Энергосбережение и инновационные технологии в топливно-энергетическом комплексе: материалы Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых ученых и специалистов, посвященной 50-летию создания Тюменского индустриального институ

• гидродинамические излучатели, в которых различными способами энергия вращающегося диска ротора преобразуется в акустические колебания различной частоты, формы, интенсивности.

Звуковые колебания или волновые процессы воздействуют на хими- ко-технологические процессы через так называемые эффекты первого (частота, интенсивность и скорость акустических колебаний) и эффекты второго порядков, т.е. нелинейные эффекты, развивающиеся в жидкости при распространении мощных акустических волн. К эффектам второго порядка относятся кавитация (разрыв сплошности жидкости), волновые течения (звуковой ветер), пульсация газовых пузырьков. При распространении звуковых волн в жидкой среде возникает пульсация, а именно, чередование сжатия и растяжения, причем амплитуда сжатия всегда равна амплитуде растяжения, а их чередование соответствует частоте колебания звуковых волн [1]. Это явление называется звуковым давлением.

При распространении волновых колебаний жидкости наблюдается тесно связанный со звуковым давлением эффект, называемый кавитацией. Кавитация – образование в жидкости пульсирующих пузырьков, заполненных паром, газом или их смесью. Различают акустическую кавитацию, возникающую при прохождении звуковой волны большой интенсивности, и гидродинамическую, обусловленную сильным локальным понижением давления в жидкости вследствие больших скоростей течения. В интенсивной звуковой волне во время полупериодов разряжения возникают кавитационые пузырьки, которые резко захлопываются после перехода в область повышенного давления, порождая сильные гидродинамические возмущения в жидкости. Во время этих захлопываний развиваются большие локальные мгновенные давления, достигающие сотен и тысяч атмосфер, при этом возникает мощная ударная волна. При захлопывании кавитационных пузырьков наблюдаются также местные повышения температуры и электрические разряды [5].

Одна из характерных особенностей кавитации состоит в том, что она является весьма своеобразным и эффективным механизмом локального концентрирования относительно невысокой средней энергии акустического поля в очень малых объемах что приводит к созданию исключительно высоких плотностей энергии.

Современные представления о механизме ультразвуковой кавитации связаны с предположением о наличии в жидкости зародышей в виде стабильных пузырьков газа, обладающих особыми свойствами, обеспечивающими возможность их длительного существования даже при высоких статических давлениях.

Результаты исследования влияния акустических колебаний на выход нефтяных фракций показывает, что при акустических воздействиях происходит диспергирование первоначальных зародышей кипения (пузырьков), в основном состоящих из низкомолекулярных соединений, растворенных

151

газов на более мелкие части. Под действием акустических колебаний пузырьковый поток (пузырек) будет совершать пульсирующие движения, т.е. пузырек переходит в активное состояние. При этом происходит периодическое изменение размеров пузырька. Вследствие таких пульсационных колебаний у поверхности пузырька возникают постоянные микротечения. Микропотоки, создаваемые пульсирующими газовыми пузырьками способствуют преодолению диффузионного сопротивления, создаваемого межфазным переходным пограничным слоем и односторонней диффузией испаряемой массы в пузырек. При интенсивности звука, превосходящей поры кавитации, могут формироваться новые «осколочные» зародыши, возникающие при захлопывании пузырьков так, что общее число пузырьков зародышей резко возрастает, то есть увеличивается количество центров кипения, таким образом акустические колебания ускоряют процесс массообмена.

При волновом воздействии на нефтяное сырье происходит уплотнение (конденсация) надмолекулярных образований, перераспределение углеводородных структур вследствие инициирования радикальных частиц за счет энергии, вносимой в дисперсную систему волновым полем. При температуре менее 120°С обработанное сырье находится в более активном состоянии, чем исходное в нем уже при комнатной температуре наблюдается рост парамагнитных центров в 3 раза. Под воздействием акустических колебаний создаются электрические микроразряды в жидкости, что приводит к ионизации, электрическим ударам и диссоциации молекул жидкости, растворенного газа и других веществ, проникающих в кавитационный пузырек на стадии его роста. Кавитация, обладая столь широкими свойствами, является мощным интенсификатором процессов нефтехимической технологии [3].

Нами было изучено влияние акустического воздействия на тяжелые высоковязкие сернистые нефти (Зюзеевская нефть). Исследования показали, что при акустической обработке нефти наблюдается изменение структуры и некоторых физико-химических свойств исследуемых объектов: повышается выход фракций (таблица 1), а также происходит повышение анилиновой точки фракций, понижение плотности и вязкости. Объяснение этому вероятно связано с увеличением содержания в озвучиваемом продукте относительно легких углеводородов (парафинов), которые находились в сольватной оболочке сложной структурной единицы.

