超声波在石油加工中的应用文档格式.docx

超声波在石油加工中的应用文档格式.docx

《超声波在石油加工中的应用文档格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波在石油加工中的应用文档格式.docx（17页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

Keywordsultrasonic；

oilrefining；

oxidation

目录

第一章前言 2

第二章超声波作用原理 2

2.1机械作用 2

2.2空化作用 2

2.3热作用 2

第三章超声波的应用 2

3.1　在石油产品密度测定中的应用 2

3.2　超声波强化原油破乳脱盐 2

3.3超声波在稠油降粘过程中的应用 2

3.4　超声波对石油污水的处理 2

3.5　超声波脱硫 2

第四章结语 2

参考文献:

2

第一章前言

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20kHz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。

在石油化工行业中，超声波的应用亦越来越受到重视。

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。

20世纪70年代，美国学者Richard[1]首次阐述了超声波辐射的化学效应。

随着超声波技术的不断成熟，大功率超声波设备的问世，超声波的物理化学效应逐渐成为人们研究的热点。

在石油加工中使用最多的是超声波的空化效应（AcousticCavitation）[2]，即通过超声波换能器（UltrasonicTransductor）转换成高频机械震荡（即超声波）传播到介质（通常为液态物质）中。

超声波在液态介质中的辐射使介质震动而产生数以万计的微小气泡，这些气泡在超声波纵向传播形成的负压区迅速产生和生长，同时在正压区迅速闭合，这一系列动力学过程变成为超声波的“空化效应”。

根据理论和实践测算，对1cm3液体施以20kHz•cm-3超声波辐射时，可发生空化的气泡数为5×

104•s-1，其局部增压峰值可达数百甚至上千大气压。

本文综述了超声波在石油生产中的一些应用、难点、创新点以及未来的研究方向。

第二章超声波作用原理

超声波由一系列疏密相间的纵波构成，并通过液体介质向四周传播。

当一定强度的超声波在媒质中传播时，会产生力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应。

这些效应可归结为下列3种基本作用。

2.1机械作用

超声波是机械能量的传播形式，与波动过程有关，会产生线性交变的振动作用。

超声波在液体中传播时，其间质点位移振幅虽然很小，但超声引起的质点加速度却非常大。

若20kHz、1W/cm2的超声波在水中传播，则其产生的超声波压力在-173~173kPa内振动，这意味着超声波压力每秒钟内要在-173~173kPa之间变化2万次，最大质点加速度达14.4km/s2，大约为重力加速度的1500倍。

因此当超声波作用于液体时会产生激烈而快速变化的机械运动。

2.2空化作用

超声波在液体媒质中传播时，液体中某些区域形成局部的暂时负压，于是在液体中产生空穴或气泡。

在超声波强度足够高、超声波压力为负半周时，液体受到很大的拉力，气泡核迅速膨胀，可达到原来尺寸的数倍，继而在超声波压力为正半周时，气泡受压缩突然崩溃而裂解成许多小气泡，构成新的空化核。

在气泡迅速收缩时，泡内的气体或蒸汽被压缩而产生约5000的高温和约50MPa的局部高压。

并伴生强烈冲击波和时速达400km的射流，同时在水溶液中产生自由基OH。

这就为化学及石油化工过程提供了一种非常特殊的物理和化学环境。

在液体中进行的超声波处理技术几乎都与空化作用有关。

因此，空化效应是超声波工作的基本原理。

2.3热作用

超声波在媒质中传播，其振动能量不断被媒质吸收转变为热能而使自身温度升高。

吸收的能量可升高媒质中的整体温度、边界外的局部温度和空化形成激波时波前处的局部温度等。

第三章超声波的应用

3.1　在石油产品密度测定中的应用

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[3]，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），

在保证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。

故可以方便地测出石油产品的密度。

这种密度测定仪，精度高，重复性好，安全可靠，已在上海炼油厂、乌鲁木齐炼油厂、大连炼油厂、抚顺炼油厂等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1所示：

