Главная страница
Навигация по странице:

  • СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ

  • ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

  • ГЛАВА 3. ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЙ

  • ГЛАВА 1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ Вредные примеси в нефти

  • Классификация водонефтяных эмульсий

  • Устойчивость и «старение» эмульсий

  • Методы разрушения нефтяных эмульсий

  • Деэмульгаторы и механизм их действия

  • 1.6. Определение устойчивости возможных образуемых комплексов с помощью квантово-химического моделирования

  • ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ОБЗОРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

  • 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ 2.1 Методы анализа нефти месторождения им.Ю.Корчагина

  • 2.3 Математическое планирование эксперимента и статистическая обработка результатов

  • Отчет по учебной практике. Обзор основных научноисследовательских направлений в области обезвоживания нефти


    НазваниеОбзор основных научноисследовательских направлений в области обезвоживания нефти
    Дата13.02.2018
    Размер495 Kb.
    Формат файлаdocx
    Имя файлаОтчет по учебной практике.docx.docx
    ТипРеферат
    #36420
    страница1 из 2
      1   2

    СОДЕРЖАНИЕ
    ВВЕДЕНИЕ……………………………………………………………………….3

    ГЛАВА 1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ…………….............................................................................................. 5

      1. Вредные примеси в нефти……..………………………………..................5

      2. Классификация водонефтяных эмульсий………………………………...6

      3. Устойчивость и «старение» эмульсий……….……………………………7

      4. Методы разрушения нефтяных эмульсий…………………………...….10

      5. Деэмульгаторы и механизм их действия………...…………………..….13

      6. Определение устойчивости возможных образуемых комплексов с помощью квантово-химического моделирования ………………………….16

    Заключение по обзору и постановка задач исследования……….…………..18

    ГЛАВА 2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ…………………19

    2.1 Методы анализа нефти месторождения им.Ю.Корчагина…………..…..19

    2.2 Выбор расчетного метода для определения устойчивости возможных образуемых комплексов ………………………………………………………..20

    2.3 Математическое планирование эксперимента и статистическая обработка результатов.............................................................................................................23

    ГЛАВА 3. ПЛАН ИССЛЕДОВАНИЙ..............................................................25

    СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.................................................................................26

    ВВЕДЕНИЕ
    Нефть является одним из главных энергоресурсов мировой экономики. Несмотря на развитие восполняемых видов энергии, их вклад в мировой энергетический рынок незначительный. В последние годы мы видим тенденцию в борьбе за рынок крупные экспортеры нефти наращивают добычу. В то же время, доля запасов нефти и газа, которые находятся в удаленных районах, запасов, которые трудно извлекать, а также низкодебитных запасов растет с каждым годом

    Один из путей решения стоящих перед газо- и нефтедобывающей отраслью задач связан с применением новых технологий в целях повышения коэффициента извлечения.

    Существует множество различных способов интенсификации производства и добычи: нагревание, введение ПАВ, добавок, компаундирование, ультразвуковое воздействие и др. Однако нет универсальных методов, необходимо их адаптирование к конкретному месторождению, к конкретному сырью, так как нефти, газоконденсаты и продукты из них характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением и свойствами [5]. При изучении нефтяных систем нельзя ограничиваться только выяснением фракционного, группового и химического состава, данными элементного анализа и т.п. Не менее важно знать, в каком состоянии – молекулярном или дисперсном находится данная система в исследуемом интервале внешних условий. Закономерности поведения и физико-химические свойства нефтяной системы в молекулярном или дисперсном состоянии даже при одинаковом составе могут существенно отличаться [6].

    Принципиально новый подход к решению проблемы — это прогнозирование свойств и устойчивости комплексов с использование расчетных квантово-химических методов.
    Всесторонний анализ и единство рассмотрения физических и химических взаимодействий компонентов нефтяных систем, приводящих к изменению их строения, открывает принципиально новые возможности для интенсификации процессов в практике добычи, транспортировки и переработки нефти и нефтепродуктов.
    ГЛАВА 1. ОБЗОР ОСНОВНЫХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ НАПРАВЛЕНИЙ В ОБЛАСТИ ОБЕЗВОЖИВАНИЯ НЕФТИ

      1. Вредные примеси в нефти

    Нефть, поступающая с нефтепромыслов на нефтеперерабатывающий завод (НПЗ), почти всегда содержит различные механические примеси и пластовую воду, в которой растворены минеральные соли (рисунок 1.1.1) [1,2,3].