Влияние акустической обработки, в первую очередь, связано с изменением дисперсной структуры обрабатываемого нефтяного сырья. Относительно легкие компоненты, которые за счет адсорбционных и ван-дер- ваальсовых сил удерживались в сольватной оболочке, могут высвобождаться и испаряться в кавитационный пузырек или просто попадать в дисперсную среду. При удалении наиболее легкой части из сольватной оболочки наблюдается уплотнение сложной структурной единицы (дисперс-

152

ная фаза) [2]. Кавитационные пузырьки, генерируемые при оптимальном избыточном давлении не только инициируют радикальный механизм процессов деструкции, но и интенсифицируют испарение легких фракций, испаряемость которых при максимальной кривизне поверхности неисчислимо большего количества пузырьков (минимальных размерах) до 12% выше, чем на обычной поверхности раздела фаз жидкость-пар. В пользу возможности разрыва связи в молекулах говорит также выделение сероводорода при разгонке обработанных образцов, который может образоваться в результате разрыва слабых С – S связей.

Таблица 1. Влияние продолжительности обработки на выход фракций и вязкость сырья.

Продолжи-	Выход фракции, % масс.					Вякость	Вязкость
тельность об-	200-	250-	300-		Сум	ВУ °Е	ВУ °Е
работки τ,						при	при
	250°С	300°С	350°С		ма
мин						50°С	80°С
0	5,1	8,3	12,8		26,2	303	182
5	5,9	9,0	13,3		28,2	280	175
10	6,3	9,9	13,9		30,1	252	171
15	6,5	10,3	14,3		31,1	240	168
20	6,7	11,0	14,8		32,5	231	161

Известно, что продолжительность жизни разных кавитационных пузырьков различна: одни из них захлопываются во время сжатия, другие, так называемые квазиустойчивые пузырьки, могут существовать несколько сотен периодов. Эти факты говорят о том, что эффект акустического воздействия сохраняется в течение некоторого времени, а затем вследствие релаксации система приближается к исходному положению. Период релаксации зависит от свойств системы. Поэтому перегонка должна осуществляться через минимальное время после обработки, пока система акустически максимально возбуждена.

Таким образом, наложение акустических колебаний позволяет значительно увеличить отбор светлых нефтепродуктов, а также снизить вязкость, что имеет значение при транспортировке нефти.

Дальнейшее расширение этой работы может дать новый инструмент для воздействия на нефтяное сырье с целью увеличения глубины его переработки.

Анализ представленных в отчете данных позволяет сделать вывод о полезности выполненной работы для понимания явлений, вызванных взаимодействием акустических колебаний с нефтью и нефтяными фракциями. Работа имеет практическое значение и будет продолжена с целью расширения области использования в нефтяной промышленности.

153

Литература

1.Маргулис М. А. Основы звукохимии. – М.: Высшая школа, 1984. – 272 с.

2.Сюняев З. И. Нефтяные дисперсные системы. – М.: Химия, 1990. – 224 с.

3.Новицкий Б. Г. Применение акустических колебаний в химикотехнологических процессах. – М.: Химия, 1983. – 41 с.

4.Хафизов Ф. Ш., Хафизов Н. Ф., Ванчухин Н. П. Процессы нефтепереработки в кавитационно-вихревых аппаратах. – Уфа: Изд-во Фонда содействия развитию научных исследований, 1999. – 112 с.

5.Гистлинг А. М., Баром А. А. Ультразвук в процессах химической технологии. – Л.: Гостхимизд., 1960. – 95 с.

ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ АКТИВАЦИЯ ПРОЦЕССОВ ПЕРЕРАБОТКИ НЕФТИ

Набиуллин Н. Н., Фахрутдинов Р. З., Солодова Н. Л., Гиззатуллин Э. А.

г. Казань, ФГБОУ ВПО «Казанский национальный исследовательский технологический университет»

e-mail: [e-mail]

Российский нефтеперерабатывающий сектор является важнейшей составляющей топливно-энергетического комплекса России. Нефтеперерабатывающая промышленность – замыкающее звено нефтяной отрасли. От ее состояния зависят показатели всей отрасли, экономика и обороноспособность страны.

