超声波在石油化工中的应用.docx

超声波在石油化工中的应用.docx

《超声波在石油化工中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波在石油化工中的应用.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

超声波在石油化工中的应用

超声波在石油化工中的应用

中文摘要2

外文摘要3

引言4

1.超声波技术的发展概述4

2.超声波的作用原理4

2.1超声波机械作用4

2.2超声波空化作用4

2.3超声波热作用5

2.4超声波化学作用5

3•超声波在石油化工中的应用5

3.1超声波测量石油密度5

3.2超声波防垢除垢5

3.3超声波的乳化及破乳6

3.4超声波防蜡及降粘7

3.5超声波处理石油污水8

3.6超声波脱硫9

4.超声波在石油化工中的应用前景分析10

结语10

参考文献10

致谢12

超声波在石油化工中的应用

摘要：

本文介绍了超声波技术的发展概况及超声波的机械作用、空化作用、热作用、化学

作用机理,并综述了超声波在石油化工中的应用,如超声波在测量石油密度、防垢除垢、乳化

破乳、防蜡降粘、脱硫、处理石油污水等方面应用的研究。

并指出了超声波技术目前存在的问题，对超声波在石油化工乃至整个化工领域的应用进行了展望。

关键字：

超声波；石油化工；除垢；破乳；石油污水；应用

ApplicationofUltrasoundWavein

PetrochemicalIndustry

Abstract：

Thepaperintroducesthedevelopmentofultrasoundwavetechnologyandthemechanicalaction,cavitation,thermaleffect,orchemicalreactionofultrasoundwave.Theresearchprogressofultrasonicinpetrochemicalindustryaresummarized,suchasdensitymeasurementofoil,theapplyingofultrasonicinpreventionandremovalofincrustation,breaking

ofcrudeoilemulsion,inhibitionofparaffin,decreasingofviscosity,removalofsulfur.treatmentofpetroleumwastewater,etc.Thepresentproblemsandthedevelopmenttendencyofthetechnologyofultrasonicareproposed.Preponderanttechnicalinnovationsinpetrochemicalindustrywouldbeexpected.

KeyWords：

ultrasoundwave;petrochemicalindustry;Incrustationremoving;emulsionbreaking;Petroleumwastewater;application;

引言

超声波是指振动频率较高的物体在介质中所产生的频率高于20kH的弹性波，具有波长较短、能量集中的特点，在各行业有着广泛的用途，如用于切削、钻孔、清洗、医疗诊断、测量、非破坏性材料检验等方面。

尤其在石油化工行业中，超声波的应用亦越来越受到重视。

如石油化工中，存在方面方面复杂的工艺，以及最后产物中存在着对环境污染的物质，而超声波目前可以解决一些方面的问题。

本文对超声波在石油化工中的应用进行了综述。

1超声波技术的发展概况

自从1927年Richards和Loomis[1]首次发表了超声波的化学效应以来，引起科学家们的广泛关注，目前超声波在化工领域已有广泛应用[2]。

近年来，有

关超声波在石油化工中的应用与日俱增，超声波在催化剂制造与活化、传质与传热、传递过程（包括吸附过程、结晶过程、乳化与破乳、膜过程、电化学过程以及非均相化学反应过程）、萃取分离等方面有广阔的应用前景。

2超声波的作用原理

超声波是声波当中的一种，但是超声波的频率要比平常所接触的声波的频率高很多（＞20kHz）。

因此，超声波与平常所说的声波还存在着许多不同之处，超声波具有比普通声波更强的功率，介质对超声波的吸收比普通声波大很多，超声波的波长较短，频率很高，具有较大的能量，可以对介质质点产生显著的声压作用。

当一定强度的超声波在介质中传播时，会产生力学、热学、光学和化学等一系列效应，归结为下列4种基本作用。

2.1超声波机械作用超声波在传播过程中会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这将引起机械效应。