    Рисунок 1.1.1 – Фрагменты добываемой нефти

    Присутствие солей в нефти, как хлориды, дезактивирует катализаторы нефтепереработки, корродирует оборудования во время эксплуатации нефтеперерабатывающего завода. Наличие механических примесей в углеводородном сырье приводит к снижению качества получаемых нефтепродуктов, сокращению срока службы дорогостоящих катализаторов, забивке аппаратов и, как следствие, необходимости экстренных остановок установок. [3,4].

    Перемешивания воды и сырой нефти способствуют образованию стабильных эмульсий, в которых вода остается диспергированной в течение длительного периода времени. Чаще всего размер частиц воды настолько мал, что процесс саморазделения не происходит в обычных условия.

    Эти эмульсии могут вызвать серьезные трудности в работе производства, поэтому процесс удаления воды из нефти является необходимым этапом подготовки сырья и обусловлен причинами:

    • нефть с водой образует стойкие эмульсии;

    • вода вызывает коррозию внутренней поверхности аппаратов нефтеперерабатывающих установок;

    • наличие воды нарушает технологический режим;

    • сильно обводненная нефть имеет низкую рыночную стоимость, транспортировка которой экономически нецелесообразна.[5,6,7].




      1. Классификация водонефтяных эмульсий

    Существуют условия, которые необходимы для формирования нефтяных эмульсий:

    1. две несмешивающиеся жидкости должны быть приведены в контакт;

    2. наличие эмульгаторов  природных стабилизаторов;

    3. достаточное перемешивание  этот эффект должен быть обеспечен для того, чтобы распределить одну жидкость в другой в виде капель.[5,8,9].

    Эмульсии существуют в виде:

    • вода в нефти (В/Н) – эмульсия, в которой вода образует дисперсную фазу;

    • нефть в воде (Н/В) – эмульсия, в которой нефть присутствует в качестве дисперсной фазы.[3,5,8,10-17].

    Водонефтяные эмульсии подразделяются на:

    • множественные эмульсии мало подвержены разрушению традиционными способами и представляют собой эмульсии, в которых мелкие капли нефти распределены в крупных глобулах воды. Для них характерно повышенное содержание механических примесей;

    • разбавленные эмульсии – это высокодисперсные эмульсии, близкие к коллоидным растворам. Такому виду свойственна агрегативная устойчивость без наличия в них эмульгаторов;

    • концентрированные эмульсии – это эмульсии, образованные в процессе добычи и подготовки нефти.[3,5,11,15,17].




      1. Устойчивость и «старение» эмульсий

    Устойчивость эмульсий объясняет бронирующий слой из слабо полярных компонентов нефти, который окружает капли воды. Структурно-механический барьер на границе фаз нефть-вода настолько высок, что препятствует коалесценции глобул воды.[18]. Существует кинематическая и агрегативная устойчивость.

    Кинематическая устойчивость характеризует способность эмульсионной системы в течение некоторого промежутка времени не расслаиваться на две несмешивающиеся фазы [10,14,17,19]:

    (1.3.1)

    где V скорость оседания частиц дисперсной фазы с радиусом r;

    ��  кинематическая вязкость, м2

     разность плотностей воды и нефти, кг/м3;

    g ускорение свободного падения, м2/с.

    Агрегативная устойчивость  это способность частиц дисперсной фазы при их столкновении друг с другом сохранять свой первоначальный размер.[13,14,19].

    По Ребиндеру устойчивость водонефтяных эмульсий определяется продолжительностью их существования τ [10,15,16,17]:

    , (1.3.2)

    где H  высота столба эмульсии, см;

    - средняя линейная скорость саморазделения системы, см/сек.

    Способность двух взаимно не растворяющихся жидкостей образовывать эмульсии характеризуется величиной γ [15]:

    (1.3.3.)

    С увеличением показателя γ возрастает способность к формированию эмульсий типа В/Н, а с уменьшением – к образованию эмульсий типа Н/В. [17].

    Устойчивость эмульсий обусловлена наличием в них веществ- стабилизаторов. К ним относятся:

    • поверхностно-активные вещества (ПАВ), создающие структурированные молекулярные слои на границе раздела фаз при адсорбции. Поверхностно  активные компоненты нефти могут стабилизировать эмульсии как обратного, так и прямого типа;

    • твердые вещества минерального и органического характера  частицы песка, глины, микрокристаллы солей;

    • вещества со слабыми поверхностно - активными свойствами  асфальтены, высшие смолы, которые сосредоточены в нефтяной фазе и образуют структурированные слои с высокой прочностью.[2,5,10,11,16,17].

