超声波在石油化工中的研究进展

2022-09-12

作为现阶段较为新兴的交叉学科, 超声波以自身能够使化学反应加速的特征被广泛应用于石油化工领域中。对超声波化学效应的研究以Loomis与Richards为领先人物, 使许多科学家开始关注如何促进其应用效果的发挥。因此, 对超声波在石油化工中的研究进展分析具有十分重要的意义。

1 超声波的基本原理分析

相比普通声波, 超声波在功率、介质吸收、波长频率等各方面都有明显的优势。尤其当超声波达到一定强度的条件下, 能够在介质中传播时出现一系列的效应。对其可具体总结为超声波的机械作用、热学作用、空化作用以及化学作用等方面。其中机械作用主要指介质质点在超声波作用下发生伸张或压缩导致压力发生变化, 此时便产生了机械效应。在热学作用方面, 介质在超声波传播时会进行不断的吸收, 使自身温度逐渐升高, 而且这种现象会随超声波振动的频率变化表现出不同的特征。在空化学作用方面, 声场的作用会使液体中微气泡发生振动, 微气泡会在声压值上升过程中发生由膨胀到湮灭的变化, 此过程便为超声波空化作用。而化学作用的发生主要受自由基的影响, 这种自由基一般是在液体分子受高温高压的作用所形成的[1]。

2 影响超声波作用的因素分析

由前文可知, 超声波的作用通常体现在机械作用、热学作用、空化作用以及化学作用等方面, 但这些作用实现过程中往往会受很多因素影响如液体界面性质、声强、超声波的频率、发生器类型以及溶解气的种类等。作为超声波动力来源的空化作用若存在频率较低的超声波、较大的声强、张力较低的界面以及含溶解气等可使其作用效果得到充分发挥。但需注意超声波的频率、声强与液体溶解气应控制在一定范围内, 避免其造成空化作用的削弱。除此之外, 超声波作用的发挥往往也受探头式或槽式等类型的发生器影响[2]。

3 石油化工领域中超声波应用的研究进展

3.1 从防蜡与降粘的角度

由于我国的原油具有重质化与高粘化等特点, 无论在炼制或输送过程中都具有一定的难度。因此利用超声波可起到一定的降粘与防蜡作用, 解决稠油的加工与输送难题。以往学者的研究为例, 通过声波处理约为25%的熔蜡油时, 利用显微镜可发现处理前以网状结构为主, 而处理后蜡晶结构中的微粒会以均匀分布的形式呈现, 证明防蜡降粘在超声波的作用下会起到良好的效果。再如将含蜡原油置于38℃中, 流量设置为10L/min, 并在长度为60cm且内径为1.9cm的管内进行流动, 可发现利用超声波前, 结蜡量大约在520mg左右, 而利用超声波的情况下结蜡量将控制在350mg左右。若利用超声波对凝固状态的原有处理, 也可发现高熔点处的原油融化速度将明显增加。这就充分说明利用超声波过程中, 蜡晶的吸出得以延缓, 原有的流动性将逐渐升高。另外, 对掺“活性水”的稠油利用超声波处理试验中, 也发现稠油的黏度大幅度降低, 使长距离的输送得以保证。

3.2 从防垢与除垢的角度

在以往的实践过程中发现, 对石油化工中的设备应用化学药剂可以起到防垢除垢的作用, 但往往会出现设备被腐蚀的现象。基于此现状, 相关人士开始将超声波防垢装置设置于石油化工的加热炉中, 发现其防垢除垢的效果极为良好。也有学者对超声波作用下的水样利用电镜进行观察, 发现水中1-50um垢粒增多, 而超过50um垢粒数量有所减少, 并且垢粒在结构上主要以疏松状为主, 很难吸附于器壁上。这就充分说明垢粒在超声波作用下被明显的破坏, 对存有垢粒的设备或管线能够进行除垢。

3.3 从超声波破乳的角度

对原油破乳利用超声波时, 需确保气候条件较为温和, 使其能够与破乳剂发生协调融效应, 便可实现高油水分离率以及破乳剂用量的降低。尤其在混合原油破乳中利用超声波作用, 可发现破乳脱水速度在超声波作用下速度极快, 脱水率也明显上升, 而且通过水中细菌含量与油含量的降低也能使脱水水质得到很大程度的改善。充分证明超声波的破乳作用。另外, 也有学者从理论角度对超声波作用下, 油中水滴粒子所发生的位移效应进行分析, 使油水分离能够利用超声波具有一定的理论依据。