超声波在液体中传播时，其间质点位移和速度不大，但与超声波振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。

这会对介质造成强大的机械效应，甚至破坏介质。

2.2超声波空化作用

超声波的空化作用是指存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到一定值时，微气泡将迅速膨胀，然后突然湮灭，这种振荡、膨胀及湮灭等一系列动力学过程称为声空化。

在气泡湮灭瞬间周围极小的空间内产生5000K以上的高温和大约50MPa的高压，气泡界面处液体温度也可达2000K[3]。

持续几微秒后，该热点随之冷却，温度变化率达109KPS,并伴生强烈冲击波和时速

达400kmPh的射流[4]，这为液体发生物理、化学反应提供了一个极端的物理环境。

同时由于摩擦产生的电荷，在湮灭过程中会产生放电发光现象。

2.3超声波热作用

超声波在介质中传播时，介质对超声波的吸收会引起自身温度升高，超声波振动频率越高，热吸收现象越显著。

在液体媒质与固体媒质的分界处会造成局部高温，甚至产生电离现象。

2.4超声波化学作用

超声波的化学作用是由于产生自由基而引发的。

在空化作用产生的高温高压下，液体分子裂解产生自由基，由于自由基含有未配对电子，所以其性质活泼,很容易进一步引发各种反应，最后变成为稳定分子。

同时由于超声波产生高温高压促进反应的进行。

3超声波在石油化工中的应用

3.1超声波测量石油密度

利用超声波在不同介质中有不同的传播速度这个原理，黄智伟等成功地研制了超声波密度测定仪［5］，实现了石油产品密度的在线测量。

研究得出超声波传播时间t同传播距离L,油品温度T和油品密度Q之间有以下的函数关系：

t=f（L，T，Q）

在控制着油品温度和超声波传播距离L不变的情况下，油品密度就和传播时间在一定范围内成线性关系。

所以可以方便地测出石油产品的密度。

这种密度测定仪具有精度高，重复性好而且安全又可靠，本方法已经在上海炼油厂、乌鲁木齐炼油厂、大连炼油厂等10多家炼油厂生产线上使用效果良好。

其仪器结构示意图（如图3-1）

恒温揑制密曉计说录谊

图3-1超声波测石油密度仪器结构图

3.2超声波防垢及除垢

超声波如果作为一种物理方法，可以对炼油厂的设备有良好的防垢和除垢作用，因为不需引入化学试剂，所以对设备无任何腐蚀作用。

梁成浩等[6]对水处理

系统施加了20kHz的超声波，研究其对阻垢作用的影响。

结果表明，超声波处理具有明显的阻垢作用。

在超声波处理时间为每间隔10min开启3min的情况下，阻垢率可达85%以上。

孙晓霞等[7]介绍了中国石化股份有限公司金陵分公司重油催化裂化装置油浆循环系统换热设备应用超声波除垢技术的工业试验情况。

工业试验结果表明，在油浆循环系统应用超声波防除垢技术是可行的，除垢设备本体能够满足在线运行的工况要求，长期运行可使换热器的传热效果维持在较好的水平上。

李锡波等[8]1996年9月用超声波防垢装置，在垦利油田联合站和输油管线上试验，30d后加热炉、多孔滤板和叶轮无明显的结垢现象。

而停止超声波作用，15d后发现加热炉有大量沉积垢体，多孔滤板与泵叶轮处也有不同成度的垢存在。

重新运行超声波装置，10d后发现加热炉、滤板处垢减少，垢体疏松后渐渐消失。

表明超声波有良好的防垢、除垢作用。

路斌等[9]用显微镜观察不同情况下试片的结垢情况，发现在循环水箱中经声波处理后，挂片的结垢是以孤立大颗粒的分散状态存在于挂片表面，与挂片本体的粘接强度较低，颜色呈暗红色，垢的形状为片状，较容易脱落。