    Образование адсорбционных пленок – это процесс, протекающий постадийно. Первая - это перенос асфальтенов к поверхности глобул воды с последующей адсорбцией на поверхности капель воды. На толщину пленки влияют концентрация веществ-стабилизаторов и их подвижности. Заключительная стадия основана на разрушении адсорбционного слоя с участием ПАВ.[20].

    В работе [21] изложены выводы исследования влияния асфальтенов на устойчивость водонефтяных эмульсий. Так Лоренс, Келлнер, Бартел и Недерхаузер пришли к заключению, что для большей части месторождений асфальтены – это основной стабилизирующий компонент из ряда высокомолекулярных веществ. Берридж, Тью и Лористон-Кларк считают, что существует прямая зависимость между количеством асфальтенов и стойкостью эмульсий. В результате удаления их из состава нефти наблюдается снижение способности формирования устойчивых эмульсий.

    «Старение» эмульсий – это явление, вызванное адсорбцией эмульгаторов на границе раздела нефть – вода. Каждая глобула воды окружена концентратом эмульгаторов, образующих прочный сольватный слой, который затрудняет процесс слияния глобул при самопроизвольном столкновении. На рисунке 1.3.1 изображена сольватная оболочка на поверхности капель воды. [16].



    Рисунок 1.3.1 Сольватный слой на поверхности глобул воды:

    1 – толщина оболочки; 2, 3 – эмульгаторы; 4 – глобула воды; 5 – нефть
    Процесс формирования сольватного слоя начинается в момент дробления глобул воды на более мелкие и длится от нескольких часов до нескольких дней. Чем больше время жизни эмульсии, тем прочнее защитная оболочка, тем труднее поддается разрушению.[1,5,22].

    По степени старения водонефтяные эмульсии, представленные на рисунке 1.3.2 [16],подразделяются на:

    • легко расслаивающиеся;

    • средней стойкости;

    • стойкие.





    а б

    в

    Рисунок 1.3.2 Виды водонефтяных эмульсий под микроскопом:

    а – легко расслаивающаяся эмульсия; б – эмульсия средней стойкости; в – стойкая эмульсия
    Для легко расслаивающихся эмульсий характерны крупные глобулы воды, для стойких – мелкие, эмульсии средней стойкости занимают промежуточное место.[20].


      1. Методы разрушения нефтяных эмульсий

    Дестабилизация эмульсий происходит в несколько этапов:

    • флокуляция;

    • коалесценция;

    • разделение фаз или осаждение.[14,15,20].

    Флокуляция капель воды в системе вода в нефти включает их агрегацию для формирования кластеров. Во время стадии коалесценции, кластеры соединяются с образованием более крупных капель, этот процесс в конечном итоге может привести к разделению фаз или осаждению под действием силы тяжести.

    Слияние капель воды в более крупные усиливается следующими факторами:

    • высокая скорость флокуляции увеличивает частоту столкновений между капельками;

    • отсутствие механически прочных пленок, которые стабилизируют эмульсии;

    • высокая обводненность увеличивает частоту столкновений между капельками;

    • низкая вязкость усиливает слияние и падение капель воды;

    • деэмульгаторы;

    • высокие температуры.

    Методы разрушения эмульсий, представленные ниже, известны давно и относятся к традиционным. Каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. Одни нашли широкое применение в промышленности, другие используются в лабораторных условиях.

    Разрушение эмульсий возможно следующими методами:

    • гравитационное отстаивание;

    • фильтрация;

    • центрифугирование;

    • химический;

    • термический;

    • термохимический;

    • электрический;

    • воздействие магнитным полем;

    • ультразвуковая обработка.

    Расслоение эмульсий путем отстаивания не применяется как отдельный метод из-за низкой производительности. Способ фильтрования не нашел широкого промышленного применения, поскольку фильтрующий материал за короткий промежуток времени утрачивает свою эффективность.

    Химический метод

    Данный метод основан на применении деэмульгаторов, предназначенных для нейтрализации стабилизирующего эффекта эмульгаторов. Расслоение эмульсий зависит от правильно выбранного специального реагента, достаточного его количества и времени перемешивания с эмульсией. Химический способ применим совместно с другими, например, в комбинации с термическим и волновым воздействиями. Особенность применения добавок заключается в детальном подборе действенного деэмульгатора, который улучшает качество нефтепродуктов. [5,13,16,23].