Технологические процессы, связанные с добычей нефти, ее первичной подготовкой к транспортировке и переработке с последующим получением товарных нефтепродуктов связаны с большими энергозатратами. Сокращение запасов нефти, изменение структуры добываемой нефти в сторону ее утяжеления вызывает дальнейшее снижение эффективности использования этого невозобновляемого природного источника энергии. Другим недостатком используемых нефтяных технологий является то, что они были разработаны применительно к легким маловязким нефтям, тогда как доля трудноизвлекаемых высоковязких нефтей в общем балансе добычи непрерывно меняется в сторону утяжеления. Это обстоятельство вызывает дальнейшее усложнение и удорожание технологии добычи, транспортировки и переработки нефти.

В связи с этим поиск новых технологий в цепочке нефть в залежи → товарная нефть → товарный нефтепродукт является чрезвычайно актуальной.

154

Вданной работе эту проблему предлагается решить за счет природного явления – наличия в веществах колебательного движения. Появление резонансного явления в молекулах может привести к изменению физикохимических свойств вещества, к ускорению его химических превращений.

Впоследние годы в различных отраслях промышленности получило развитие новое научно-техническое направление — волновые технологии. Спектр решаемых задач с помощью волновой технологии весьма широк. Это, например, совершенствование технологического процесса закалки стальных деталей; повышение эффективности нефтедобывающих скважин; существенная интенсификация процессов получения жидкодисперсных материалов, аэрации жидкостей, газо-жидкофазных химических реакций и т.д. Эффект от применения волновой технологии в некоторых случаях может составлять сотни процентов.

Сущность волновой технологии заключается в возбуждении нелинейных колебаний в многофазных средах и использовании их и возникающих при этом нелинейных эффектов для интенсификации разнообразных физико-химических процессов [1], таких как диспергирование, тепло-, массообмен, ассоциация и диссоциация компонентов нефтяного сырья и других [2], на которых базируются разнообразные технологические процессы.

Целью работы было изучение влияния электромагнитного излучения определенной частоты на свойства нефти. Исследовано воздействие на нефтяное сырье когерентного электромагнитного колебания [3], затрагивающего С-Н связь и более слабые межмолекулярные связи.

Нами было изучено влияние электромагнитного излучения на тяжелые высоковязкие сернистые нефти (Зюзеевская нефть), на мазут из этой нефти и на нефть девонского месторождения, отличающаяся меньшим содержанием серы, меньшей плотностью, чем Зюзеевская нефть (рисунок

1,2).

Выбор такого объекта исследования вызвано тем, что нефть представляет собой смесь веществ, обладающих как различными величиной и характером магнитной восприимчивости, так и различными величиной и характером электрической поляризуемости. К тому же, нефть представляет собой систему, многие свойства которой, в том числе электрические и магнитные, определяются степенью ассоциации их компонентов, т.е. структурой, размером и составом сложных структурных единиц, образующихся в результате ассоциации молекул различных углеводородов и других соединений за счет межмолекулярных взаимодействий. Следовательно, можно ожидать значительного влияния неоднородных электромагнитных полей на свойства нефти и нефтепродуктов, которые определяют технологические параметры процессов, происходящих при добыче, транспортировке и переработке нефти.

155

	350
	300
	250
°С
Температура,	200
	150
	100
	50
	0
	0	10	20	30	40	50	60	70	80
					Выход, %масс.
	ИТК Зюзеевской нефти после электромагнитной обработки в течении 3 часов
	ИТК Зюзеевской нефти после электромагнитной обработки в течении 10 часов
	ИТК Зюзеевской нефти с отбором фракций до 310°С без обработки, опыт№2
	ИТК зюзеевской нефти, смешанной 1:1 обработанной и необработанной электромагнитным полем

		Рисунок 1 - Кривые разгонки Зюзеевсой нефти (скв 916) до, после
		электромагнитной обработки, с отбором фракций до 310°С и смешанной
			1:1 обработанной и необработанной нефти
	350
	300
	250
°С
Температура,	200
	150
	100
	50
	0
	0	10	20	30	40	50	60
				Выход, %масс.
	ИТК Девонской нефти после облучения в течении 3 часов
	ИТК Девонской нефти после облучения в течении 10 часов
	ИТК Девонской нефти, нагретой при температуре кипения при обработке в течении 6 часов,
	перегонка при облучении,дополнительно облучена после нагрева
	ИТК Девонской нефти без обработки, опыт №1
		Рисунок 2 - Кривые разгонки Девонской нефти
			(частота 72,2; сила тока 1,05)

156

Исследования показали, что при электромагнитной обработке нефти независимо от природы исходного сырья, наблюдается изменение структуры, некоторых физико-химических свойств, а также облегчение фракционного состава, что позволяет увеличить отбор светлых фракций (бензинокеросиновой и дизельной фракций) на 15-20%. Однако, как оказалось, восприимчивость нефти к излучению зависит от природы объекта обработки. В некоторых случаях наблюдалось явление релаксации. Как показали эксперименты, глубина влияния электромагнитного излучения зависит от природы нефти. Проведенные эксперименты приводят к выводу, что девонская нефть в условиях эксперимента с обработкой электромагнитным полем при выбранных вариантах воздействия на нефть менее чувствительна к электромагнитному воздействию, чем более тяжелая сернистая нефть Зюзеевского месторождения.

