влияние ультразвука на реологические свойства нефти

На рис. 3.2 представлена зависимость вязкости обрабатываемой нефтей от температуры. Исследования проводились в интервале от 20 до 80(С, в интервале от 20 до 40(С с более коротким температурным шагом.
Обработка ультразвуковым излучением проводилась в течение двадцати минут, давление 100 кПа.
Исходя из данных, представленных на графике, следует, что ультразвук мощностью 15 Вт/см2 при довольно продолжительном воздействии производит эффект уменьшения вязкости динамической аномальной нефтей в среднем на 35%.
Предположительно, этот эффект происходит вследствие возникновения сильного эффекта кавитации, который, в свою очередь, ускоряет диффузию нефтей в полости парафина, интенсифицирует процесс его разрушения. Ускорение растворения парафина идет за счет интенсификации перемешивания нефтей на границе нефть-парафин и действия импульсов давления, которые как бы разбрызгивают частицы парафина. Нефть не обладает вязкостью, подчиняющейся законам Ньютона, Пуазейля, Стокса, так как длинные беспорядочно расположенные молекулы парафина и смол образуют некоторую гибкую решетку, в которой располагается раствор. Поэтому данная система оказывает существенное сопротивление силам сдвига. Кавитация разрывает непрерывную цепочку, разрушая при этом связи между отдельными частями молекул. Связи эти сравнительно малы, поэтому требуется несущественное воздействие акустических волн.


Рисунок 2.3 – Необработанные Харьянгинская нефть и нефть, обработанная ультразвуковым излучением мощностью 15 Вт/см2

Таким образом, кавитация оказывает влияние на изменение структурной вязкости, т. е. на временный разрыв Вандервальсовых связей.
Растет течение нефтей до обработки и после с дальнейшим сравнением полученных результатов проводился в программном комплексе ANSYS/FLUENT. Пакет предназначен для моделирования сложных течений жидкостей и газов с широким интервалом изменения теплофизических показателей посредством обеспечения различных параметров моделирования и использования многосеточных способов с улучшенной сходимостью.
ANSYS/FLUENT использует при расчете метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ – сеточный метод, при котором модель объекта задается системой дифференциальных уравнения в частных производных с заданными краевыми условиями.
Для описания турбулентных течений вязких жидкостей в программном комплексе ANSYS/FLUENT реализован подход, в основе которого лежит решение уравнений Навье-Стокса. Хотя нестандартные уравнения Навье-Стокса дают возможность описания реальных турбулентных течений, практическое их исследование способами прямого численного моделирования по системе уравнений Навье-Стокса на сегодня затруднено из-за больших вычислительных затрат. Поэтому в компьютерном моделировании гидродинамических процессов применяется подход, основанный на использовании осредненных по времени величин. В итоге решение модифицированных уравнений требует намного меньше машинных ресурсов. Для замыкания полученных уравнений используются различные модели турбулентности.
Ни одна из известных моделей турбулентности не является универсальной для всех существующих классов инженерных задач. Выбор оптимальной модели имеет зависимость от типа течения, специфического класса задачи, требуемой точности решения, доступных вычислительных ресурсов и т. п.
Для проведения требуемого численного анализа была построена виртуальная модель, представляющая собой надземный нефтепровод условным диаметром 450 мм, длиной 300 м, без теплоизоляции. Модель состояла из трех тел: тела нефти, тела трубы и набегающего на нее холодного воздуха (окружающая среда).
Расчет виртуальной модели проводился на основе k-( RNG-модели турбулентности, ввиду того, что по сравнению с остальными моделями, которые имеются в наличии в программном комплексе ANSYS/FLUENT, она обладает оптимальной для поставленной задачи точностью и, в то же время, не слишком требовательна к вычислительным машинным ресурсам.
Одним из условий получения корректных CFD-результатов (CFD – Computational Fluid Dynamics – вычислительная гидродинамика) является создание высококачественной расчетной сетки.
Расчетная сетка модели перекачиваемой нефтей состояла из 1299806 элементов с 459671 узлами, модель окружающей среды – из 238075 элементов с 293832 узлами. Ввиду наличия повышенных градиентов скоростей и температур в пристеночной области, важным является условие создания в этой зоне сетки повышенной точности. по сравнению с ядром потока. т. е. с минимальным размером ячеек.
Граничными условиями для виртуальной модели являлись следующие параметры: скорость нефтей на входе трубы 0,8 м/с; давление нефтей на выходе 1001202 Па; начальная температура нефтей 47 (С; скорость потока воздуха 3 м/с; температура воздуха -20(С.
Ниже представлены результаты расчета. После обработки нефтей градиент падения ее температуры по длине нефтепровода возрастает (см. рис. 2.4). Это объясняется увеличением интенсивности процесса тепломассопереноса при внутритрубном течении нефтей ввиду уменьшения ее вязкости.