    Термический метод

    Применение тепла способствует разделению нефть - вода и ускоряет процесс обработки. Повышение температуры имеет следующие положительные эффекты:

    • снижает вязкость нефти;

    • увеличивает подвижность капелек воды;

    • увеличивает скорость осаждения капель воды.

    Все эти факторы способствуют дестабилизации эмульсии. Однако, термический метод имеет недостаток - потеря легких фракций из сырой нефти и энергетические затраты.[1,5].

    Термохимический способ

    Этот способ нашел широкое практическое применение на промыслах. Основан на сочетании тепла и специальных добавок. Так нагрев эмульсии снижает ее вязкость и устойчивость сольватного слоя на поверхности глобул воды. Дестабилизация нефтяной системы облегчает укрупнение капель воды и последующую их коалесценцию. [5,11,15,22].

    Электрический способ

    Под действием электрического поля высокого напряжения капли воды заряжаются, начинают двигаться по направлению силовых линий поля. Данный способ широко применим на установках электрообессоливания и обезвоживания.[11,15-17,23,24].

    Дестабилизация нефтяных эмульсий возможна методом магнитного поля. Так в [25] НГДУ «Уфанефть», НГДУ «Белкамнефть», Инжиниринговая компания «ИНКОМП-НЕФТЬ» совместно с БашНИПИнефть и ТПП «Когалымнефтегаз» провели лабораторные испытания магнитного воздействия на водонефтяные эмульсии. Обработка проб осуществлялась переменным и постоянным магнитным полем с частотой 30-50Гц и с использованием деэмульгаторов СНПХ-4410, ХПД-005 и Союз А. Таким образом, по результатам испытаний можно сделать выводы: магнитная обработка эмульсий увеличивает их среднюю скорость расслоения на 50%, уменьшает вязкость в среднем на 30%, снижает остаточное содержание воды в нефти и расход деэмульгатора, добавляемого в исследуемые пробы.[26].

    Метод ультразвуковой обработки эмульсий. Роль ультразвука – инициирование механических колебаний, которые ускоряют процессы коагуляции и коалесценции.[19,27,28]. Это способ физического воздействия является мало энергоемким, простым в аппаратурном оформлении. Стоит отметить, что ультразвуковая обработка относится к безреагентным методам. Авторами [28] проведены исследования влияния ультразвукового воздействия на процесс обезвоживания сверхвязкой нефти и сделаны следующие выводы: ультразвуковые колебания с частотой 20-100 кГц позволяют добиться остаточной массовой доли воды в нефти до 0,9% без использования специальных добавок-деэмульгаторов.


      1. Деэмульгаторы и механизм их действия

    Структура и химический состав деэмульгаторов очень разнообразны (рисунок 1.5.1). [5,11,15,22,29].

    Деэмульгаторы



    Неионогенные

    Ионогенные




    Нефтерастворимые

    Катионоактивные

    Анионоактивные



    Амфотерные

    Водонефтерастворимые



    Водорастворимые

    Рисунок 1.5.1 – Классификация деэмульгаторов

    В отличие от ионогенных деэмульгаторов неионогенные в водных средах ионов не образуют. Неионогенные вещества повышают эффективность обработки эмульсий высокой обводненности, содержащих асфальтены, смолы и парафины. Использование добавок такого типа облегчает очистку сточных вод.[16,17].

    По растворимости в воде неионогенные деэмульгаторы разделяют на водорастворимые, водонефтерастворимые и нефтерастворимые.

    С практической точки зрения устаревшие водорастворимые деэмульгаторы менее действенны, ухудшают динамику расслоения эмульсий, образуя с водой твердые вещества. По объему дозирования, необходимого для получения качественной продукции, водорастворимые уступают нефтерастворимым добавкам.[30].

    Поэтому наиболее предпочтительны последние:

    • расход добавок практически не зависит от количества воды в нефти;

    • легко смешиваются с нефтью, не загрязняют сточные воды из-за низкой степени вымывания водой;

    • оставаясь в нефти, не допускают образование новых стойких эмульсий;

    • применяются без растворителя;

    • нефтерастворимые деэмульгаторы – легкоподвижные жидкости, которые применяются в товарном виде без предварительного процесса подготовки раствора. Такая непрерывная процедура дозирования более оптимальна.[30].

