способ перекачивания вязких жидкостей

Формула изобретения

Способ перекачивания вязких жидкостей, включающий их предварительную обработку ультразвуковыми колебаниями, отличающийся тем, что ультразвуковую обработку осуществляют погружением и перемещением в обрабатываемой жидкости излучателя, выполненного в виде стержня, состоящего из последовательно расположенных участков цилиндрической формы различного диаметра, причем длина каждого из участков большего диаметра соответствует одной пятнадцатой части длины волны, общая длина последовательно расположенных участков меньшего и большего диаметров соответствует половине длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня на рабочей частоте 22 кГц, излучение ультразвуковых колебаний осуществляют с поверхности излучателя в зонах переходов между цилиндрическими участками различного диаметра с амплитудой колебаний, достаточной для возникновения кавитации в обрабатываемой жидкости, непрерывно вводят обработанную жидкость в центральный канал излучателя через торцевое отверстие в погруженной части излучателя и радиальные каналы, расположенные перпендикулярно к центральному каналу и выполненные на участках излучателя меньшего диаметра симметрично относительно участков большего диаметра, суммарное сечение всех входных каналов соответствует сечению выходного отверстия центрального канала, выводят обработанную жидкость через выходное отверстие, а скорость перекачивания жидкости устанавливают с учетом исходной вязкости, размеров излучателя и мощности ультразвукового излучения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергосберегающим и экологически безопасным технологиям повышения эффективности процесса перекачивания вязких жидкостей, преимущественно нефти и нефтепродуктов.

Известно, что пропускная способность и экономическая эффективность трубопроводной сети зависят от свойств перекачиваемых по нему жидкостей. Основным препятствием для обеспечения необходимой скорости перекачивания является вязкость. Снижение вязкости перекачиваемого продукта уменьшает гидравлическое сопротивление трубопроводной сети, что уменьшает энергозатраты на перекачку. В районах добычи нефти с низкой температурой окружающей среды вязкость перекачиваемой жидкости достигает таких значений, что энергозатраты на перекачку значительно повышают стоимость добываемой нефти, а в некоторых случаях делают ее перекачку практически невозможной.

Для увеличения эффективности процесса транспортировки вязкие жидкости подвергают предварительной обработке. Известно множество способов обработки жидкости, преимущественно нефти и нефтепродуктов, с целью уменьшения ее вязкости. Все известные способы можно разделить на несколько групп:

1. Применение различных жидкостей в качестве разжижителей [1]. К недостаткам можно отнести высокую стоимость процесса из-за необходимости добавления дополнительного продукта в вязкую жидкость (например, нефть) и в большинстве случаев невозможность повторного использования разжижителя.

2. Создание эмульсии нефти в воде [2] при помощи веществ-эмульгаторов [3, 4]. К недостаткам можно отнести использование дорогостоящих веществ-эмульгаторов, необходимость использования больших объемов воды, а также необходимость процесса восстановления нефти из эмульсии. Влияние на экологическую обстановку.

3. Воздействие на жидкость различными видами электромагнитного излучения и их комбинациями [5, 6]. К недостаткам можно отнести невысокую производительность способа и высокие энергозатраты.

4. Обработка нефти с помощью ультразвуковых колебаний высокой интенсивности [7, прототип].

Суть способа, принятого за прототип по [7], заключается в следующем. Обработку нефти осуществляют при помощи ультразвукового пьезоэлектрического преобразователя проходного типа, представляющего собой металлическую трубу с расположенными на ней вибраторами. Перекачиваемая жидкость проходит через цилиндр, выполненный в виде толстостенной трубы из материала с низким акустическим сопротивлением, внутренняя поверхность которой цилиндрическая, а наружная поверхность выполнена в форме многогранника, стороны которого разделены продольными по граням и кольцевыми пазами на излучающие участки, образующие с закрепленными на них пьезоэлектрическими элементами и четвертьволновыми стальными накладками составные полуволновые вибраторы. Обработка жидкости при перекачивании через трубу осуществляется в зоне размещения излучателей.

Такой способ перекачивания обеспечил снижение вязкости жидкости, поступившей в трубу и достигшей участка размещения излучателей.

В то же время методу, принятому за прототип, присущи следующие недостатки:

1. Способ не предусматривает предварительной обработки вязкой жидкости до поступления в трубу для перекачки, что не всегда практически реализуемо.

2. Преобразователь состоит из отдельных вибраторов, резонансные частоты которых могут лежать в широком диапазоне частот. В то же время все вибраторы питаются от одного генератора, выдающего напряжение определенной частоты, вследствие чего часть вибраторов работает с низким КПД или вообще не работает. В результате обработка производится неравномерно со всех сторон. Как следствие вышесказанного, способ реализуется с низким использованием энергии УЗ (КПД менее 15-20%).

3. Область интенсивного воздействия заключена в небольшом объеме внутри участка трубопровода, на котором закреплены излучатели, за пределами которого ультразвуковое поле быстро затухает.

4. Невозможность выкачивания и перекачивания вязких жидкостей из резервуаров, хранилищ.