Рисунок 2.4 – График падения температуры нефтей по длине нефтепровода нефть и нефть, обработанная ультразвуковым излучением мощностью 15 Вт/см2

Однако, несмотря на то, что процесс охлаждения обработанной нефтей происходит более интенсивно, чем для исходной нефтей при прочих равных условиях, в целом это явление слабо оказывает влияние на положительный эффект по снижению линейных потерь напора вдоль нефтепровода. Кривая падения давления для нефтепровода, транспортирующего обработанную нефть, имеет меньшую величину уклона по сравнению с кривой, построенной для исходной нефтей (рис. 2.5).


Рисунок 2.5 – Линии гидравлического уклона

Таким образом, можно сделать следующие выводы:
Ввиду своей универсальности и экономической целесообразности метод обработки высоковязких нефтей ультразвуковым излучением высокой мощности (15 Вт/см2) является перспективным при решении вопросов уменьшения энергетических расходов на их транспортировку. Однако, этот эффект требует дополнительных исследований. В дальнешем предполагается провести аналогичные исследования ысокопарафинистойнефтей с применением ультразвукового излучения еще более высокой мощности (свыше 15 Вт) на единицу площади.
Метод численного эксперимента позволяет проанализировать характер течения исходной и обработанной нефтей с высокой точностью, а также позволяет отказаться от лабораторных испытаний по сравнительному анализу рассматриваемых нефтей. Кроме того, использование математического аппарата при моделировании движения жидкости позволяет с легкостью варьировать заданные исходные показатели с целью нахождения оптимального решения поставленной задачи.

2.4. Влияние ультразвуковой обработки на вязкость битума как нефтесодержащего вещества
Качество асфальтобетона имеет зависимость как от технологических критериев, так и от состава и показателей вяжущего, применяемого при производстве смеси. Содержание вяжущего в смеси имеет зависимость от особенностей формирования его адсорбционно-сольватных слоев на поверхности минеральных материалов. В частности, одним из важных технологических показателей битума является его вязкость при температурах производства смеси.
Одним из основных способов целенаправленного изменения и регулирования структурно-реологических показателей битумов является использование добавок различной химической природы, структурирующих битумную матрицу. Исследования структурно-реологических показателей композиций сводятся к описанию закономерностей их течения и являются важным инструментом, который позволяет прогнозировать работу материала в условиях его эксплуатации.
Применение ультразвукового излучения в области дорожно-строительных материалов было рассмотрено в Харьковском автомобильно-дорожном институте Золотарёвым В.А., Зинченко В.Н. и их коллегами еще в 1970-х годах. В соответствие с данными материалами, ультразвуковая обработка битума снижает его вязкость и повышает адгезию. Эффект ультразвуковой обработки длится определенный временной интервал, поэтому оценивать показатели вяжущего требуется в кратчайшие сроки после обработки.
При проведении эксперимента использовался ротационный вискозиметр Fungilab Expert позволяющий определять динамическую или кинематическую вязкость среды (рис. 2.6).
В комплекте с вискозиметром поставляются специальные шпиндели для различных интервалов величины вязкости.