На примере обработки высоковязкой зюзеевской нефти и образца девонской нефти можно сделать вывод о том, что нефти склонны к изменению физико-химических свойств и фракционного состава в сторону его облегчения, хотя и в разной степени.

Таким образом, было выявлено, что при обработке низковаттным когерентным электромагнитным излучением нефтей различной природы, в основном отмечается увеличение выхода дизельной фракции, тогда как изменение выхода бензиновой фракции было менее существенным (рисунок 1,2). На наш взгляд, причиной такого поведения нефтяного сырья является резонансное воздействие электромагнитного излучения на сложные структурные единицы, приводящие к реструктуризации нефтяной дисперсной системы, к высвобождению легких фракций из сольватной оболочки.

Литература

1.Маргулис М. А. Основы звукохимии. – М.: Высшая школа, 1984. – 272 с.

2.Сюняев З. И. Нефтяные дисперсные системы. – М.: Химия, 1990. – 224 с.

3.Шляхтин Н. Г. Новое в квантовой физике. – Рыбинск: Принтер, 2006.

– 94 с.

4.Шляхтин Н.Г., Дияров И.Н., Фахрутдинов Р.З., Ганиева Т.Ф. О расчете резонансной частоты «углерод-водород» в углеводородах нефти // Нефтепереработка и нефтехимия. – 2010. – №8. – С.12.

157

РАЗРАБОТКА СПОСОБА ПОЛУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ВО ВРЕМЯ ДВИЖЕНИЯ АВТОМОБИЛЯ

Носач С.М.

Тюменский государственный нефтегазовый университет, Тюмень

Всовременном мире, в котором неотъемлемой частью нашей жизни стали различного рода технологии, не малое место занимают и автомобили. Эти технически совершенные устройства, без которых, только единицы способны представить себе нормальную жизнь, имеют один огромный недостаток. А именно, для того, чтобы привести автомобиль в движение, нужен силовой агрегат, способный выдавать достаточный, как минимум, крутящий момент и мощность, затрачивая для этого нужную ему энергию. Этим силовым агрегатом является двигатель внутреннего сгорания, а столь необходимая энергия получается путем сжигания различного рода топлива, получаемого из природных ресурсов. Это, как следствие, приводит к неблагоприятным последствиям, наиболее важным из которых является загрязнение окружающей среды.

Внастоящее время существует немало альтернативных силовых агрегатов, основными из которых являются гибридный двигатель, использующий ДВС-генераторную установку, водородный двигатель внутреннего сгорания, имеющий довльно сложную конструкцию, роторно-поршневой двигатель, так же работающий на топливе, но потребляющий его в меньшом количестве и имеющий довольно высокий КПД, при этом у такого двигателя малый ресурс прочности. Поэтому более приемлемым я считаю применение электродвигателя, так как он экономичен по части эксплуатации, не требуя применения различного рода масел и охлаждающих жидкостей, загрязняющих окружающую среду. Из этого следует, что такой тип привода для автомобилей экологически чище по сравнению с альтернативными силовыми агрегатами, так как ко всему выше сказанному, у него отсутствуют продукты горения топлива. Ко всему прочему, у электродвигателей ходовые характеристики на порядок выше, так как максимальный крутящий момент доступен с малых оборотов двигателя. Но такой тип привода имеет и недостатки. Основным из них является малый запас пути, связанный с недостаточной емкостью аккумуляторов.

