какой-либо эластичной мембраной (например, резиновой или из гофрированного металла) [5].

На рисунке 1а представлен электрогидравлический эмульгатор для получения эмульсии, в котором электрогидравлический удар осуществляется в объеме одной из жидкостей (более тяжелой), на поверхность которой налита вторая (более легкая) жидкость. Устройство работает в непрерывном режиме, для чего в него постоянно вводятся смешиваемые жидкости, выводится образующаяся эмульсия. На рисунке 1б изображено устройство для непрерывного получения эмульсии с разделением эластичной резиновой мембраной объемов, занятых смешиваемыми жидкостями, и вспомогательной жидкости, в которой осуществляются электрогидравлические удары.

1 - крышка; 2 - объем, заполненный более легкой жидкостью; 3 - отвод готовой эмульсии; 4 - объем, заполненный более тяжелой жидкостью; 5,6 - патрубки для подачи тяжелой и легкой жидкостей соответственно; 7 - мембрана; 8 - отвод и подвод рабочей жидкости; 9 - объем, заполненный рабочей жидкостью (водой)

Рисунок 1.Электрогидравлические эмульгаторы: а - без мембраны; б - с мембраной

Для экстрагирования компонента из твердых тел с образованием эмульсии разработаны устройства, приведенные на рисунке 2 а (для твердых тел, всплывающих в данной жидкости) и на рисунке 2 б, (для твердых тел, тонущих в данной жидкости). Устройство, приведенное на рисунке 2 б, выполнено с отделением рабочего объема со вспомогательной жидкостью эластичной мембраной [6].

Устройство, изображенное на рисунке 2 а, целесообразно применять, например, для получения масла из всплывающего исходного сырья (в частности, из семян хлопка) [7]. Под действием электрогидравлических ударов содержащееся в твердом сырье масло переходит в воду, образуя эмульсию, и одновременно стерилизуется. Затем из полученной эмульсии обычными приемами (например, сепарацией) извлекается масло. Для получения жира из тонущего сырья (например, из животных тканей) может быть использовано изображенное на рисунке 2 б устройство, в котором сырье отделено от зоны разряда эластичной мембраной [8]. Выделяющийся из сырья жир переходит в воду, образуя эмульсию. Затем жир извлекается из эмульсии обычными способами.

1 - электроды; 2 - сетка входных отверстий в корпусе; 3 - приемный бункер; 4 - выводной патрубок; 5 - подвод жидкости и обрабатываемого материала; 6 - мембрана

Рисунок 2. Электрогидравлические экстракторы - эмульгаторы; а - без мембраны; б - с мембраной

Электрогидравлической обработкой можно получать стойкие эмульсии самых различных веществ, например, бензин - вода, китовый жир - вода и т.п., можно также гомогенизировать обычное молоко. Некоторые эмульсии, полученные этим путем, не расслаиваются годами. Так, эмульсия с составом:

6 л воды на 7 л нефти, полученная электрогидравлическим эмульгированием на режиме не расслаивается в течение трех лет и более [9].

Электрогидравлический способ получения эмульсий чрезвычайно перспективен для получения стерильной эмульсии. В одном из опытов полученная электрогидравлическим эмульгированием эмульсия из подсолнечного масла и воды вводилась в кровь подопытным кроликам. Из 14 подопытных животных ни один не погиб, хотя исходные продукты были далеко нестерильны (водопроводная вода, разливное масло). Отсюда можно сделать вывод не только о высокой дисперсности полученной эмульсии (ее частицы беспрепятственно прошли через капилляры), но и обеззараживающем действии электрогидравлического эмульгирования [4].

