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超声波技术在石油化工领域的研究进展

超声波是频率高于20kHz 的声波。当超声波在介质中传播时,由于超声波与介质的相互作用,使介质发生物理的和化学的变化,从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应,包括以下4 种:机械效应、空化作用、热效应、化学效应。石油化工中使用最多的是超声波的空化效应。本文围绕超声波技术的特点, 综述了该技术在国内外石油化工领域的应用和研究状况。

超声波油砂分离

超声波在油砂清洗中主要是利用它的空化作用。空化作用在油砂清洗过程中将产生4 种附加效应:湍流效应、微扰效应、聚能效应和界面效应。这4 种效应, 一方面可以减少油砂油厚度,加速整个油砂清洗系统的液固传质过程;另一方面,由于超声波可以使得清洗液进行强烈湍动,产生很多旋涡,增加搅拌作用,这样油砂表面的油在声压和液体微射流等作用下被撞击,发生内塌而迅速被剥离下来,并乳化,使油和砂彻底分离。

采用硅酸钠作为试剂,用功率为1Kw和频率为20Khz 超声波对加拿大油砂进行了分离实验,结果清洗8min 出油率就可达到94%。自制的碱液作为油砂清洗剂, 用超声波对扎赉特旗油砂进行分离。结果表明, 在超声波频率为28kHz,声强为7.06W/cm2,剂砂质量比0.8:1, 体系温度为60℃,清洗时间13min 的条件下,其出油率可达到94%, 超声波的作用大大提高了油砂的出油率。许修强等采用无碱复合型试剂在超声波条件下,对克拉玛依油砂通过正交实验优化出了油砂超声分离的最佳工艺条件为:超声频率40kHz,功率50W,作用时间20min,温度50℃,在此条件下, 油砂出油率达94%以上。

利用超声波对油砂进行分离的一大优点是分离可以在中温下进行,节能降耗比较明显,但如何将大型的超声装置应用于工业生产,尚需进行深入研究。

超声波原油破乳脱盐脱水

在原油预处理过程中,利用超声波对原油的凝聚效应及降粘作用,可使原油中水滴聚集变大,能够加速油、水两相分离,有效提高原油破乳效果 。工业应用结果表明:该技术能够有效抑制原油乳化,平稳电脱盐操作,从而保证了电脱盐的效果,即使在非常恶劣条件下,超声波破乳均表现出了突出的破乳效果。

管输原油为研究对象,按照工厂实际电脱盐流程设计了超声波-电脱盐联合破乳实验装置进行原油脱盐实验。结果表明:在超声-电脱盐联合作用下,盐质量浓度可从39.463 mg/l 降至3.283 mg/l,水质量分数可降至0.24%。超声波的强度、作用时间、沉淀时间和温度对超声波脱水脱盐的影响。结果表明:在80℃时,超声频率为10kHz,声强为0.38W/cm2,对原油处理5min,脱水率和脱盐率分别可达到92.6%和87.9%。

超声波破乳脱盐脱水与现有的其它技术相比,具有工艺简单、设备性能可靠、破乳效果显著、且节能环保等特点。采用该技术可以使装置能够处理乳化严重的劣质原油, 使生产装置适应未来油品变化。

超声波氧化脱硫

氧化脱硫工艺中,一般的机械搅拌很难将水相和油相充分混合,超声波的介人可以在水相和油相间形成微乳液,提高分子间相互接触,使氧化反应更彻底地进行。在萃取阶段,超声波的介人促使萃取剂和部分氧化后的油两相有效混合,促进被氧化的硫化物分子与萃取剂的充分接触,使砜有效脱出。此外,超声波可以产生局部的高温高压,这对反应是有利的。

关于超声波脱硫这方面,研究得最多的是利用超声波对柴油进行脱硫。一种生产超低硫柴油的超声-催化-氧化脱硫方法。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。超声波对原油的脱硫效果:他们采用氧化剂和破乳剂,对原油进行超声-氧化脱硫研究。实验结果表明,超声-氧化脱硫具有明显的优势,最佳实验条件为:反应温度65℃、反应时间10 min、氧化剂用量200×10-6(ppm)、破乳剂用量60×10-6(ppm),原油脱硫率可达65.28%。

超声波对直馏蜡油的脱硫

效果进行了研究:选用甲酸/H2O2 为催化氧化体系,DMF 为抽提溶剂,在超声波的作用下,催化氧化脱除直馏蜡油中的硫化物。在最佳氧化抽提条件下对直馏蜡油进行氧化脱硫,9 min 内就可以使脱硫率达到75%以上,油收率在90%以上。超声波氧化脱硫技术可以使氧化反应在经济,安全、温和的条件下快速进行,被工业界认为是一种有潜力的超深度脱硫方法。目前已经建立了几套商业化规模的超声波脱硫的研究和生产装置, 成为超声波氧化脱硫技术工业化应用的成功范例, 尤其是在高硫柴油精制方面,成本优势相当显著。

总结

超声波技术独特的优点, 超声波技术作为一种新兴技术在化工领域得到越来越广泛的应用。在石油加工方面超声波的空化作用是研究的热点。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。超声波技术在石油化工领域有着十分广阔的研究与应用前景。

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