    Деэмульгаторы классифицируются по области применения: одни разрушают эмульсии вода в нефти, другие – нефть в воде, третьи борются с обессоливанием нефти, четвертые – реагенты двойного действия (деэмульгаторы и ингибиторы).[5].

    Деэмульгаторы не должны вызывать коррозию внутренней поверхности аппаратов и обладать бактерицидной активностью, токсичными свойствами.

    Деэмульгаторы должны:

    • обладать максимально высокой деэмульгирующей активностью;

    • быть биологически легко разлагаемыми;

    • быть безвредными для людей;

    • иметь низкую себестоимость;

    • иметь низкую температуру застывания;

    • улучшать качество нефтепродуктов. [5,30,31].

    Разрушение нефтяной эмульсии с помощью деэмульгатора – это процесс сложный. Деэмульгатор разрушает прочную сольватную оболочку на глобулах воды, образованную эмульгаторами нефти. Природные стабилизаторы теряют свою прежнюю устойчивость и диспергируются в нефтяной фазе. Процесс действия деэмульгаторов на нефтяную эмульсию изложены в трудах П.А.Ребиндера. [21].

    При попадании в эмульсию добавка проходит две основные стадии:

    1. доведение деэмульгатора до поверхности глобул эмульгированной воды;

    2. проникновение деэмульгатора в адсорбционные слои на глобулах воды с последующим разрушением.[1,20].

    На эффективность первой стадии влияет способ ввода добавки, ее физико-химические характеристики, углеводородный состав нефти, турбулентность потока. На результативность стадии влияет растворимость реагента в фазах эмульсии. [20].

    Вторая стадия связана с активностью деэмульгатора на межфазной поверхности нефть-вода. Механизм деструкции адсорбционных слоев заключается в диффузионной транспортировке деэмульгатора к поверхности слоя, последующей адсорбции и проникновении в объем слоя, формировании дефектов и трещин в его структуре, изменении поверхностного натяжения и ослаблении прочностных свойств слоя. Все это влияет на реологические свойства пленок на границе раздела фаз.[20].

    1.6. Определение устойчивости возможных образуемых комплексов с помощью квантово-химического моделирования

    Изучение свойств молекул и их соединений представляет собой значительный интерес для понимания протекания реакции и участия в них отдельных групп, составляющих ту или иную молекулу. Согласно гипотезе о молекулярном строении, молекула представляет собой набор атомов, связанных совокупностью связей [37]. Эта гипотеза и в настоящее время продолжает служить основным средством упорядочения и классификации наблюдений в химии. Любые эксперименты подтверждают тот факт, что понимание химического поведения системы возможно, только если принять, что атомы существуют и именно они определяют строение системы и её свойства [38]. Однако проблема понимания молекулярного строения материи состоит главным образом в том, что молекулу нельзя непосредственно описать с помощью физических законов, управляющих движением ядер и электронов, образующих атомы и связи. В основе химии лежит мощная классификационная схема, которая имеет определенные ограничения из-за своего эмпирического характера.

    В основе современной квантовой химии лежит уравнение Шредингера для стационарных состояний. Точно решить это уравнение в случае многоэлектронных систем не удается, поэтому в квантово-химических расчетах используются приближенные методы. На практике обычно пользуются полуэмпирическими и неэмпирическими методами. Они различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие между электронами и электронами и ядрами. В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов. В неэмпирических методах проводится непосредственный аналитический расчет матричных элементов. Однако неэмпирические методы также являются приближенными. Большинство неэмпирических расчетов проводят в базисах небольшого и среднего размеров. Это вносит некоторую ошибку в результаты расчетов.

    Неэмпирические (от лат. abinitio – сначала) методы дают большую надежность оценки свойств неизвестных химических соединений, однако требуют несравнимо больших ресурсов ЭВМ. Особенно это касается оптимизации геометрии или проведения молекулярно-динамических расчетов. Для оптимизации геометрии рекомендуется, на начальном этапе использовать молекулярную механику, затем – один из полуэмпирических методов, для того, чтобы получить более или менее обоснованную начальную геометрию [37].

