Устройство микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси

Устройство относится к технике нагрева материалов и изделий с помощью СВЧ энергии и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в процессе подготовки и транспортировки товарной нефти, а так же в других областях народного хозяйства, в технологических процессах требующих осуществления нагрева нетвердой диэлектрической среды. Решаемая техническая задача предлагаемой полезной модели заключается в обеспечении автоматизированного энергоэкономичного процесса микроволновой обработки, позволяющего повысить качество обрабатываемой среды. Под обрабатываемой средой понимается жидкая или газообразная диэлектрическая среда, например водонефтяная смесь. Под микроволновой обработкой понимается нагрев обрабатываемой среды до требуемой температуры, при которой происходит наиболее эффективное разделение обрабатываемой среды, например, водонефтяную смесь, можно разделить на составляющие воду и нефть. Техническая задача в устройстве микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси, содержащем узел ввода СВЧ энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ тракта, узел ввода обрабатываемой смеси, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ энергии, достигается тем, что в узел ввода обрабатываемой смеси герметично установлены первый датчик температуры и блок измерения скорости потока, в выходном участке трубопровода вне зоны воздействия

электромагнитного поля СВЧ так же установлены второй датчик температуры, первый узел отбора обрабатываемой среды, соединяющий одновременно трубопровод с блоком измерения плотности, с блоком измерения теплоемкости, с блоком измерения теплопроводности, с блоком измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды, и установлен второй узел отбора, соединяющий одновременно блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости с трубопроводом, причем блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости, блок измерения температуры, блок измерения скорости потока, соединены интерфейсами через ЭВМ с источником электромагнитных колебаний, при этом датчики температуры первый и второй соединены соответственно информационными проводами с блоком измерения температуры. 1 с.п. -лы. 1. илл.

Устройство относится к технике нагрева материалов и изделий с помощью СВЧ энергии и может быть использовано в нефтедобывающей и нефтеперерабатывающей промышленности в процессе подготовки и транспортировки товарной нефти, а так же в других областях народного хозяйства, в технологических процессах требующих осуществления нагрева диэлектрической среды.

Известно устройство разделения водогазонефтяной смеси, которое состоит из трубопровода, содержащего три участка: входной, средний и выходной участки, средний участок заполнен продольно ориентированным пучком тонких труб, выходной участок выполнен наклонным и содержит узлы отбора фракций нефтяной эмульсии. Входной участок трубы выполнен диаметром d _тp>2/2,61 на боковой поверхности которого через отверстия присоединены узел ввода для нефти и узлы ввода энергии СВЧ, выполненные в виде патрубков с волноводными фланцами, к которым с помощью тракта СВЧ подсоединены источники энергии СВЧ. Патрубки содержат диэлектрический согласующий и герметизирующий вкладыш, а выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций для газа, нефти и воды. Патент РФ №2196227, МПК 7 Е 21 В 43/34, 10.01.2003 Бюл. №1.

В качестве прототипа выбрано устройство разделения водонефтяной смеси, патент РФ 40925 U1, на полезную модель, МПК 7 В 08 В 7/04, опубликованного 10.10.2004, Бюл. №28, состоит из трубопровода, содержащего входной участок трубопровода, и выходной участок

трубопровода, к торцевой стенке входного участка трубопровода, диаметром d _тp>2/2,61, подсоединен узел ввода энергии СВЧ выполненный в виде волноводного патрубка диаметром d_п >2/3,41 герметично закрытым со стороны конца расположенного внутри входного участка трубопровода радио прозрачной диафрагмой конической формы и с волноводным фланцем на другом конце, к которому подсоединен тракт СВЧ источника энергии СВЧ. Высота h _д диафрагмы составляет от половины до полутора диаметра основания d_oc диафрагмы, а диаметр основания d_oc диафрагмы взят не менее 2/3,41. Через торцевую стенку входного участка трубопровода внутрь волноводного патрубка введены входной и выходной воздушные патрубки. Узел ввода для нефти расположен на боковой стенке входного участка трубопровода напротив боковой поверхности волноводного патрубка, а вершина радиопрозрачной диафрагмы обращена вглубь входного участка трубопровода. Выходной участок трубопровода содержит узлы отбора фракций. Управление мощностью осуществляется вручную либо не предусматривается.

Недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является невозможность эффективного управления источником электромагнитных колебаний, вследствие чего происходит нерациональный расход энергопотребления устройства и снижается качество обрабатываемой смеси.

Решаемая техническая задача предлагаемого устройства заключается в обеспечении автоматизированного энергоэкономичного процесса микроволновой обработки, позволяющего повысить качество обрабатываемой среды.

Под обрабатываемой средой понимается жидкая или газообразная диэлектрическая среда, например, водонефтяная смесь.

Под микроволновой обработкой понимается нагрев обрабатываемой среды до требуемой температуры, при которой происходит наиболее

эффективное разделение обрабатываемой среды, например, водонефтяную смесь, можно разделить на составляющие воду и нефть.

Техническая задача в устройстве микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси, содержащем узел ввода СВЧ энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ тракта, узел ввода обрабатываемой смеси, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ энергии, достигается тем, что в узел обрабатываемой смеси ввода герметично установлены первый датчик температуры и блок измерения скорости потока, в выходном участке трубопровода вне зоны воздействия электромагнитного поля СВЧ так же установлены второй датчик температуры, первый узел отбора обрабатываемой среды, соединяющий одновременно трубопровод с блоком измерения плотности, с блоком измерения теплоемкости, с блоком измерения теплопроводности, с блоком измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды, и установлен второй узел отбора, соединяющий одновременно блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости с трубопроводом, причем блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости, блок измерения температуры, блок измерения скорости потока, соединены интерфейсами через ЭВМ с источником электромагнитных колебаний, при этом датчики температуры первый и второй соединены соответственно информационными проводами с блоком измерения температуры.

Под выражением в выходном участке трубопровода, «вне зоны воздействия электромагнитного поля СВЧ» понимается область трубы расположенная (вдоль оси трубы) от узла ввода СВЧ энергии на расстоянии больше чем z, где z=^-1 глубина проникновения

электромагнитного поля, - коэффициент затухания электромагнитной волны в среде.

На чертеже приведена схема устройства микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси с одним источником электромагнитных колебаний.

В приложении 1 представлен Алгоритм работы ЭВМ по вычислению А - требуемой мощности воздействия микроволновой энергией источником электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду.

В приложении 2 представлена геометрия устройства, прохождения обрабатываемой среды из узла ввода в трубопровод, для наглядной демонстрации проводимых расчетов производимых в ЭВМ.

Устройство микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси, содержит: узел ввода 1 движущейся обрабатываемой среды 2, расположенный на боковой стенке в начале трубопровода 3, например, в притык к краю трубопровода 3, узел ввода 4 СВЧ энергии, расположенный с торца трубопроводе 3 и связанный с источником электромагнитных колебаний 5 посредством СВЧ тракта 6 (узел ввода 4 СВЧ энергии установлен с торца трубопровода герметично, как в прототипе), первый датчик температуры 7 и блок измерения скорости потока 8 герметично установление в узле ввода 1, в выходном участке трубопровода 3 вне зоны воздействия электромагнитного поля СВЧ, так же установлены второй датчик температуры 9, первый узел отбора 10 обрабатываемой среды 2, связывающий одновременно трубопровод 3 с блоком 11 измерения плотности, с блоком 12 измерения теплоемкости, с блоком 13 измерения теплопроводности, с блоком 14 измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды 2, и установлен второй узел отбора 15, связывающий одновременно блок 11 измерения плотности, блок 12 измерения теплоемкости, блок 13 измерения теплопроводности, блок 14 измерения диэлектрической проницаемости с трубопроводом 3, причем

блок 11 измерения плотности, блок 12 измерения теплоемкости, блок 13 измерения теплопроводности, блок 14 измерения диэлектрической проницаемости, блок 16 измерения температуры, блок 8 измерения скорости потока, соединены интерфейсами 17 через ЭВМ 18 с источником электромагнитных колебаний 5, при этом датчики температуры первый 7 и второй 9 соединены информационными проводами 19 с блоком 16 измерения температуры.

