超声波在石油加工中的应用

《信息检索与网络资源利用》结课作业题目：超声波在石油加工中的应用进展

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2012年9月10号——2012年9月14号

超声波在石油加工中的应用进展摘要综述了超声波在石油加工中的新成果及新动向，包括利用超声波进行原油破乳，石油污水处理和氧化脱硫等过程。探讨了这些过程的反应机理、工艺流程等方面的技术进展，指出了利用超声波的空化效应可大大增加反应动力并降低操作成本，在工业上具有广阔的应用前景。

Abstract The applications of ultrasonic technique in petrochemical industry were introduced. Mechanism of reaction，process flow，process economy of ultrasonic emulsion breaking，treatments of petroleum waste water with ultrasonic，and ultrasonic oxidation desulfurization were discussed in detail. It was pointed out that ultrasonic cavitation would greatly increase reaction force and decrease the operations cost；therefore，it had good market opportunities.

关键词超声波；炼油；氧化脱硫；石油加工；破乳；

Key words ultrasonic；oil refining；oxidation

目录

第一章前言 (3)

第二章超声波作用原理 (4)

2.1 机械作用 (4)

2.2 空化作用 (4)

2.3 热作用 (4)

第三章超声波的应用 (5)

3.1在石油产品密度测定中的应用 (5)

3.2超声波强化原油破乳脱盐 (6)

3.3 超声波在稠油降粘过程中的应用 (7)

3.4超声波对石油污水的处理 (8)

3.5超声波脱硫 (10)

第四章结语 (13)

参考文献: (14)

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( Aco ustic Cavitation) [ 2]，即通过超声波换能器( Ultrasonic Transductor) 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1 cm3液体施以20 kHz•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20 kH z、1W /cm2 的超声波在水中传播，则其产生的超声波压力在- 173~ 173 kPa 内振动，这意味着超声波压力每秒钟内要在- 173~ 173 kPa 之间变化2万次，最大质点加速度达14. 4 km /s2，大约为重力加速度的1 500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 5 000 的高温和约50M Pa的局部高压。并伴生强烈冲击波和时速达400 km 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。