Устройство для разделения эмульсий полем свч

Полезная модель относится к устройствам для технологических химических процессов, в частности к нефтехимии, и может быть использовано для разделения различных эмульсий, суспензий и коллоидных растворов на составляющие вещества, например, для разделения водонефтяной эмульсии при добыче нефти, для осушки или обессоливания сырья или продукта при производстве топлив, масел, смазочных материалов, и т.п., для разделения отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей при их утилизации или восстановлении, то есть в процессах, в которых осуществляется разделение коллоидной смеси нескольких компонентов для очистки от примесей и получения качественного чистого вещества или сырья. Устройство включает источник электромагнитного СВЧ-излучения (магнетрон), СВЧ-камеру. входной резервуар, рабочий объем, помещенный в СВЧ-камеру, разделительный и выходные объемы и оптическую систему контроля размера капель эмульсии и отличается тем, что мощность СВЧ-излучения и скорость протекания эмульсии через рабочий объем могут регулироваться так, чтобы на выходе рабочего объема размер капель эмульсии превышал порог седиментационной устойчивости. Контроль размера капель на входе и выходе рабочего объема осуществляется методом динамического рассеяния света с помощью световодных щупов. Это создает возможность не только создания коллоидных образований в растворе, но и разделения эмульсий и коллоидных растворов с помощью СВЧ-излучения, причем с возможностью обработки различных эмульсий.

Полезная модель относится к устройствам для технологических химических процессов, в частности к нефтехимии, и может быть использовано для разделения различных эмульсий, суспензий и коллоидных растворов на составляющие вещества, например, для разделения водонефтяной эмульсии при добыче нефти, для осушки или обессоливания сырья или продукта при производстве топлив, масел, смазочных материалов, и т.п., для разделения отработанных смазочно-охлаждающих жидкостей при их утилизации или восстановлении, то есть в процессах, в которых осуществляется разделение коллоидной смеси нескольких компонентов для очистки от примесей и получения качественного чистого вещества или сырья.

На сегодняшний день для разделения самых различных эмульсий используются в основном отстойники-сепараторы [1, 2], требующие добавки к эмульсии деэмульгаторов. Этот способ требует больших объемов отстойников, длительного времени отстоя и непрерывного расхода деэмульгатора. Нам известны несколько разработок, использующих обработку водонефтяных эмульсий низкочастотным электрическим [3, 4], магнитным [5] или СВЧ [2,6-9] полем. Однако устройство [6] основано на нагреве смеси СВЧ-излучением и требует большого содержания воды в эмульсии, устройства [7, 8] требуют для ввода излучения в эмульсию согласования формы рабочего объема с содержанием воды в нефти и, более того, с составом нефти, а устройство [9] предназначено для осушки гудрона и битума за счет выпаривания воды. Из-за сложности и узкой специализации эти устройства не нашли широкого применения.

Одним из наиболее близких по методу решения поставленной задачи является способ и устройство [7]. Способ заключается в том, что на водонефтяную эмульсию, протекающую через устройство, воздействуют электромагнитным СВЧ-излучением с напряженностью поля от 0,1 до 100 В/см, в результате чего капли воды должны укрупняться и далее в трубе с ламинарным течением должно произойти разделение эмульсии. Однако ввод излучения в эмульсию в таком устройстве неэффективен и требует согласования формы рабочего объема с составом эмульсии [8], а разделение в процессе протекания по трубе малоэффективно. Кроме того, этот способ не позволяет оперативно, в производственном цикле контролировать качество продукта и тем самым не обеспечивает надежного разделения эмульсии.

Наиболее близким по технической сущности является способ и устройство [10]. Этот способ обработки раствора СВЧ-излучением состоит в использовании проточного рабочего объема, помещенного в специальную СВЧ-камеру - резонатор и кроме того отличается тем, что на выходе устройства производится непрерывный контроль размеров капель или коллоидных образований эмульсии. Однако изобретение [10] направлено не на разделение эмульсии, а на создание коллоидных образований присадки с размерами, достаточными для эффективного изменения свойств раствора. Кроме того, хотя этот способ и позволяет оперативно контролировать качество продукта, он требует для этого создания достаточно сложного оптического устройства на входе и выходе установки, причем протекание раствора через эти устройства обязательно должно быть ламинарным, что трудно осуществимо.

Целью заявленной полезной модели является расширение функциональных возможностей известной системы [10] путем добавления регуляторов скорости протока обрабатываемого вещества и мощности источника СВЧ-излучения, а также упрощение системы контроля качества на выходе устройства.