Рассмотрим работу устройства. Заливают обрабатываемую среду 2, которая постоянно движется через узел ввода 1 в трубопроводе 3. Обрабатываемая среда 2 из первого узла отбора 10 одновременно проходит в блок 11 измерения плотности, блок 12 измерения теплоемкости, блок 13 измерения теплопроводности, блок 14 измерения диэлектрической проницаемости, которые включают. Из блока 11 измерения плотности, блока 12 измерения теплоемкости, блока 13 измерения теплопроводности, блока 14 измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемая среда 2 поступает через второй узел отбора 15 в трубопровод 3.

Включают источник электромагнитных колебаний 5, непрерывно воздействующий с начальной А₀ - мощностью на обрабатываемую среду 2 через узел ввода 4 СВЧ энергии установленного с торца трубопровода герметично, как в прототипе. В узле ввода 1 обрабатываемой среды 2, где СВЧ энергия не распространяется, блоком 8 измерения скорости потока измеряют V ₁ - скорость потока в узле ввода обрабатываемой среды 2 и блоком 16 измерения температуры с помощью первого датчика температуры 7 измеряют Т₀ - начальную температуру обрабатываемой среды 2. В трубопроводе 3 на расстоянии от узла ввода 4 СВЧ энергии большем, чем глубина проникновения электромагнитной волны, где СВЧ энергия не распространяется, измеряют: блоком 16 измерения температуры с помощью второго датчика температуры 9 Т - температуру нагрева, блоком 11 измерения плотности - плотность, блоком 12 измерения теплоемкости

с - теплоемкость, блоком 13 измерения теплопроводности - теплопроводность, блоком 14 измерения диэлектрической проницаемости среды е - диэлектрическую проницаемость и tg - тангенс диэлектрических потерь обрабатываемой среды.

Измеренные параметры: Т₀ - начальная температура, Т - температура нагрева, V₁ - скорость потока в узле ввода 1, - плотность, с - теплоемкость, - теплопроводность, е - диэлектрическая проницаемость и tg - тангенс угла диэлектрических потерь обрабатываемой среды 2 поступают через интерфейсы 17 и 19 в ЭВМ 18, где с помощью программы «СВЧ нагрев диэлектриков», основанной на математической формуле, полученной в результате моделирования процесса СВЧ нагрева обрабатываемой среды, рассчитывается А - мощность требуемого воздействия микроволновой энергией источником электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду 2.

В приложении 1 представлен алгоритм работы ЭВМ по вычислению А - требуемой мощности воздействия микроволновой энергией источником электромагнитных колебаний на обрабатываемую среду 2.

В качестве формулы в алгоритме вычисления А - мощности СВЧ энергии, воздействующей на обрабатываемую среду, может использоваться и другая, как аналитического вида, так и численного, удовлетворяющая данному процессу обработки среды.

В ЭВМ 18 поступают и вводят параметры обрабатываемой среды 2 (приложение 1): V₁ - скорость потока в узле ввода 1, Т₀ - начальная температура, Т - температура после воздействия энергии СВЧ, Т _т - требуемая температура нагрева, е - диэлектрическая проницаемость, tg - тангенс угла диэлектрических потерь (е и tg измеряются блоком 14 измерения диэлектрической проницаемости), f - частота воздействия электромагнитной энергии, А ₀ - начальная мощность воздействия электромагнитной энергии, с₀ - скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, с - теплоемкость,

- плотность, - теплопроводность, 2d·2 - область, в плоскости перпендикулярной оси трубопровода 3, воздействия электромагнитной СВЧ энергии на обрабатываемую среду 2 в трубопроводе 3, S₁ - сечение узла ввода 1, S₂ - сечение трубопровода 3.