С целью получения высокого КПД электрогидравлических устройств для эмульгирования и перемешивания материалов была разработана установка, использующая вакуум кавитационной полости. В этой установке один из электродов выполнен полым, через него в зону наиболее эффективного воздействия - непосредственно в кавитационную полость - подается материал. Усилить эмульгирующее действие электрогидравлического эффекта можно также кумулятивным действием сверхвысоких давлений. Для этого среду, в которой осуществляется электрогидравлическая обработка, подвергают сжатию при помощи теплового взрыва с фокусированием взрывающихся тепловых элементов, выполненных, например, в виде конуса [10].

Усиливает эмульгирующее действие электрогидравлического эффекта и специальная форма рабочей камеры (рисунок 3) с расположением электродов на определенной глубине, обеспечивающей выброс жидкости (использование эффекта воздушной кавитации) [11], а также установление над жидкостью перегородки с приспособлением, позволяющим изменять угол ее наклона к поверхности жидкости.

1 - отражатель; 2 - уровень рабочей жидкости; 3 - электрод

Рисунок 3 - Электрогидравлический эмульгатор, использующий метод воздушной кавитации

Электрогидравлическое эмульгирование и экстрагирование лекарственных веществ из растительного сырья успешно применяются в Болгарии. Процесс эмульгирования наиболее эффективен в непосредственной близости от зоны разряда, но эффективность эмульгирования быстро падает с удалением от зоны разряда. Опытным путем установлено, что при дальнейшем увеличении расстояния от зоны разряда эффект эмульгирования не только полностью исчезает, но и сменяется обратным процессом - деэмульгированием [7].

Таким образом, наливая эмульсию в удлиненный сосуд, в нижней части которого осуществляются электрогидравлические удары, можно получить в его верхней части постепенное расслоение этой эмульсии на составляющие ее компоненты. Процесс деэмульгирования может быть осуществлен как непрерывный. На рисунке 4 приведено устройство для непрерывного деэмульгирования. Эмульсия, непрерывно подаваемая в корпус устройства по трубопроводу и подлежащая разделению, поступает в среднюю часть деэмульгатора и разделяется в нем. Более легкий компонент, всплывая, удаляется по трубопроводу, расположенному в верхней части устройства, более тяжелый, собираясь внизу, удаляется по трубопроводу, расположенному в нижней его части. Разряд осуществляется во вспомогательной жидкости, которая отделена от рабочего объема эластичной мембраной [10,11].

1 - отвод легкого компонента; 2 - объем, занятый разделяемой эмульсией; 3 - мембрана; 4 - отвод тяжелого компонента; 5 - подача эмульсии; 6 - всплывающий более легкий компонент

Рисунок 4 - Электрогидравлический деэмульгатор

Любая жидкость, содержащая растворенные газы, подвергнутая действию электрогидравлических ударов, обнаруживает способность интенсивно выделять растворенные в ней газы [10]. В жидкостях, ионная проводимость которых невысока (например, в морской воде), электрогидравлический удар, необходимый для удаления растворенных в ней газов, может быть получен от специально сформированного в этой воде искрового заряда. В жидкостях с высокой ионной или электронной проводимостью, в которых искровой заряд затруднен (или практически невозможен), следует воспользоваться методом получения электрогидравлических ударов с помощью теплового взрыва. В необходимых случаях (например, при обработке расплавов) электрическую или тепловую изоляцию, выполняют из тугоплавкого керамического материала.

Необходимо отметить, что при электрогидравлической дегазации жидких сред (например, расплавов) одновременно может осуществляться и очищение этих сред от всякого рода механических примесей, например, шлаков, которые при этом всплывают на поверхность и затем обычными способами удаляются из жидкости [12,13].

Если в данной жидкости создать разряд или осуществить тепловой взрыв по каким-либо причинам затруднительно, то электрогидравлический удар следует осуществить в объеме другой жидкости (чаще всего в воде), а его действие передать через мембрану, стенку или стержни на объем обрабатываемой жидкости, либо соприкасающейся с данной мембраной, стенкой, либо имеющей погруженные в нее, передающие возмущение стержень или шток. Хотя действие электрогидравлического удара будет в этих случаях ослабленным, тем не менее, дегазация произойдет [14].