    Полуэмпирические методы решают уравнение Шредингера для атомов и молекул с использованием определенных приближений и упрощений. Эти методы характеризуются тем, что расчет ведется только для валентных электронов; пренебрегаются интегралы определенных взаимодействий; используются стандартные неоптимизированные базисные функции электронных орбиталей и используются некоторые параметры, полученные в эксперименте [39]. Экспериментальные параметры устраняют необходимость расчетов ряда величин и корректируют ошибочные результаты приближений.

    Полуэмпирические методы позволяют производить вычисления со значительно большей скоростью и даже могут давать результаты, лучше согласующиеся с экспериментом для химических соединений, близких по структуре с теми, на которых была произведена параметризация.

    В работе Шутковой С.А. [9] исследуется надмолекулярная структура наночастиц нефтяных асфальтенов с использованием ограниченного метода Хартри-Фока RHF 3-21G**. Показано, что увеличение количества бензольных колец в димерах асфальтенов приводит к формированию более компактной надмолекулярной структуры. Выводы делаются на основе изменения двугранного угла между виртуальными плоскостями бензольных колец двух молекулярных фрагментов димера и значениям дипольных моментов.

    ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ОБЗОРУ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

    Обзор научно-исследовательских работ на основе литературных источников в направлении обезвоживания нефти показывает, что традиционные методы интенсификации не всегда эффективны в силу низкой результативности.

    По результатам проведенного исследования была определена основная цель и задачи исследования.

    Целью работы является повышение эффективности процесса обезвоживания нефти месторождения им. Ю. Корчагина посредством подбора деэмульгаторов на основе моделирования устойчивости возможных образуемых комплексов.

    Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:

    1) Выбрать оптимальный квантово-химический метод для решения задачи моделирования структурных комплексов

    2) Смоделировать молекулы исследуемых веществ и провести их оптимизацию в выбранном квантово-химическом методе.

    3) Смоделировать взаимодействие компонентов и провести оптимизацию.

    4) Рассчитать структурные, энергетические, геометрические и зарядовые характеристики оптимизированных моделей молекулярных комплексов.

    5) Произвести выбор оптимальных положений и найти вероятные активные мишени по характеристическим данным.

    6) изучение физико-химических свойств парафинистой нефти месторождения им. Ю.Корчагина;

    7) изучение влияния выбранных по квантово-химическим расчетом деэмульгаторов на процесс обезвоживания парафинистой нефти им.Ю.Корчагина.

    2. ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

    2.1 Методы анализа нефти месторождения им.Ю.Корчагина

    Физико-химические характеристики углеводородного сырья были исследованы стандартными методами, перечень которых представлен в таблице 2.1.1.

    Таблица 2.1.1  Методы определения характеристик сырья

    Показатель

    ГОСТ, метод испытания

    Плотность, кг/м3

    3900 - 85



    Фракционный состав, % об.

    2177 - 99

    Содержание механических примесей, % масс.

    6370 - 83

    Содержание общей серы, % масс.

    1437 - 75

    Содержание хлористых солей, мг/дм3

    21534 – 76

    Содержание асфальтенов, % масс.

    11858-66

    Содержание парафинов, % масс.

    11851-85

    Молекулярная масса

    МИ-96-ЦЗЛ-ОТК- 2007

    Кинематическая вязкость при 50 ̊ С и при 20 ̊ С, мм2

    33-2000

    Содержание воды в нефти, % масс.

    2477-65


    Для определения размеров частиц нефтяной дисперсной системы применяли фотоэлектроколориметрический анализ согласно методике [41]. Измерение размеров частиц дисперсной фазы Корчагинской нефти проводили на приборе КФК-2 в диапазоне длин волн λ (нм) 590-670. Измерения проводились следующим образом: на одно из предметных стекол наносили одну каплю нефти. Затем второе такое же предметное стекло клали на образец. Стекла плотно прижимали друг к другу небольшим усилием пальцев так, чтобы образовался равномерный слой. Края стекол аккуратно вытирали фильтровальной бумагой для удаления излишков нефтепродукта. Во время надавливания не допускали сдвиг стекол по отношению друг к другу. Предметные стекла предварительно очищали ватой, смоченной в ацетоне. Далее проводили измерение величин оптической плотности. В качестве эталонной жидкости использовали толуол. Измерение одного образца на одних и тех же длинах волн проводили от 3 до 5 раз с целью получения сходимых результатов. Время между взятием пробы и ее измерением на фотоэлектроколориметре составляло около 2-3 минут. Для всех образцов строго соблюдалась последовательность этапов анализа и скорость их осуществления для обеспечения идентичных условий измерений.