В результате нагрева обрабатываемой среды 2 до требуемой температуры Т_т происходит эффективная микроволновая обработка, например, эффективная микроволновая обработка водонефтяной смеси, как показали эксперименты, происходит при температуре Т_т=40°С. Если обрабатываемая среда нагрета до требуемой температуры, то воздействие на нее продолжает осуществляться СВЧ энергией с той же мощностью. Если температура нагрева Т обрабатываемой среды отличается от требуемой Т _т, то, на основе измеренных данных, рассчитывается мощность А воздействия СВЧ энергии на обрабатываемую среду 2. При воздействии этой А - мощностью некоторый объем Об обрабатываемой среды 2 в трубопроводе 3 будет нагрет до требуемой температуры Т _т.

В ЭВМ 18 происходит вычисление, с помощью зарегистрированной в ОФАП программы, следующих значений: z=1/ - глубина проникновения электромагнитной волны, t=z/V ₂ - время нагрева нетвердой диэлектрической среды в объеме Об; V₂ - скорость движения обрабатываемой среды 2 в трубопроводе 3, S₂ - сечение трубопровода 3, е=tg/е - мнимая часть комплексной диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды 2; - модуль диэлектрической проницаемости; - температуропроводность; коэффициент - коэффициент энергетического прохождения; - коэффициент затухания, выражения которых могут быть взяты, например, из литературы «Электродинамика» и из статьи [Рикенглаз Л.Э. К теории

нагрева диэлектриков мощными электромагнитными полями. ИФЖ, 27, 1061 (1974)].

Причем, в узле ввода 1 сечением S₁ движется обрабатываемая среда 2 объемом Об за время t, то тот же самый объем Об обрабатываемой среды 2 за тоже время t движется в трубопроводе 3, сечением 82 (приложение 2). Если в узле ввода 1 обрабатываемая среда 2 объемом Об проходит путь L₁ со скоростью V ₁, тогда Об=S₁·L ₁, L₁=V₁·t, аналогично если в трубопроводе 3 обрабатываемая среда 2 того же объема Об за то же время проходит путь L₂ со скоростью V₂, тогда Об=S ₂·L₂, L₂ =V₂·t, откуда следует Об=S ₁V₁·t=S₂ ·V₂·t, V₂=V₁·S ₁/S₂ - скорость движения обрабатываемой среды 2 в трубопроводе 3, которая тоже вычисляется.

Затем вычисляется значение мощности А по формуле (наименование буквенных обозначений входящих в формулу приведены выше)

и определяется управляющий сигнал мощности источника электромагнитных колебаний 5. Управляющий сигнал мощности подают из ЭВМ 18 по интерфейсу 17 в источник электромагнитных колебаний 5, который через узел ввода 4 СВЧ энергии воздействует излучением СВЧ энергии, вычисленной А мощности, на обрабатываемую среду 2. Таким образом, при воздействии электромагнитной СВЧ энергии происходит нагрев обрабатываемой среды 2 до требуемой температуры Т_т, при которой происходит эффективная обработка.

В связи с тем, что обрабатываемая среда 2 движется, периодически осуществляется автоматическое измерение параметров среды и расчет мощности - А.

Наличие датчиков 7, 9, блоков измерения параметров обрабатываемой среды 2 позволяет получить необходимые исходные данные для анализа

процесса микроволновой обработки, вычислить А - мощность и определить сигнал в ЭВМ, рационально управляющего источником электромагнитных колебаний 5, воздействующего энергией СВЧ на обрабатываемую среду 2, поэтому по сравнением с прототипом технологический процесс микроволновой обработки водонефтяной смеси является автоматизированным, позволяющим снизить время обработки и энергозатраты, а так же повысить качество обрабатываемой среды.