相比之下，静态水浴中的挂片垢晶结构比较密实，空间结构强，颗粒较细致且强度高。

表明经声波处理后挂片的结垢质量不仅减少，而且强度降低，易受振动的影响而脱落。

陈先庆[10]用电镜观察超声波处理后的水样，发现水样中大于50卩m的垢粒数量明显减少，1〜50卩m垢粒数量增多，同时发现垢粒内部呈现大量空洞，结构从原来的致密状变成疏松状，垢粒不易吸附在器壁上。

说明超声波对垢粒有破坏作用，对已经结垢的管线或设备有良好的除垢能力。

3.3超声波的乳化及破乳超声波乳化是指在超声波能量作用下，使两种或两种以上不相溶液体混合均匀形成分散物系，其中一种液体均匀地分布在另一液体之中而形成乳状液的工艺过程。

乳化过程在食品工业、涂料工业、高分子乳液聚合以及非均相液-液反

应等方面具有广泛的应用。

例如，在用木瓜酶合成甘苯丙二肽时，由于超声波可很好地乳化两相反应介质（水和石油醚），增大反应的接触表面，从而使二肽的产率提高5倍[2]。

以重油掺水的超声波乳化为例，将重油和水按规定的质量比倒入预混器内，不用任何添加剂，经过超声波乳化，使互不相溶的水和油迅速发生物理变化，混合成“油包水”的乳白色液体，再经过超声波液哨、强磁化、文丘里等物理处理，即形成了微小（1〜5卩m）的“油包水”并含有氢和氧的新型液体，名为乳化重油。

乳化颗粒在5卩m以下的占90%以上，乳化重油稳定性好，在常温下可保证长期存放不破乳，加温80C时可保证3周以上[11]

多相溶液在进行超声波处理时，不仅能乳化，也能破乳。

原油破乳是采油工艺的重要课题之一。

适当频率和强度的超声波可以使乳化原油破乳脱水。

虞建业等[12]对江苏真武油田集输站混合原油进行超声破乳研究，发现超声波对原油破乳脱水速度快，超声波与化学破乳相结合的脱水率比化学破乳高，超声波破乳脱水同时能降低水中的油和细菌含量，从而改善脱出水水质。

表明超声波具有良好的破乳作用。

李淑琴等[13]用超声波对油田乳化原油进行脱水，发现超声波可提高原油破乳脱水率达98.9%，减少破乳剂用量35%以上。

同时可降低破乳脱水温度和增加原油流动性。

韩萍芳等[14]针对某石化公司的污油进行了超声波破乳脱水的初步实验，取得了良好的效果。

在超声波的作用下可以脱除污油中80%的游离水，把水占整个污油的体积分数降到9.85%，当加入NS-21破乳剂后超声波的处理效果更加明显，可以脱出94%的游离水，污油的含水率可以降到3.08%。

张保江等[15]从理论上分析了油中的水滴粒子在超声波辐射下的位移效应，给出了超声波分离油水的理论根据。

3.4超声波防蜡及降粘超声波对原油具有防蜡和降粘作用，可使重油在较低温度下输送，并有利于重油加工等。

张建国等[16]对25%溶蜡油进行声波处理，在显微镜下进行观察。

发现未经声波处理时，蜡晶结构呈现出均匀网状结构，处理后蜡晶结构受到破坏，微粒结构变小并呈均匀分布。

表明超声波具有防蜡降粘作用。

李伟等[17]对含蜡原油进行超声波处理，在37〜39C下，以10L/min的流量在长60cm、内径为1.9cm的管子内进行循环流动，在30min的循环时间里，无超声作用时结蜡量为520mg，而在有超声作用时，结蜡量下降到350mg。

