Хурамшина Р.А. Валеев А.Р.
Применение ультразвукового оборудования для очистки объектов транспорта и хранения нефти в целях удаления асфальтосмолопарафиновых отложений
Докладчик: Хурамшина Р.А.
Перспективным направлением удаления асфальтосмолопарафиновых отложений в объектах транспорта и хранения нефти является использование метода физического воздействия с применением ультразвуковой обработки.
При ультразвуковом воздействии создается плоская акустическая волна. Из-за чередования положительных и отрицательных волн давления в растворе создается кавитация и далее – пузырьки микронных размеров. Температура внутри кавитирующего пузырька может быть чрезвычайно высокой при давлении до 500 атм. Из-за сочетания давления, температуры и скорости струя освобождает загрязняющие вещества от их связей с подложкой. Благодаря небольшому размеру струи и относительно высокой энергии ультразвуковая очистка способна проникать в небольшие щели и эффективно удалять захваченные отложения.
Целью работы является разработка системы математических уравнений на языке программирования Python, моделирующей процесс изменения фронта плавления отложений при различной температуре с учетом работы ультразвукового излучателя.
Методика проведения исследований заключается в следующем: для описания распространения тепла проведен ряд теоретических исследований процесса формирования кавитационной области в вязких средах под воздействием ультразвуковых колебаний.
В работе [1] проведен анализ моделирования применения ультразвука для очистки от асфальто-смолистых и парафиновых отложений на объектах транспорта и хранения нефти, согласно которому установлен повышающий коэффициент для уравнения теплопроводности за счет использования ультразвукового воздействия. По данным проведенного эксперимента было установлено, что ультразвуковое воздействие ускоряет процесс очистки по сравнению с тепловой обработкой той же мощности на 54 %. Соответственно, рекомендуется использовать следующее уравнения для распространения тепла за счет ультразвукового воздействия.
c_v (1+χ_0/r e^(-ar) )^(-1) r^2 ∂T/∂t=∂/∂r (λ r^2 ∂T/∂r), (1)
где T – температура нефти/АСПО в исследуемом объеме; r – радиус (расстояние до начала координат); 〖 c〗_v – объемная теплоемкость нефти/АСПО; λ – коэффициент теплопроводности нефти/АСПО.
Также для сравнения рассматривается более простая плоская задача
c_v ∂T/∂t=∂/∂r (λ ∂T/∂r). (2)
Положение фронта задается функцией s(t), уравнение теплопроводности (1) или (2) решается в двух областях (до и после фронта плавления):
R_min<r<s(t): λ=λ_н,c_v=c_vн,
s(t)<r<R_max: λ=λ_а,c_v=c_vа.
На стыке областей фиксируется температура плавления
T(s(t),t)=T_пл (3)
и задается условие Стефана
├ λ_н ∂T/∂r┤|_(r=s(t)-0)-├ λ_а ∂T/∂r┤|_(r=s(t)+0)=-Lρ_а r^d ds/dt, (4)
где L– удельная теплота плавления; ρ_а – плотность АСПО.
Для численного решения задачи Стефана 1-4 с различными типами граничных условий разработана программа на языке Python, основанная на использовании классической консервативной разностной схемы второго порядка из [2].
На рис. 3 представлен результат численного эксперимента по определению движения фронта плавления в зависимости от температуры на левой границе.
Рисунок 1 – Графики перемещения фронта плавления при различной
температуре на левой границе
На основании проведенных численных исследований видна качественно верная картина перемещения фронта плавления. При правильно заданных коэффициентах модель представляет возможность планировать необходимое время воздействия источника тепла и ультразвука для разрушения отложений. Очевидно, что для получения количественно верных результатов требуется решение обратных задач (например, определения зависимостей и коэффициентов, определяющих влияние ультразвука на процесс).
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Безымянников Т.И., Павлов М.В., Валеев А.Р., Мастобаев Б.Н. Моделирование применения ультразвука для очистки от асфальто-смолистых и парафинистых отложений на объектах транспорта и хранения нефти и газа // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, 2018. № 3. С. 22-26.
Самарский, А.А Введение в теорию разностных схем / А.А Самарский. – Москва: «Наука», 1977. – 657 с.
| Файл тезисов: | Хурамшина Регина Азатовна (04.05).docx |
К списку докладов