吳曉濤，黃偉莉，王錦濤，劉　朋，張幫亮

(1 廣東省茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東　茂名　525000；2 廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東　茂名　525000；3 廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東　茂名　525000)

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高頻超聲波降低高酸原油粘度的實(shí)驗(yàn)研究*

吳曉濤1，黃偉莉2，王錦濤2，劉朋3，張幫亮3

(1 廣東省茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測所，廣東茂名525000；2 廣東石油化工學(xué)院化學(xué)工程學(xué)院，廣東茂名525000；3 廣東石油化工學(xué)院石油工程學(xué)院，廣東茂名525000)

采用Brookfield DV-Ⅲ Ultra流變儀、LV1轉(zhuǎn)子、10 r/min測量轉(zhuǎn)速，研究了在功率為0～240 W、作用時(shí)間為0～40 min、溫度為30～80 ℃的條件下，120 kHz的超聲波對(duì)中國石化茂名分公司加工所使用的酸值為1.82 mgKOH/g的高酸原油的降粘效果。結(jié)果表明，經(jīng)240 W、30 min和50 ℃的優(yōu)化條件處理后，高酸原油的粘度從59.3 mPa·s降低至39.4 mPa·s，降粘率為26.9%。超聲波處理后的高酸原油經(jīng)50 ℃恒溫靜置24 h，其表觀粘度基本恢復(fù)。

高酸原油；超聲波；流變儀；粘度

近年來，隨著常規(guī)原油資源日益減少和原油開采技術(shù)的提高，非常規(guī)原油得到了越來越多的重視，其產(chǎn)量亦逐年增加。高酸原油作為其中一種重要的非常規(guī)原油，分布廣，儲(chǔ)量大，且具有價(jià)格優(yōu)勢，因此廣泛用于石油煉制、石油化工等領(lǐng)域。但是，由于高酸原油的高酸值對(duì)原油的開采、集輸和加工、使用都帶來腐蝕的危險(xiǎn)。降低高酸原油的粘度，不僅能夠改善原油流動(dòng)性、降低能耗，并且有利于脫酸加工處理，降低對(duì)設(shè)備腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。超聲波是一種頻率高于20 kHz 彈性機(jī)械波[1]，因其震動(dòng)方向與傳播方向一致，在液體中形成疏密波，一定條件下液體中稀疏的部分瞬間被拉開，形成微小的空泡，周邊的液體在壓差的作用下又會(huì)迅速回填，空泡淬滅而產(chǎn)生巨大的壓力和高溫，促使接觸到空泡的液體分子分解，即空化作用。超聲波在液體中傳播的過程中不僅有空化作用，還產(chǎn)生熱作用和機(jī)械攪拌作用。利用超聲波以上特殊功能，在化工合成[2]、水污染處理[3-4]、清洗[5]中得到廣泛應(yīng)用。閻向宏等[6]做過超聲波處理稠油的試驗(yàn)，其粘度降低24%，效果良好。超聲波在處理其它原油的實(shí)驗(yàn)中也取得良好的降粘效果[7-8]。但是一般使用的是頻率20 kHz和40 kHz 的超聲波，而高頻超聲波降低原油粘度的研究較少，張幫亮等[9]使用低酸值大慶原油進(jìn)行了降粘實(shí)驗(yàn)，取得了明顯的降粘效果。

本文進(jìn)行了120 kHz超聲波降低茂名石化煉油廠加工用的酸值為1.82 mgKOH/g 的高酸原油的表觀粘度研究，并考察其粘度恢復(fù)性。為高頻超聲波降低高酸原油粘度工業(yè)化應(yīng)用提供借鑒。

1　實(shí)　驗(yàn)

1.1試劑與儀器

高酸原油(酸值1.82 mgKOH/g)，取自中國石化茂名分公司。

UC-300W120KHz超聲波清洗機(jī)，廣州維力超聲電子設(shè)備有限責(zé)任公司；Ultra LVDV-Ⅲ可程式流變儀，美國布氏粘度計(jì)公司；THS-10 型超級(jí)恒溫槽，寧波天恒儀器廠；恒溫水浴杯(200 mL)，自行制造。

1.2實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1原油超聲波處理方法

超聲波處理裝置見圖1。取已恒溫的180 mL高酸原油于單層玻璃杯，放入水槽指定位置內(nèi)并用鐵架臺(tái)固定好，調(diào)節(jié)清洗槽液面與玻璃杯中油樣液面相平。設(shè)定超聲波清洗機(jī)的功率至實(shí)驗(yàn)值，范圍為 60～240 W。開始計(jì)時(shí)，達(dá)到規(guī)定時(shí)間，時(shí)間范圍為0～40 min，結(jié)束超聲波處理。