同时对凝固的原油用超声波处理，发现在超声波作用，可以在低于熔点温度下迅速的使高熔点的原油融化。

表明超声波作用可以延缓原油中蜡晶的析出，提高原油流动性、降低粘度。

黄序韬等[18]研究了超声波对任丘原油粘度的影响。

实验测量了超声波处理原油在40〜80C区

间的粘温曲线，与热力场中同一温度区间的粘温曲线相比，原油粘度下降25%〜30%。

闫向宏等[19]研究了孤岛稠油及掺“活性水”的稠油，经超声处理前后其流变性的变化规律。

实验结果表明利用大功率超声波处理稠油及掺“活性水”的稠油，可以大大降低稠油的粘度，增加其流动性，有利于稠油的长距离输送。

石油大学的孙仁远[20]等对超声波降粘进行了实验室研究。

实验研究表明，对原油进行超声波处理可以明显降低原油的粘度，降粘幅度可达50%以上。

同时温度、处理时间和超声波功率的强弱都会影响降粘效果。

温度越低，其降粘幅度越大；而随着温度的升高，降粘效果略有降低，在高温下作用，原油的表面会出现明显的汽泡，原油的蒸发现象会比低温下严重得多。

超声波处理时间越长，其提供的能量就越多，降粘率越大。

强声作用可以永久性降低原油粘度，而弱声则需延长作用时间，否则粘度会有所恢复。

桑玉元等根据超声波可降粘的特性设计了全自动、大功率超声波乳化超稠油降粘输送装置，并申请了专利［21］。

从机理上来说超声波除了有空化作用外，还有机械振动和热效应。

它们对原油降粘分别起了特殊的作用。

机械振动可加速原油中较小分子与惰性大的大分子链之间的相对运动，从而增大了它们之间的摩擦力。

这种摩擦力可以打断C-C键，破碎大分子团，可起到降粘的作用。

而超声波在原油中传播时，原油介质吸收声能转化成热能；在不同介质的分界面处，边界摩擦产生热；空化作用在气泡崩溃时产生热，使原油的温度升高，从而使原油降粘。

3.5超声波处理石油污水当今国内外超声波在污染治理方面已经达到另一个发展水平。

超声波清洁净化滤网、超声波助凝沉淀池、超声波浓缩污泥、废水超声波液相氧化、超声波/FeO降解硝基苯［22］、超声波催化氧化难降解有机物。

其中，超声波催化氧化难降解有机物成为人们关注的焦点。

Lin等［23］发现，超声波/Fenton试剂联合技术对处理水中2-氯酚（2-CP）的降解具有良好的效果。

实验发现，当Fe和H2O2质量浓度分别为10mg/L和500mg/L时，使用超声波/Fenton试剂降解2-CP，2-CP的降解率达99%，矿化度达86%。

孙宝江等［24］用超声波处理石油污水，发现用超声波处理后的石油污水含油率明显下降，在最优条件下,除油率接近98%，石油污水中的绝对含油量为40mg/L。

而在同样条件下，自然沉降分离后石油污水中的含油量为200mg/L左右。

相比之下,超声波除油的效果非常明显。

张玉梅等［25］对中国石化扬子分公司炼油厂的脱水乳化污油用超声波处理，在同等条件下，经超声波处理后污油脱水量可提高2倍左右，表明超声波对污油脱水有相当明显的促进作用。

石油大学的李书光等［26］人将超声波应用到含有复杂成分的石油污水的深度处理中，并探讨了超声场作用下诸多因素对污水化学耗氧量（COD）降低率的影响。

试

验通过改变超声波功率、作用时间、起始pH值和介质温度等在不同条件下用超声波处理样品，并采用重铬酸钾法（K2Cr2O7）测定样品的COD值，计算样品的COD降低率（G）。