Рисунок 2.6 - Общий вид ротационного вискозиметра Fungilab Expert

Показатели вискозиметра:
- Точность ± 1%
- Разрешение:
При использовании адаптера малых проб: 0.01
Для образцов с вязкостью меньшей 10.000 сПз: 0.1
Для образцов с вязкостью равной или большей 10.000 сПз: 1
- Воспроизводимость: 0.2%
Для определения зависимости вязкости битума от режимов ультразвуковой обработки, сначала требуется получить величину вязкости исходного битума до обработки при различных температурах. Был рассмотрен температурный интервал от 100°С до 180°С, который перекрывает основной интервал технологических температур вяжущего, а также соответствует определенному уровню разрушения надмолекулярной структуры битума.
В центр ёмкости с предварительно разогретым до 180°С битумом помещался измерительный шпиндель вискозиметра, проводилось измерение вязкости в сантипуазах при данной температуре. За значение вязкости принимался усреднённый итог трёх замеров. Дальнейшие измерения при охлаждении битума осуществлялись в интервале 10°С до достижения битумом 100°С.


Рисунок 2.7 - Зависимость вязкости от температуры

По графической обработке полученных данных (рис. 2) получена зависимость вязкости битума от температуры. Основываясь на полученных итогах, можно определить изменения вязкости битума после ультразвуковой обработки в любой точке технологического интервала температуры. В дальнейших исследованиях была принята температура 150°С.
Для проведения испытаний применялась ультразвуковая установка, собранная на основе стержневой магнитострикционной колебательной системы, имеющей потребляемую мощность 1,5 кВт и резонансную частоту 22 кГц. Колебательная система возбуждалась ультразвуковым генератором УЗГ-2-22 мощностью 2,0 кВт, который снабжен системами автоматической подстройки частоты и амплитуды колебаний.
Проба битума подвергалась ультразвуковой обработке с амплитудой смещения 5 мкм в течение 30, 60, 90 секунд, после каждых тридцати с обработки проводилось измерение вязкости. Изменение величины вязкости оценивалось в процентах относительно исходного необработанного битума.
Из графика, построенного по полученным данным (рис. 2.7) можно сделать ряд выводов. Снижение вязкости битума наблюдается уже после 30 секунд обработки, далее снижение величины продолжается и достигает минимума при 60 секундах, что соответствует максимальному значению диэлектрической проницаемости, полученному ранее [4]. При длительности обработки более 60 секунд наблюдается стабилизация величины вязкости, а значение, которое получено при 90 с отличается незначительно от величины при 60 с.


Рисунок 2.8 - Зависимость вязкости от времени обработки ультразвуковым излучением

Полученные результаты объясняются разрушением надмолекулярной структуры битума, в частности мицелл асфальтенов с образованием свободных радикалов. Снижение вязкости битума с одновременным увеличением адгезии является важным условием для обеспечения равномерной тонкой плёнки вяжущего, которое покрывает поверхность минеральных материалов, т.к. равномерность и полнота покрытия имеют зависимость от величины смачивания битумом минералов. Величина смачивания битумом поверхности минерального материала определяется, среди прочих условий, молекулярно-поверхностными показателями битума и его вязкостью.

Рисунок 2.8 - Вискозиметр вибрационный ВВН-8 с блоком управления

При переходе от лабораторных условий к производственным, требуется учитывать, что вязкость битума должна быть измерена в непрерывном потоке при технологических температурах. Для этой задачи выбран вибрационный вискозиметр ВВН-8, осуществляющий непрерывное измерение и регулирование вязкости (рис. 2.8). Этот аппарат может быть использован как самостоятельно, так и с устройством пробоотбора и пробоподготовки.
В основу работы вискозиметра ВВН-8 положен вибрационный метод измерения вязкости, заключающийся в том, что в измерительном преобразователе при помощи электромагнитной схемы поддерживается постоянная амплитуда колебаний чувствительного вибрационного элемента, который погружен в анализируемую жидкость, при этом измеряется значение переменного тока, протекающего в цепи возбуждения электромагнитной системы, который пропорционален вязкости анализируемой жидкости.