Указанная цель достигается тем, что к системе [10] добавляются дополнительно регуляторы 8 (Фиг.1) скорости протока эмульсии между входным резервуаром 1 и рабочим объемом 4 в СВЧ-камере 2, а также между рабочим объемом и разделительным объемом или сепаратором-центрифугой 5, и кроме того добавляют регулятор 9 мощности магнетрона 3. Предложено также контроль размеров капель или коллоидных образований на входе и выходе рабочего объема 4 осуществлять методом динамического рассеяния света с помощью световодных щупов 10, определяя при этом средний радиус капель или коллоидных образований по ширинам спектральных линий однократно или многократно рассеянного каплями света, как это описано в [11, 12]. Ширины спектральных линий определяются с помощью фотодетектора и коррелятора или спектроанализатора 11. При этом по измерениям интенсивности рассеянного света можно определять концентрацию капель или коллоидных образований на выходе рабочего объема.

Причем, воздействие СВЧ излучения на смешиваемые компоненты осуществляют с необходимой для данной эмульсии мощностью при непрерывном протекании эмульсии со скоростью, необходимой для образования капель или коллоидных образований с размером, превышающим порог седиментационной стабильности.

Таким образом, в процессе обработки проводится оценка готовой к разделению эмульсии методом корреляционной спектроскопии рассеянного света с помощью световодных щупов. И именно этот метод позволяет определить размер коллоидных образований, их средний радиус, скорость расслаивания и необходимость применения сепаратора-центрифуги вместо разделительного объема.

На основании полученных данных вносят изменения в технологию обработки, изменяя мощность магнетрона и скорость протекания эмульсии через рабочий объем.

Сопоставление предлагаемого решения с прототипом показывает, что данное устройство отличается по главному техническому результату, создавая возможность не только создания коллоидных образований в растворе, но и разделения эмульсий и коллоидных растворов с помощью СВЧ-излучения, причем с возможностью обработки различных эмульсий.

Таким образом, устройство соответствует критерию "новизна".

Предлагаемое устройство содержит дополнительно регуляторы скорости протока и мощности СВЧ-излучения, что дает возможность гибко менять режим обработки эмульсии излучением. Предлагаемое устройство содержит вместо сложных оптических элементов световодные щупы, что существенно упрощает устройство. Все это обеспечивает заявляемому техническому решению соответствие критерию "существенные отличия".

Предложенное устройство является промышленно применимым существующим техническим средством и соответствует критерию "изобретательский уровень", т.к. оно явным образом не следует из уровня техники, при этом из последнего не выявлено каких-либо преобразований, характеризуемых отличительными от прототипа существенными признаками, влияющими на достижение указанного технического результата.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.

На Фиг 1. приведена функциональная схема устройства для разделения эмульсий полем СВЧ

Устройство содержит: 1 - входной резервуар с эмульсией; 2 - СВЧ-камера 3 - магнетрон; 4 - рабочий объем; 5 - разделительный объем или сепаратор-центрифуга; 6, 7 - выходные объемы; 8 - регуляторы скорости протока эмульсии; 9 - регулятор мощности магнетрона; 10 - световодные щупы; 11 - блок анализа оптических сигналов, содержащий фотодетектор, усилитель-дискриминатор и коррелятор или спектроанализатор.

Средний радиус коллоидных образований определяется после обработки на компьютере корреляционных функций рассеянного света, записанных с помощью коррелятора через основные и вспомогательные световоды щупов, или после обработки спектров, полученных с помощью спектроанализатора.

После определения среднего размера в начальной эмульсии она подается самотеком либо с помощью насоса в рабочий объем, где подвергается воздействию СВЧ-излучения, создаваемого магнетроном. На выходе из камеры СВЧ проводится непрерывный контроль размеров капель эмульсии или коллоидных образований, и если этот размер не превышает порога седиментации, мощность магнетрона увеличивается, а скорость протока уменьшается.

Способ поясняется следующим примером.

Для составления модельной композиции в качестве основы использовалось трансформаторное масло с начальной электрической прочностью 19 кВ/см, бидистиллированная вода (2.4%) и поверхностно-ативное вещество АОТ (µ=453) (0.12%). Начальный средний радиус капель приготовленной эмульсии составлял 184 нм. После обработки в камере СВЧ размером 30×30×19 см при мощности магнетрона 600 Вт в течение 2 минут средний радиус капель стал 675 нм. Порог седиментационной устойчивости для такой системы составляет 530 нм, причем характерное время седиментации пропорционально r ⁵.