5. Обработку необходимо производить только при полном заполнении внутренней полости трубы. В противном случае эффективность обработки резко снижается.

Таким образом, способ, принятый за прототип, характеризуется ограниченными функциональными возможностями, высокой сложностью изготовления, настройки и ремонта, а также низким КПД.

Суть предлагаемого технического решения заключается в том, что перекачиваемая вязкая жидкость подвергается обработке ультразвуковыми колебаниями следующим образом. Ультразвуковую обработку осуществляют погружением и перемещением в обрабатываемой жидкости излучателя, выполненного в виде стержня, состоящего из последовательно расположенных участков цилиндрической формы различного диаметра, причем длина каждого из участков большего диаметра соответствует одной пятнадцатой части длины волны, общая длина последовательно расположенных участков меньшего и большего диаметров соответствует половине длины волны ультразвуковых колебаний в материале стержня на рабочей частоте 22 кГц. Излучение УЗ-колебаний осуществляют с поверхности излучателя в зонах переходов между цилиндрическими участками различного диаметра с амплитудой колебаний, достаточной для возникновения кавитации в обрабатываемой жидкости, непрерывно вводят обработанную жидкость в центральный канал излучателя через торцевое отверстие в погруженной части излучателя и радиальные каналы, расположенные перпендикулярно к центральному каналу и выполненные на участках излучателя меньшего диаметра симметрично относительно участков большего диаметра, суммарное сечение всех входных каналов соответствует сечению выходного отверстия центрального канала. Обработанная жидкость выводится через выходное отверстие, а скорость перекачивания жидкости устанавливают с учетом исходной вязкости жидкости, размеров излучателя и мощности ультразвукового излучения.

Сущность способа поясняется чертежом, где представлен эскиз установки, реализующей предложенный способ.

Установка состоит из электронного генератора 1 и подключенной к нему электрическим кабелем 2 ультразвуковой колебательной системы 3. Электронный генератор представляет собой электронное устройство, преобразующее энергию электрической сети промышленной частоты в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты. Одним из основных требований, предъявляемых к электронному генератору, является необходимость обеспечения устойчивой работы на резонансной частоте ультразвуковой колебательной системы при любых нагрузках и мощностях излучения. В процессе работы колебательной системы рабочий инструмент создает вокруг себя ультразвуковое поле высокой интенсивности. Интенсивность ультразвуковых колебаний подбирается достаточной для образований кавитации на поверхности рабочего инструмента 4. В результате воздействия кавитации и ультразвуковых колебаний происходит снижение вязкости нефти и входящих в ее состав других жидкостей. Парафин, содержащийся в нефти и нефтепродуктах в качестве примеси, под действием ультразвуковых колебаний эмульгируется в нефть, это снижает его выпадение на стенках трубопровода и резервуаров и повышает эффективность перекачивания. Так же в процессе работы происходит нагрев рабочего инструмента и обрабатываемой жидкости (за счет вязкого трения в жидкости и теплопередачи от излучателя), что также способствует снижению вязкости. В результате вокруг рабочего инструмента создается область жидкости с пониженной вязкостью 7, которая легко откачивается с применением традиционных насосных установок. Откачивание обработанной жидкости производится через торцевой 5 и радиальные каналы 6.

Преимуществами предложенного способа являются:

1. Зону обработки можно менять простым перемещением излучателя;

2. Колебательная система с закрепленным на ней излучающим элементом имеет одну резонансную частоту. Генератор обеспечивает питание колебательной системы именно на частоте, соответствующей резонансной, в результате обеспечивается КПД аппарата в целом не ниже 50%;

3. Высокая эффективность обработки за счет высокой интенсивности создаваемого ультразвукового поля.

Технический результат заключается в снижении энергоемкости и стоимости процесса транспортировки вязких жидкостей за счет снижения их вязкости, в обеспечении принципиальной возможности откачки и транспортирования нефти при низких температурах.

Предложенный способ был реализован в действующей установке в лаборатории акустических процессов и аппаратов Бийского технологического института Алтайского государственного технического университета. Для проверки эффективности были проведены эксперименты по обработке нефти, растительных и технических масел с целью снижения их вязкости. Эксплуатация опытной установки позволила подтвердить эффективность предложенного способа и получить производительность 1000 литров в час при потребляемой мощности 3000 ВА. Мелкосерийное производство аппаратов, реализующих предложенный способ, планируется начать в 2008 г.

Литература

1. Заявка на изобретение №92010884 «Способ добычи высоковязкой нефти».

2. United States Patent 5,013,462. Method for improving production of viscous crude oil.

3. United States Patent 4,249,554. Method of transporting viscous hydrocarbons.

4. United States Patent 4,239,052. Method of transporting viscous hydrocarbons.

5. Патент РФ №2232124 «Способ плавления и снижения вязкости химических продуктов, преимущественно нефти и нефтепродуктов, и устройство для его осуществления».

6. Патент РФ №2103211 «Способ разогрева в емкости загустевших продуктов и устройство для его осуществления».

7. Патент РФ №2222387 «Ультразвуковой пьезоэлектрический преобразователь проходного типа».