超声波不仅可以有效降低石油污水的含油率，提高石油污水处理效率，也可作为辅助的物理处理方法。

超声波（US）和紫外线（UV）两种辐射相辅相成，可以大大增强氧化剂的分解能力，缩短反应时间，减少氧化剂的用量，使化学需氧量的去除率和有机物矿化度都很高。

Stock等［27］以萘酚蓝黑为例开展了US-UV净化处理纺织染料水样的研究工作。

发现超声波和紫外线联合作用于废水能大大地促进反应物和产物在光催化反应催化剂表面上的转换，从而加快了反应速率。

Lev等［28］研究了超声波对用TiO2光降解有机污染物的影响。

结果表明，与紫外线单独照射相比，超声波可使光催化作用速率、有机污染物水杨酸的分解效率有所提

高。

而超声波和紫外线的联合作用，起到更强的催化剂增效剂效果。

3.6超声波脱硫环境问题近年来越来越引起人们的关注，特别在大中型城市，汽车尾气已成为主要的大气污染物，因此各国纷纷提出更高的油品质量标准，要求生产低硫和超低硫油品。

原有炼油中的脱硫工艺显然已不能适应市场，新的脱硫工艺不断被开发出来。

超声脱硫把超声波这种新兴技术应用在石油脱硫中，大大降低了原本苛刻的操作条件，操作简单，在常温常压下就可进行反应，并减少了大量投资和能耗。

专利研究了一种生产超低硫柴油的超声-催化-氧化脱硫方法［29］。

方法包括了柴油中有机硫化物的氧化过程和相关氧化产物砜类的溶剂萃取过程。

优选的氧化剂为浓度30%的过氧化氢溶液H2O2,过度金属催化剂为磷钨H3PWi204o（PTA）相转移剂为四辛基溴化铵（TOAB）。

另外1997年BP公司F.M.Collins等人曾将过氧化氢稀溶液、相转移剂季铵盐和催化剂磷钨酸构成的Venturello环氧化体系应用于柴油的相转移催化氧化脱硫试验,取得了重要进展［30］。

但是,相转移剂用量

过大，氧化时间过长，H2O2分解非常严重。

为了克服这些困难，发明了用超声作用取代搅拌作用,使柴油氧化脱硫时间大大缩短,脱硫效率大大提高,而H2O2非生产消耗降到最低（为等当量氧化）。

在近常温和常压条件下，数分钟内柴油脱硫效率达到或超过99%，具有高效率、高选择性、节能的特点。

应用此方法可生产超低硫清洁柴油（含油15%〜50%）和清洁汽油（含硫30%〜50%）。

此方法虽然利用了超声波使氧化反应和相间萃取更易进行，但使用的氧化剂为过氧化氢溶液，有成本高的缺点，而且产生的工业废水较难处理。

日本的科学家近期发现水在超声波作用下会产生H2O2。

如果进一步研究其反应机理，有

望取代H2O2溶液，进一步降低成本。

美国Sulphcd31］公司开发了一种超声波氧化技术：

原料与少量含有氧化剂和催化剂的水相溶液混合，混合物料置于反应器内，在超声波的作用下，产生直径为200卩m左右的小气泡，小气泡的产生和破灭十分迅速，从而导致油相与水相的剧烈混合。

超声波还可以在几纳秒的超短时间内，使混合物料内的局部温度达到几千度、压力超过1013.25MPa,且混合物料内产生过氧化氢，参与硫化物的氧化反应。

反应物料经过溶剂萃取脱除砜和硫酸盐，溶剂经过再生后循环使用，砜和硫酸盐可以用来生产硫磺或其它化工产品。

SulphCo技术脱硫效果明显，不

同硫含量的柴油原料经过氧化脱硫后硫质量分数均能降低到10卩g/g以下。

Hai

等［32］采用H2O2作为氧化剂，磷钨酸作为氧化剂促进剂，在超声波的照射下，只需7min就可以使脱硫率达到99%以上。

Bechtel公司对Sulphco技术进行了工业试验。

对一套处理能力为30000bbl•d-1的柴油脱硫装置进行了技术经济分析，装置的总投资不足加氢脱硫装置的1/2,每年的维护费用约为装置总投资的2%〜3%,电耗为990kW，能耗为105505.6MJ。