В случае нагрева обрабатываемой среды 2 ниже или выше требуемой температуры Т_т , что может происходить в устройстве прототипа, влечет за собой не рациональное потребление электроэнергии устройства и некачественную обработку среды.

Все перечисленные выше блоки и элементы данного устройства могут быть выполнены по стандартным, опубликованным в литературе схемам, либо приобретены на рынке товаров России. Так, например, в качестве блоков измерения параметров обрабатываемой среды, изображенных на чертеже, могут так же применяться: универсальный измеритель регулятор восьмиканальный «ТРМ138» - для измерения температуры; прибор счетчиков объема жидкости «ПУЛЬСАР-3.1М» - для измерения и вычисления объема и расхода (скорости) жидкости; плотномер «ПЛОТ-3» АУТП.414122.006 ТУ предназначен для автоматического измерения плотности жидкости; автоматический дифференциальный сканирующий калориметр ДСМ-3А предназначен для измерения теплоемкостей различных веществ; измеритель диэлектрических параметров веществ из серии Ш2 - с микропроцессорным управлением, предназначенный для измерения диэлектрической проницаемости и угла диэлектрических потерь; прибор LFA 447 Nanoflash либо DSC 404 С Pegasus® для определения температуропроводноти или теплопроводности обрабатываемой среды и другие.

Вышеперечисленные приборы и их аналоги имеют выход для подключения через стандартный интерфейс к ЭВМ и могут быть взяты, например, из каталога "ТД "Автоматика" - контрольно-измерительные приборы (КИПИА) г.Смоленск, E-mail: automatika@sci.smolensk.ru.

Узел ввода энергии СВЧ, расположенный в трубопроводе, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ тракта могут быть в количестве более или равном единицы и конструктивно выполнены различными вариантами, например, как в патенте РФ №2196227 МПК 7 Е 21 В 43/34, опубликованного 10.01.2003 Бюл. №1. «Устройство разделения водогазонефтяной смеси», или РФ 40925 U1, МПК 7 В 08 В 7/04, опубликованном 10.10.2004, Бюл. №28, «Устройство разделения водонефтяной смеси», или РФ №2234824 С1, МПК 7 Н 05 В 6/64, 6/80, В 08 И 7/04, опубликованного 20.08.2004, Бюл. 23. «Способ микроволновой обработки жидкой диэлектрической среды и устройство для его осуществления», а так же РФ №34841 U1, МПК 7 Н 05 И 6/64, опубликованный 10.12.2003, Бюл. №34, «Устройство для термообработки диэлектрического материала в электромагнитном СВЧ поле» и др.

Использование устройства особенно эффективно в нефтедобывающей промышленности в технологическом процессе обработки водонефтяной смеси, а так же в других областях народного хозяйства, в технологических процессах требующих осуществления нагрева диэлектрической среды.

Устройство микроволновой обработки жидкой водонефтяной смеси, содержащее узел ввода СВЧ энергии, расположенный с торца трубопровода, связанный с источником электромагнитных колебаний посредством СВЧ тракта, узел ввода обрабатываемой смеси, расположенный на боковой стенке возле узла ввода СВЧ энергии, отличающееся тем, что в узел ввода обрабатываемой смеси герметично установлены первый датчик температуры и блок измерения скорости потока, в выходном участке трубопровода вне зоны воздействия электромагнитного поля СВЧ так же установлены второй датчик температуры, первый узел отбора обрабатываемой среды, соединяющий одновременно трубопровод с блоком измерения плотности, с блоком измерения теплоемкости, с блоком измерения теплопроводности, с блоком измерения диэлектрической проницаемости обрабатываемой среды, и установлен второй узел отбора, соединяющий одновременно блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости с трубопроводом, причем блок измерения плотности, блок измерения теплоемкости, блок измерения теплопроводности, блок измерения диэлектрической проницаемости, блок измерения температуры, блок измерения скорости потока соединены интерфейсами через ЭВМ с источником электромагнитных колебаний, при этом датчики температуры первый и второй соединены соответственно информационными проводами с блоком измерения температуры.