    Температура помещения, в котором проводились измерения варьировалась в пределах 20-25 градусов Цельсия.

    Для определения среднего диаметра частиц сначала рассчитывали удельную межфазную поверхность S (м2/г) частиц по формуле [41]:

    S = 8,08 · 103 · b, (2.2.1)

    b = (lg D1 – lg D2) / (2 – 1), (2.2.2)

    где: b – коэффициент, необходимый для расчета S [41];

    D1 и D2 – оптические плотности при разных длинах волн;

    1 и 2 – длины волн, нм.

    Считая частицы дисперсной фазы сферическими, находили средний диаметр частиц (d) [41]:

    d = 6000 /  · S, (2.2.3)

    где:  – плотность нефти, кг/ м3

    Питание КФК-2 осуществлялось от сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц.
    2.2 Выбор расчетного метода для определения устойчивости возможных образуемых комплексов

    Нефти, газоконденсаты и продукты из них характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением и свойствами. При изучении нефтяных систем нельзя ограничиваться только выяснением фракционного, группового и химического состава, данными элементного анализа и т.п. Не менее важно знать, в каком состоянии – молекулярном или дисперсном находится данная система в исследуемом интервале внешних условий. Закономерности поведения и физико-химические свойства нефтяной системы в молекулярном или дисперсном состоянии даже при одинаковом составе могут существенно отличаться [32-33].

    Определив устойчивость различных комплексов в нефтяной дисперсной системе, возможно избирательное воздействие на НДС различными внешними факторами, в частности волновым воздействием с целью изменения соотношения фаз и размеров дисперсных частиц и, таким образом, активности системы в целом [34].

    Математическое моделирование – это своеобразный метод прогнозирования свойств изучаемого объекта. И т.к. любая наука опирается на эксперимент и наблюдение, а задача науки состоит в том, чтобы дать возможность предсказывать явления природы и глубже и полнее понимать природу, то математическое моделирование выступает удобным инструментом для развития науки [35].

    Изучение свойств молекул и их соединений представляет собой значительный интерес для понимания протекания реакции и участия в них отдельных групп, составляющих ту или иную молекулу. Согласно гипотезе о молекулярном строении, молекула представляет собой набор атомов, связанных совокупностью связей [36]. Эта гипотеза и в настоящее время продолжает служить основным средством упорядочения и классификации наблюдений в химии. Любые эксперименты подтверждают тот факт, что понимание химического поведения системы возможно, только если принять, что атомы существуют и именно они определяют строение системы и её свойства [37]. Однако проблема понимания молекулярного строения материи состоит главным образом в том, что молекулу нельзя непосредственно описать с помощью физических законов, управляющих движением ядер и электронов, образующих атомы и связи. В основе химии лежит мощная классификационная схема, которая имеет определенные ограничения из-за своего эмпирического характера.

    В основе современной квантовой химии лежит уравнение Шредингера для стационарных состояний. Точно решить это уравнение в случае многоэлектронных систем не удается, поэтому в квантово-химических расчетах используются приближенные методы. На практике обычно пользуются полуэмпирическими и неэмпирическими методами. Они различаются методикой вычисления матричных элементов, описывающих взаимодействие между электронами и электронами и ядрами. В полуэмпирических методах для этой цели используются приближенные эмпирические формулы и известные из эксперимента параметры атомов. В неэмпирических методах проводится непосредственный аналитический расчет матричных элементов. Однако неэмпирические методы также являются приближенными. Большинство неэмпирических расчетов проводят в базисах небольшого и среднего размеров. Это вносит некоторую ошибку в результаты расчетов.

    Неэмпирические (от лат. abinitio – сначала) методы дают большую надежность оценки свойств неизвестных химических соединений, однако требуют несравнимо больших ресурсов ЭВМ. Особенно это касается оптимизации геометрии или проведения молекулярно-динамических расчетов. Для оптимизации геометрии рекомендуется, на начальном этапе использовать молекулярную механику, затем – один из полуэмпирических методов, для того, чтобы получить более или менее обоснованную начальную геометрию [37].

    Полуэмпирические методы решают уравнение Шредингера для атомов и молекул с использованием определенных приближений и упрощений. Эти методы характеризуются тем, что расчет ведется только для валентных электронов; пренебрегаются интегралы определенных взаимодействий; используются стандартные неоптимизированные базисные функции электронных орбиталей и используются некоторые параметры, полученные в эксперименте [39]. Экспериментальные параметры устраняют необходимость расчетов ряда величин и корректируют ошибочные результаты приближений.