Данную проблему можно решить, направив энергию встречного потока воздуха, которая воздействует на автомобиль как сопротивление, в правильное русло. А именно, этого можно добиться тем, что поток будет оказывать на вентилятор, установленный на валу двигателя через управляемую муфту, силу, способствующую его вращению, в то время как двигатель уже будет вращаться под воздействием ЭДС, приводя автомобиль в движение. За счет этого момент на валу двигателя уменьшится, что позволит снизить расход электроэнергии. Управляющая муфта на валу нужна

158

для уменьшения нагрузки на двигатель в тот момент, когда встречный поток воздуха недостаточен. Так же такая схема позволит накапливать энергию во время рекуперативного торможения. То есть, когда на двигатель прекратится подача электроэнергии, а это значит, что ускорение автомобиля будет равно нулю, двигатель переключится в генераторный режим. Такой режим будет продолжаться до тех пор, пока на двигатель снова не подадут питание. За счет того, что вентилятор установлен на валу двигателя, он будет продолжать вращать двигатель в рекуперативном режиме, так же затрачивая часть своей энергии на вращение колес, если управляемая муфта не будет разомкнута. Такая комбинация позволит двигаться автомобилю под воздействием кинетической энергии в купе с энергией, получаемой со встречного воздушного потока.

Это позволит отказаться от ДВС, снизить затраты электроэнергии на движение автомобиля, снизить количество аккумуляторных батарей, а следовательно и веса автомобиля, снизить затраты на производство электромобилей, а значит и их конечную стоимость, а так же увеличить дальность его хода, не применяя генераторных установок на основе ДВС. Так же это позволит сохранить энергоресурсы нашей планеты, защитить ее окружающую среду от вредного воздействия выбросов двигателей внутреннего сгорания. Но для получения лучшего КПД, встречный воздушный поток должен быть максимальным, поэтому данная идея направлена на то, что бы увеличить расстояние, пройденное автомобилем на электрической тяге, в купе с современными разработками.

Литература

1.Экология и жизнь. Электромобиль - реальная альтернатива ДВС? [Электронный ресурс]: научно-популярный журнал/ - Электрон. жур.

– Москва: 2013. – Режим доступа: http://www.ecolife.ru/infos/agentstvo-ekoinnovatsijj/14246/

2.Education Computing Mathematics. Альтернативы двигателям внут-

реннего сгорания [Электронный ресурс]/ Фролов М.А.- Электрон. жур. – Москва: 2013. – Режим доступа: http://www.mce.su/eng/archive/abstracts/mce20/sect128335/doc177308/

РАЗРАБОТКА АВТОНОМНОГО БИОГАЗОВОГО ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА.

Петров К.В., Паутов Д.Н.

г. Тюмень, ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет»

e-mail: [e-mail]

159

Всвязи с наращиванием объемов потребления традиционных энергоносителей в последнее время все больше внимания уделяется возобновляемым источникам энергии, таким как солнечное излучение, энергия ветра, волн, геотермальная и тому подобные виды энергии. Одним из подобных видов сырья является и биогаз, использовавшийся еще в Древнем Китае и которому снова находят применение уже в наше время.

Биоэнергетика специализируется на получении возобновляемого, экологически чистого горючего биогаза и считается одной из самых перспективных отраслей, так как имеет ряд преимуществ по сравнению с другими возобновляемыми видами ресурсов. Биоэнергетика является надежной и экономически выгодной альтернативой магистральному природному газу и централизованному электроснабжению, а использование отходов производственных предприятий, предприятий животноводства, растениеводства, пищевой промышленности для производства биогаза может сделать компанию собственником небольшого газового месторождения с годовой добычей от 1 до 20 млн. куб. м и электростанции мощностью от 300 кВт до 10 МВт [1].

Целью исследования является разработка и создание автономного биогазового электротехнического комплекса для энергоснабжения сельскохозяйственных и промышленных предприятий, а также индивидуальных потребителей, состоящего из устройства по преобразованию тепловой энергии в электрическую с применением асинхронного самовозбуждающегося генератора с двумя распределенными обмотками на статоре, как наиболее экономичного и экологически чистого источника энергии.

Новизна данной работы подтверждается полученными патентами на способ преобразования тепловой энергии [2] и на устройство асинхронного генератора с двумя распределенными обмотками на статоре [3].

Актуальность работы определяется фактором роста цен на электроэнергию и газ в нашей стране [4], а также больших капитальных затрат на строительство инфраструктуры для электроснабжения предприятий и индивидуальных потребителей (ЛЭП, трансформаторные подстанции), удаленных от центров питания электроэнергией. В связи с этим актуальным становится вопрос строительства автономных объектов малой генерации приближенных к потребителям и использующих альтернативные виды энергии.

Вкачестве такого объекта малой генерации предлагается электротехнический комплекс, состоящий из устройства по преобразованию тепловой энергии в электрическую с применением асинхронного самовозбуждающегося генератора с двумя распределенными обмотками на статоре.

Данная разработка является актуальной и имеет большой потенциал

вразвитии и использовании во многих регионах нашей страны и в частности в Тюменской области, являет собой весьма масштабный проект, направленный на различные сферы человеческой деятельности, такие как

160