4.超声波在石油化工中的应用前景分析超声波还可应用于化工领域的许多方面。

如用于消泡沫、干燥、凝聚沉降、声悬浮、除气、清洗、固体颗粒的粉碎和分散、消毒、吸收及废旧物料的再生等。

当前超声波在石油加工及精制、催化剂制备及应用和强化分离等方面的应用研究是初步的,其潜力巨大,前景广阔,是今后研究的重点。

将超声场的强化作用应用到一些新型反应或分离技术中,它也将是我们的一个研究方向。

当今,超声波在石油化工中的应用还处于初期阶段,许多方面的应用随着科学技术和水平的提高会得到更好的开发,许多因素也会影响到超声波作用的结果。

超声波在不同化工过程中的作用规律还有待于进一步探索与总结,正由于超声波独特的优点,它会在石油化工领域的应用越来越广泛。

结语综上所述,超声波正由于它的机械作用、热作用、空化作用、化学等作用才使得它在石油化工中的应用越来越广泛,如在石油密度测量、除垢防垢、乳化破乳、防蜡降粘、处理石油污水、脱硫等方面的应用,从而让我们了解到超声波不断给我们石油化工方面的生产带来方便,也保护了环境。

随着科学技术不断的进步和人们对超声波的更加深入的探索,超声波将不仅仅在石油化工中有广泛的应用,而且在其他化工领域以及其他工业生产中会得到广泛应用。

参考文献

[1]W.T.Richards,A.L..Loomis.ThechemicaleffectsofhighfrequencysoundwavesI.apreliminarysurvey[J].J.Am.Chem.Soc.,1927,49（12）:

3086〜3100.

[2]李春喜,宋红艳,王子镐.超声波在化工中的应用与研究进展[J].石油学报（石油加工）,

2001,17（3）:

86〜94.

[3]K.S.Suslick,D.A.Hammerton,ClineRE,etal.Thesonochemicalhotspot[J].J.Am.Chem.Soc.,1986,108（17）:

5641〜5642.

[4]K.S.Suslick.Sonochemistry[J].Science,1990,247（4949）:

1439〜1445.

[5]黄智伟,李富英,汪时云,等.石油产品密度的在线测量[J].石油化工自动化,2000,（5）:

66〜67.

[6]梁成浩,白忻平.超声波阻垢性能的研究[J].中国给水排水,2003,19（13）:

64〜67

[7]孙晓霞,杜平,王建等.重油催化裂化油浆换热设备应用超声防除垢的研究及工业试验[J].石油炼制与化工,2003,34⑹：

52〜56.

[8]李锡波,张群正,林文兴,等.超声波防垢技术在孤岛油田的现场应用[J].西安石油学院学报（自然科学版）,2000,15（3）：

14〜17.

[9]路斌,张建国.超声旋笛声波发生器在防蜡降粘方面的研究[J].石油矿场机械,2004,33

（1）：

74〜76.

[10]陈先庆.超声波防垢技术在油田中的应用研究[J].钻井工艺,2000,23（3）：

58〜61.

[11]罗多,李贵平.功率超声在石油化工中的应用[J].化工科技市场,2003,9：

16〜20.

[12]虞建业,袁萍,顾春光.超声辐照法原油破乳脱水的室内研究[J].油田化学,2002.19

（2）：

141〜143.

[13]李淑琴,程永清,张绪民.含水原油破乳脱水的声化学研究[J].天津化工,1997,（4）：

22〜24.

[14]韩萍芳,祁高明,徐宁.原油超声破乳研究[J].南京工业大学学报,2002,24（6）：

30〜34.

[15]孙保江,严大椿,乔文孝.乳化原油的超声波脱水研究[J].声学学报,1999,24（3）：

327〜

331.

[16]张建国,于世军,雷光伦.声波在高含蜡油生产中防蜡作用的实验研究[J].应用声学,2001,