В проведенных опытах электрогидравлической обработке подвергались различные жидкости, содержащие растворенные газы, при этом определялось дегазирующее действие отдельных факторов, составляющих электрогидравлический эффект. Эксперименты показали, что электрогидравлическое воздействие на жидкость как фактор газовыделения является не только комплексным, но и таким, при котором отдельные составляющие его оказывают друг на друга взаимно положительное влияние. Например, образующиеся ионы и кавитационные пузырьки служат центрами газовыделения. Каждый из действующих факторов, составляющих электрогидравлическое воздействие на жидкость, оказывает положительное газовыделяющее влияние на другие, в силу чего газовыделяющий эффект превышает сумму эффектов отдельных составляющих. Сравнивалась эффективность электрогидравлического воздействия с известными методами дегазации жидкости (например, нагреванием). Установлено, что дегазирующее воздействие единичного электрогидравлического удара с запасенной энергией в накопителе, равной 25кДж на единицу объема жидкости, содержащей растворенные газы, оказывается в 3 раза эффективнее нагревания [15].

Поскольку различные газы, входящие в состав какой-либо газовой смеси, растворяются в жидкостях и выделяются из них неодинаково, представляется возможным разделить или обогатить какими-либо газами любую газовую смесь. С этой целью газы необходимо периодически или постоянно растворять в жидкости и, разделяя или обогащая остаток, постоянно или периодически выделять их из жидкости, получая, таким образом, разделенный или обогащенный необходимым газом состав газовой смеси [16].

Для смешивания жидкостей и газов до состояния пены следует использовать метод «воздушной кавитации» [6]. Устройства для смешивания, основанные на этом методе, аналогичны электрогидравлическим эмульгаторам (рисунок 4).

Л.А. Юткин [16] в своих экспериментальных работах показал, что в процессе обработки топливных жидкостей с помощью электрогидроимпульсного воздействия интенсивно удаляются разного рода вредные примеси, прежде всего сера. Сернистые соединения либо активно удаляются из топлива в виде летучих соединений - сероводорода, либо выпадают в осадок [17].

Проведенная непосредственно после электрогидравлической обработки сорбционная очистка топливной жидкости показала, что сера, ранее находившаяся в виде несорбируемого соединения, после электрогидравлической обработки переходит в сорбируемое. Еще более активное связывание серы наблюдалось в том случае, если в состав топливной жидкости входил определенный реагент, подвергшийся электрогидравлической обработке вместе с ней. В электрогидравлическом устройстве, одновременно удаляющем серу и обезвоживающем топливные жидкости, процесс обезвоживания осуществляется действием электрогидравлической обработки на одном из деэмульгаторов с таким расчетом, чтобы топливная жидкость находилась вне зоны давлений, в которой еще идет процесс эмульгирования, но там, где особенно хорошо идет процесс удаления серы [5].

Процесс удаления серы действием электрогидравлического эффекта на нефть основан на сложных физико-химических явлениях, возникающих при электрогидравлическом ударе, в результате которых возрастает запас свободной энергии в частицах дисперсной фазы, причем снижается поверхностное натяжение жидкостей и отделение дисперсной системы облегчается. Ударные волны, распространяющиеся практически мгновенно по всему объему жидкости, создают мощные гидропотоки активированных жидкостей (нефти и воды), контактирующие на поверхности раздела фаз нефть - вода. Контакты происходят при воздействии кратковременных сверхвысоких давлений и акустических колебаний широкого спектра. В этих экстремальных условиях наблюдаются быстропротекающие химические реакции между ионизированными молекулами воды эмульгированной нефти и содержащимися в ней сернистыми соединениями [17]. Образуются продукты коагуляции, выпадающие в виде осадка, часть сернистых соединений распадается до низкомолекулярных газообразных веществ, и на выходе остается обезвоженная и лишенная серы нефть [17].

Размещено на Allbest.ru