仪器由采样系统、恒温油浴、测量室、恒温控制器、测量电路、防爆结构等组成，采样系统采用引流式结构，被测油品自工艺管线中引出，经过适当的油样处理后进入恒温油浴。

被测油品油温须低于恒温温度，否则应加冷却设备。

被测油品在换热盘管中与恒温介质（变压器油）进行热交换，温度恒定后进入测量室。

测量室是个密闭容器，与换热盘管连通，直接置于油浴中，被测油品不断地流经测量室，测量可连续进行。

测量信号通过电缆传递到测量电路进行计算处理。

超声波换能器装在测量室一端的盖头上，盖头是由声阻抗与换能晶片相近的合金铝材料制成，使其透声性能较好。

晶片紧贴铝盖头，它们的接触面之间加入少许耦合剂，使晶片振动时发射的超声波有更多的能量穿过铝盖头进入被测油品中，并能被接收换能器接收。

恒温控制器由装入油浴中的铂电阻温度传感器、加热器和仪表箱内的测量控制电路组成，铂电阻温度传感器将温度信号送入测量控制电路，经单片微机进行计算处理，对加热器进行控制，使油浴精确恒温。

仪表由四根支柱支撑油浴恒温箱和防爆仪表箱。

油浴箱内的变压器油，既起换热作用，也是消弧性能良好的绝缘油。

所有测量控制电路均置于防爆仪表箱内，属于隔爆型防爆结构。

两箱体之间的导线通过防爆软管连接，保护管两端用橡皮密封圈及压紧接头紧固。

进出油管道采用标准管道接头连接。

3.2　超声波强化原油破乳脱盐

原油蒸馏后得到的汽油、柴油、喷气燃料等均不同程度的含有硫化物、氮化物等，需要用含有不同溶质的大量水溶液进行酸碱精制和脱盐。

因此如何有效抑制原油乳化，平稳脱盐便成为研究人员要特别注意的问题。

由中石化股份有限公司齐鲁分公司研究院开发的“超声波强化胜利混合原油破乳技术”，2003年6月在胜利炼油厂联合装置一级电脱盐进行了工业试验，得到了令人满意的效果[4]。

据齐鲁石化公司申请的专利[5]，他们设计的原油超声波——电场联合破乳脱盐装置，包括了电脱盐罐、超声波作用区、超声波探头、超声波发生器。

原油进入电脱盐罐之前，在管线内先经过均匀的超声波的作用，强化破乳的效果。

超声波作用区的轴线与原油的流动方向一致，并设计成管道式结构，由锥管区与直管区通过法兰连接构成。

利用超声波破乳能够在较恶劣的条件下，抑制原油乳化，平稳操作。

通过超声波——电场联合作用，不用加入破乳剂即可达到原油破乳后含盐不大于3mg·

L-1、含水不大于0.3%的指标。

与现有的破乳技术相比，其工艺简单、设备性能可靠、破乳效果显著，达到国内外领先水平。

经过1年多的应用，电单耗降低约60%，节约破乳剂费用约300万元，每年可获得直接经济效益400万元，显现出了极大的优势[5]。

3.3超声波在稠油降粘过程中的应用

目前，我国稠油的年产量已达到1200X104t，成为世界稠油生产大国之一，为我国陆上石油的稳产和国民经济的发展做出了重要贡献。

然而稠油的高粘度直接影响了稠油输送的成本和效益。

为了降低稠油输送管路的摩阻损失，必须采取必要的降粘措施。

近年来，稠油输送方法主要有加热输送、掺稀油输送、低粘液环输送、乳状液输送等。

这些方法都有各自的局限性，诸如耗能大、成本高、效益差等。

尤其是对于含水率很低的外输油，不可能采用以乳化降粘为主的化学降粘方法。

原油超声波降粘技术是近几年来迅速发展起来的一种新技术，随着稠油资源的开发，其在石油领域的潜在作用越来越引起人们的重视。

Sokolov等人曾于1998年测量了声波场作用下的石油动态粘度，经30~60min超声波处理后，石油粘度下降了20%~25%。

加拿大于1993年报道:

沥青体系经超声波处理后，粘度下降幅度超过12%。

有人也曾做过超声波处理稠油的试验，结果表明，20mL的稠油经超声波处理2min后，其粘度降低24%。

特别是掺入活性水0的稠油，用超声波处理后，可使稠油的粘度大大降低，同时可减少活性剂的用量。

石油大学的孙仁远[6]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[7]。

从机理上来说超声波除了有空化作用外[8]，还有机械振动[9]和热效应[10]。

一定频率的超声波通过液体时，使液体中的微小泡核被激活。

当声压足够大时，在声波负压作用下，气泡核膨胀；

在声波正压作用下，气泡核压缩，表现出气泡核的振荡、生长、收缩、崩溃等一系列动力学过程。

气泡核崩溃时，在其周围的极小空间和极短时间内，局部产生高温达10000e，瞬时压力可达几千甚至几万个大气压，并伴随着强烈的冲击波和时速达400km左右的射流，这就是空化现象。

超声波空化作用可以改变原油内部结构，使原油的部分大分子断裂为小分子，并部分被乳化，使原油粘度降低[11]。

3.4　超声波对石油污水的处理

石油污水处理如今是石油及化工行业的重点研究课题之一。

在石油的开采及加工中会产生大量的污水，其中富含有机污染物，在自然界中很难降解。

自20世纪90年代以来，美国学者Richard[12]致力于超声波降解有机物的研究，并取得了一些进展[13-15]。

研究表明，超声波对污染水体的降解机理是声空化效应以及由空化产生的增强化学反应的活性自由基的作用[16]。

石油大学的李书光等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[17]。

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）。

图2为COD降低率（G）与超声波功率的关系，从图可以看出样品的G值首先随着超声波功率的增加而增大，到一定程度后G值开始降低，并逐步趋于平缓。

在时间方面采用连续振动超声波和间歇振动超声波这两种不同的振动方式，G均随着时间的增加而增加，超过一定时间后，作用效果趋于平缓。

故采用超声波处理时，选择间歇式振动方式是节省能量的一种途径（见图3）。

对于两种不同的超声波振动方式，G均随着时间的增加而增加，超过一定时间后，作用效果趋于平缓。

这是由于作用时间较长，溶液中的空化趋于饱和所致。

另外还可以发现，两种振动方式的处理效果相差不大，但从能耗方面考虑，显然间歇式振动方式可以节省能量[18]。

图4和图5为COD降低率随pH值和温度的变化关系,从图中可以看出COD的降低率随pH值和温度的升高而降低。

随着温度的升高，G有所下降。

虽然温度提高有利于加快反应速率，但同时也阻碍空化时高压与高温的产生，因而降低了降解效果[19]。

由图4可以看出，随着pH值的降低，G明显增加。

这是由于pH值较低时，有机污染物以分子形式存在，更容易挥发进入空化泡内参与高温热解过程，有利于污染物的降解[20]。

3.5　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，北京于2005年7月提前实施欧Ⅲ排放标准[22]，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。

柴油脱硫技术分为加氢脱硫和非加氢脱硫两类。

目前各国采用的脱硫技术主要是加氢脱硫，对于加氢脱硫（HDS）而言，由于存在位阻效应，苯并噻吩和二苯并噻吩及其烷基取代物，难以接近活性中心，需要提高反应的温度、压力才能达到要求[23-24]。

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。

而氧化脱硫恰恰相反，在低温常压下即可完成，具有较好的应用前景[25-28]。

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[21]。

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H2O2，过度金属催化剂为磷钨酸H3PW12O40（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[31]。

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（含油百万分之15～百万分之50）和清洁汽油（含硫百万分之30～百万分之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，氧化脱硫工艺中，一般的机械搅拌很难将水相和油相混合，超声波的介入可以在水相和油相间形成微乳液，提高分子间相互接触，使氧化反应更彻底的进行[29-30]。

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Sulphco[32]公司开发了一种超声波氧化技术。

将石油燃料与非常少量的氧化剂，表面活性剂和水进行液体混合，形成一种水相——有机相的混合介质。

将这种介质连续注入到超声波室，经超声波作用后从超声波室流出来的混合物便可很容易地分层，成为水相和有机相，其中的有机相即为脱过硫的石油燃料。

该工艺首先将原料与非常少量的含有氧化剂和催化剂的水相溶液混合，在反应器内受超声波的空化作用，使油相与水相的剧烈混合，并可在几ns的超短时间内，使混合物料内的局部温度达到几千度并且局部压力超过1013.2MPa，这使得混合物料产生过氧化氢，过氧化氢参与硫化物的氧化反应，将其变成硫酸盐、亚砜和极少量的砜。