    Полуэмпирические методы позволяют производить вычисления со значительно большей скоростью и даже могут давать результаты, лучше согласующиеся с экспериментом для химических соединений, близких по структуре с теми, на которых была произведена параметризация.

    Наиболее совершенный и популярный полуэмперический метод - метод РМ3.Параметры для PM3 были получены сравнением большого числа и вида экспериментов с результатами расчетов. Параметры, которые используются в методе PM3 для оценки величины матричных элементов, подобраны так, чтобы воспроизвести геометрию и теплоты образовании органических соединений. Кроме геометрии и теплот образования, этот метод позволяет неплохо вычислить потенциалы ионизации и дипольные моменты молекул, а также геометрию переходных состояний и энергию активации. В настоящее время его довольно широко используют для расчета поверхностей потенциальной энергии органических реакций. При вычислении геометрии и теплот образования молекул этот метод дает лучшее согласие с экспериментом по сравнению с другими методами.

    Под оптимизацией геометрии понимается поиск молекулярной структуры – координат атомов, при которых система имеет наименьшее значение энергии. Цель оптимизации заключается в отыскании наиболее устойчивых молекулярных структур. Ведь не зная структуры молекулы, нельзя понять её реальное поведение и, хотя геометрия не является неотъемлемым характерным свойством системы, поскольку любое бесконечно малое изменение совокупности координат ядер приводит к новой геометрии, молекулярная структура позволяет зафиксировать некоторое временное положение молекулы, и понять концепцию его изменения, рассматривая поочередно различные внешние факторы воздействия.

    Для выявления активных центров взаимодействия компонентов необходимо было оптимизированные модели молекул связать в одной программе, в общую систему совокупностей и связей, и применить к полученной общей системе квантово-химический вычислительный процесс.

    Нами был выбран именно полуэмпирический метод - PM3. Он оптимально подходит для расчета многоатомных структур. Это связано с тем, что расчеты неэмперическими методами требуют огромного количества машинного времени и поэтому подходят для небольших молекул. Расчёты производились в программном комплексе GAMESS.

    2.3 Математическое планирование эксперимента и статистическая обработка результатов

    Для определения влияния постоянного магнитного поля на процесс обезвоживания парафинистой нефти месторождения им.Ю.Корчагина применен метод математического планирования по схеме полного факторного эксперимента (ПФЭ). Данные модели позволяют оценить предсказанные результаты (Y) как функцию независимых переменных и их взаимосвязь. [45,46]. Планирование эксперимента позволяет варьировать ряд факторов и получать одновременно количественные оценки всех проявляющихся эффектов.

    Интервалы варьирования основных факторов изложены в таблице 2.3.1.

    Таблица 2.3.1 -Факторы варьирования

    Фактор

    Магнитная индукция, Тл

    1)

    Расход деэмульгатора, г/т

    2)

    Линейная скорость, м/с

    3)

    Верхний предел

    0,31

    25

    0,4

    Нижний предел

    0,08

    5

    0,2


    В этом случае число возможных комбинаций из трех факторов на двух уровнях равно .

    Таблица 2.3.2 - полный факторный эксперимент для трех факторов с фиктивной переменной

    № опыта

    Х1

    Х2

    Х3

    Х0

    Y

    1

    -1

    -1

    -1

    +1

    Y1

    2

    +1

    -1

    -1

    +1

    Y2

    3

    -1

    +1

    -1

    +1

    Y3

    4

    +1

    +1

    -1

    +1

    Y4

    5

    -1

    -1

    +1

    +1

    Y5

    6

    +1

    -1

    +1

    +1

    Y6

    7

    -1

    +1

    +1

    +1

    Y7

    8

    +1

    +1

    +1

    +1

    Y8


    Полученные уравнения регрессии имеют следующий вид:

    Y=b0+b1Х1+b2Х2+b3Х3+b12Х1Х2+b13Х1Х3+b23Х2Х3+b123Х1Х2Х3,

    где b0- свободный член; bi — линейные эффекты; bij — эффекты парного взаимодействия; bii — квадратичные эффекты; biju — эффекты тройного взаимодействия.

    После этого необходимо проверить адекватность полученного уравнения регрессии, используя критерий Фишера:

    (2.3.1)

      1   2
    написать администратору сайта