Рисунок 2.9 - Схема установки вискозиметра ВВН-8 на битумопровод

Конструкция и показатели данного вискозиметра позволяют смонтировать его в комплексе технологического оборудования для ультразвуковой обработки битума на асфальтобетонных заводах (рис. 2.9). Вискозиметр может быть установлен как после узла ультразвуковой обработки битума, так и перед ним, таким образом, появляется возможность определять изменения, которые вносятся однократным проходом битума через ультразвуковую установку.
Выполненные исследования и рассмотренное оборудование позволяют измерять вязкость битума, прошедшего ультразвуковую обработку, как в лабораторных, так и в производственных условиях. Вискозиметры ВВН-8 в сочетании с измерителями температуры битума и измерительными конденсаторами для оценки величины адгезии по показателю диэлектрической проницаемости позволяют оценивать нужные технологические показатели битума в итоге производства асфальтобетонных смесей.




Заключение

Таким образом, можно подвести следующие итоги.
Ультразвуковая обработка оказывает существенное влияние на дисперсное строение нефтей. В случае нефтей с повышенным содержанием смол наблюдается эффективное долговременное снижение вязкости нефтей за счет разрушения структуры асфальтенового ядра дисперсной фазы. Доказано, что ультразвуковая обработка высокопарафинистой нефтей приводит к возрастанию структурной вязкости в несколько раз, по-видимому, за счет диспергирования кристаллической фазы парафиновых углеводородов и взаимодействия их с асфальтенами.
Также ультразвук оказывает существенное влияние на реологию нефтей.
Установлено, что комплексное воздействие постоянного, импульсного магнитного поля и ультразвуковых колебаний приводит к более значительному уменьшению динамической вязкости высокопарафинистых нефтей, чем при раздельной обработке магнитным полем или ультразвуковыми колебаниями.
Специалистами определены параметрические показатели магнитного поля и ультразвуковых колебаний, которые позволили разработать методику изменения реологических показателей аномальных нефтей в целях сокращения энергетических расходов на их транспортировку.
Установлено увеличение времени релаксации высокопарафинистой нефтей (по сравнению с тепловой обработкой) не менее трех суток при комплексном воздействии магнитного поля и ультразвуковых колебаний.












Список использованных источников

Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2006. – 78 с.
Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических показателей транспортируемой высоковязкой нефтей с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. – с. 194-196.
Патанкар С.В. Численное решение целей теплопроводности и конвективного теплового обмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.
Применение схемы ANSYS/FLUENTк решению целей механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. - 227 с.

Илюшин Б.Б. Моделирование процессов переноса в турбулентных течениях: учеб. пособие / Новосибирский государственный университет, Новосибирск, 2006. – 78 с.
Патанкар С.В. Численное решение целей теплопроводности и конвективного теплового обмена при течении в каналах: Пер. с англ. Е.В. Калабина; под ред. Г.Г. Янькова. – М.: Издательство МЭИ, 2003. – 312 с.
Крапивский Е.И., Некучаев В.О., Козачок М.В. О возможности изменения реологических показателей транспортируемой высоковязкой нефтей с помощью физических полей. Материалы всероссийской конференции «Проблемы разработки и эксплуатации месторождений высоковязких нефтей и битумов» УГТУ (г. Ухта). 12-13 ноября 2009. – с. 194-196.
Применение схемы ANSYS/FLUENTк решению целей механики сплошной среды. Практическое руководство / Под ред. Проф. А.К. Любимова. Нижний Новгород: Изд-во Нижегородского госуниверситета, 2006. - 227 с.











2