溶剂再生后可循环使用。

亚砜和硫酸盐可生产硫磺或其他产品。

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。

超声波作为一种新兴技术用于传统工艺中往往会有惊奇的作用和非凡的表现。

在石油加工方面超声波的空化作用是研究的热点。

空化时所形成的微小的气泡大大增加了两相间的接触面积，十分有利于相间反应的发生，若在制备催化剂时使用超声波，会大大增加催化剂的比表面积，活性组分分散的也会更加均匀，使催化活性增强。

空化时因微小气泡产生和破灭的十分迅速，会产生局部的高温和高压，这会使某些反应苛刻的反应条件温和化，甚至在常温常压下进行，大大减少了投资费用。

在石油加工行业有着十分广阔的前景。

第四章结语

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。

由于超声波独特的优点，使它在石油化工领域的应用越来越广泛。

目前，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，也是一个很有价值的研究方向，值得尝试。

当今，超声波在石油化工中的应用还处于初期阶段，许多方面的应用有待开发，许多因素也会影响到超声波作用的。

[1]谢学群.超声波在污水处理中的应用[J].环境保护，1998，（9）:

12.

[2]冯若，姚锦钟，等.超声波手册[M].南京:

南京大学出版社，1999.9.

[3]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.

[4]梁颖杰.超声波强化原油破乳技术的工业应用取得成功[J].齐鲁石油化工，2004，（3）:

207.

[5]苟社全，达建文，吕效平，等.原油超声波——电场联合脱盐装置[P].CN259559Y，2003.

[6]孙仁远，王连保，彭秀君，等.稠油超声波降粘试验研究[J].油气田地面工程，2001，20（5）:

22-23.

[7]桑玉元，栾辉，黄春梅，等.全自动、大功率超声波乳化超稠油降粘输送装置[P].CN2424381Y，2001.

[8]黄序韬1超声波采油应用的国外研究现状1应用声学，1985，4（4）1

[9]阎向宏，严炽培1超声波降低稠油粘度的实验研究1声学与电子工程，1996（专刊）1

[10]应崇福1超声学1北京:

科学出版社，19901

[11]宋建平1声波采油技术1国外油田工程，1992，41

[12]杨光华1稠油加工论文集，山东:

石油大学出版社，19901

[13]谢冰.超声波作用下有机污染物的降解[J].水处理技术，2000，26

（2）:

114-119.

[14]卞华松，张大年，赵一先.水污染的超声波降解研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2000，1

（1）:

56-64.

[15]吴胜举.超声波处理水体污染物的研究状况与进展[J].物理，2001，30（12）:

782-786.

[16]李书光，刘冰胡，松青.超声波处理石油污水的实验研究[J].石油学报（石油加工），2003，19（3）:

99-102.

[17]谢学群.超声在污水处理中的应用[J].环境保护，1998，9:

12.

[18]吴胜举.超声波处理水体污染物的研究状况与发展[J].物理，2001，30（12）:

782-786.（WuShJ.Purificationofcontaminatedwaterbyultrasonicdegradation[J].Physics，2001，30（12）:

782-786.）

[19]BhatnagarA，CheungHM.SonochemicaldestructionofchlorinatedC1andC2volatileorganiccompoundsindiluteaqueoussolution[J].EnvironSciTechnol，1994，28（8）:

1481-1486.

[20]卞华松，张大年，赵一先.水污染物的超声波降解研究进展[J].环境污染治理技术与设备，2000，1

（1）:

56-64.（BianHS，ZhangDN，ZhaoYX.Aoverviewofresearchanddevelopmentofthesonochemicaldegradationofpollutantsinaqueoussolution[J].TechniquesandEquipmentforEnvironmentalPollutionControl，2000，1

（1）:

56-64.）

[21]梅海，梅博文.生产超低硫柴油的超声——催化——氧化脱硫方法[P].CN1412280A，2003.

[22]人民网.中国石化推进车用燃油低硫化的实践与展望EB/OL].

[23]李建源，周新锐，赵德丰.苯并噻吩及其衍生物[J].化学通报，2005，（68）：

w055

[24]HUANGD，WANGYJ，YANGLM，etal.Chemialoxi-dationofdibenzothiophenewithadirectlyam-phiphiliccatalystfordeepdesulfurization[J].Industrial&

EngineeringChemistryResearch，20