Из полученных результатов видно, что для достижения требуемого размера капель при облучении СВЧ при длине пути жидкости в рабочем объеме 120 см. скорость жидкости должна составлять 1 см/сек. Такая скорость легко достигается самыми простыми способами, даже без применения насоса. Для достижения производительности 7 тонн/час или 120 л/мин, нужна конструкция рабочего объема размером всего 1×1×1.2 м.

Источники информации:

1. Э.М.Зайдуллина, А.М.Валеев, Р.Р.Фахретдинов, Л.Н.Усова. Дестабилизация нефтяных эмульсий, образуемых в скважинных насосах.//Нефтегазовое дело, 2007, 1, стр.1.

2. А.Королев, А.Галдецкий, П.Бойко. Использование УВЧ-энергии для деэмульгации нефти и нефтепродукгов.//Электроника (Наука, техника, бизнес). 2001, 3, стр.15.

3. G.Sande, W.Piasecki, P.G.Nilsen. A coalescing device.// NO patent NO-316109, 2001.

4. В.Пясецкий, М.Флорковский, М.Фульчик и др. Внутрикорпусной электростатический коагулятор/УАББ Ревю, 2004, 4, стр.67.

5. В.В.Шайдаков, Л.Е.Каштанова, А.В.Емельянов. Аппараты для воздействия на водонефтяные эмульсии магнитным полем// http://5ka.su/ref/nauka/0_object68513.html.

6. С.Н.Ильин, Н.П.Бекишов и др. «Способ обезвоживания и обессоливания нефти» Описание изобретения к патенту Российской Федерации RU 2160762 С1 _{(51) 7 C10G 33/10} от 2000.08.10. Патентообладатель: Общество с ограниченной ответственностью «БИГ-96».

7. Г.А.Морозов, Н.Г.Воробьев, О.Г.Морозов и др. Устройство разделения водогазонефтяной смеси// Патент РФ RU 2196227 от 05.06.2001. Патентообладатели: НИЦ прикладной электродинамики КазГТУ им. А.Н.Туполева, Нефтегазодобывающее управление «Лениногорснефть» ОАО «Татнефть».

8. Н.Г.Ибрагимов, P.P.Мухаметталеева и др. «Устройство разделения водонефтяной смеси» Патент на полезную модель RU 40925 U1 _{(51) 7 B08B 7/04} от 2004.05.20. Имя патентодержателя: Открытое акционерное общество «Татнефть» им. В.Д.Шашина (RU).

9. А.Д.Еремин, И.М.Чекрыгина и др. «Низкотемпературная установка обезвоживания вязких технических жидкостей с использованием электрофизических методов» Патент на полезную модель RU 43272 U1 от 2004.07.19. Имя патентодержателя: Федеральное государственное унитарное предприятие «Таганрогский научно-исследовательский институт связи» (RU).

10. К.В.Коваленко. С.В.Кривохижа, Г.В.Ракаева, Л.Л.Чайков. «Способ приготовления коллоидных растворов и устройство для его осуществления». Патент РФ RU 2306970 от 21.12.2005. Имя патентодержателя: Физический институт им. П.Н.Лебедева РАН.

11. К.В.Коваленко, С.В.Кривохижа, Л.Л.Чайков. «Световодный измеритель размеров частиц в жидкости». Патент РФ на полезную модель 78320 от 24.06.2008 г.

12. К.В.Коваленко, С.В.Кривохижа, Л.Л.Чайков. «Способ измерения размеров частиц в жидкости и устройство для его осуществления». Патент РФ RU 2351912 от 20.11.2007. Заявка на Патент США 12/274,060 от 20.11.2008. Заявка на патент РСТ No PCT/RU 2008/000635 от 03.10.2008.

1. Устройство для разделения эмульсий, включающее входной резервуар, источник электромагнитного СВЧ-излучения (магнетрон), СВЧ-камеру, рабочий объем, помещенный в СВЧ-камеру, центрифугу-сепаратор и/или разделительный объем и выходной резервуар и оптическую систему контроля размера капель эмульсии, отличающееся тем, что содержит дополнительно регулятор мощности СВЧ-излучения и краны-регуляторы скорости протекания эмульсии через рабочий объем, позволяющие регулировать мощность излучения и скорость протекания так, чтобы на выходе рабочего объема размер капель эмульсии превышал порог седиментационной устойчивости, а контроль размера капель на выходе осуществляется методом динамического рассеяния света с помощью световодного щупа.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что контроль размеров капель осуществляют тем же методом динамического рассеяния света с помощью коррелятора путем определения среднего радиуса капель, а их относительное количество определяется по интенсивности рассеянного света в световодном щупе.