圖1　超聲波處理裝置示意圖Fig.1　Schematic diagram of ultrasonic treatment device

1.2.2原油表觀粘度測定法

調(diào)試好流變儀，開啟恒溫水浴至與其外循環(huán)連接的玻璃水浴夾套杯溫度達(dá)到設(shè)置值，范圍為 30～70 ℃。將處理后的高酸原油倒入水浴夾套杯內(nèi)，輕抬流變儀測試頭，調(diào)整升降旋鈕至 LV1測量轉(zhuǎn)子的連接桿凹槽與原油液面持平，穩(wěn)定 2 min。以 10 r/min恒定轉(zhuǎn)速連續(xù)測量2 min，記錄粘度值。

2　結(jié)果與討論

2.1超聲波作用功率對(duì)高酸原油粘度的影響

圖2　高酸原油粘度與超聲波功率對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.2　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic power

在溫度50 ℃、時(shí)間30 min的條件下，考察超聲波作用功率為60～240 W對(duì)高酸原油表觀粘度的影響，結(jié)果如圖2所示。

圖2表明，當(dāng)超聲波的作用溫度和時(shí)間一定時(shí)，高酸原油的表觀粘度值隨超聲波功率的增大而增加。其原因是超聲波的功率越大，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射出的聲波強(qiáng)度越強(qiáng)，聲壓峰值越大，所造成的空化作用、機(jī)械作用和熱效應(yīng)作用就會(huì)越強(qiáng)，結(jié)合的蠟晶被打散，原油中更多的膠質(zhì)、瀝青質(zhì)等締合大分子解體甚至斷鍵，均勻地分散在游離態(tài)的小分子的烴類和環(huán)烷烴中，此過程中原油分子內(nèi)摩擦加劇，整體溫度升高，原油分子間間距進(jìn)一步拉大，表觀粘度大幅度降低。當(dāng)功率達(dá)到120 W后，高酸原油的降粘曲線逐漸趨向平緩，主要原因是當(dāng)超聲波功率達(dá)到一定值時(shí)，原油中的蠟晶被打散，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)締合大分子被拆分并趨于均勻分布，接近超聲波作用的極限。再繼續(xù)增大功率原油的粘度降低不顯著。從降粘效果的角度考慮，選擇240 W超聲波功率進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2.2超聲波作用時(shí)間對(duì)高酸原油粘度的影響

在溫度50 ℃，功率240 W條件下，考察5～40 min的超聲波作用時(shí)間對(duì)高酸原油粘度的影響，如圖3所示。

圖3　高酸原油粘度與超聲波作用時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.3　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic time

圖3表明，在30 min內(nèi)，隨著超聲波作用時(shí)間的延長，高酸原油的粘度會(huì)進(jìn)一步降低。但在作用時(shí)間超過30 min之后，隨著超聲波作用時(shí)間的延長，原油粘度稍微有所上升。這是因?yàn)樵诖藴囟认?，原油?nèi)部還存在較多的大分子蠟晶結(jié)構(gòu)。在0～30 min內(nèi)，超聲波的空化作用和機(jī)械作用會(huì)破壞原油內(nèi)部的長鏈?zhǔn)灍N分子，膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等大分子締合物量降低，超聲波作用中產(chǎn)生的熱能提高了原油體系的溫度，拉大了分子間的距離，從而導(dǎo)致原油粘度不斷降低。在30 min之后，已經(jīng)被超聲波打散的蠟晶，在超聲波的聲壓和機(jī)械攪拌作用形成的相對(duì)平穩(wěn)的疏密波的鏈節(jié)處重新聚集、壓實(shí)，形成了新的蠟晶空間聚集體，表觀粘度出現(xiàn)略微回升。綜合上述因素，選擇30 min作為超聲波的作用時(shí)間進(jìn)行下一步實(shí)驗(yàn)。

2.3超聲波作用溫度對(duì)高酸原油粘度的影響

在功率240 W，時(shí)間30 min條件下，考察30～70 ℃的超聲波作用溫度對(duì)高酸原油粘度的影響，如圖4所示。

圖4表明，在30～60 ℃的溫度范圍內(nèi)，超聲波作用均能降低高酸原油的粘度，溫度低于50 ℃時(shí)，粘度下降的趨勢隨溫度的上升較為顯著，當(dāng)溫度超過50 ℃時(shí)，降粘效果不明顯。溫度達(dá)到70 ℃時(shí)，超聲波對(duì)原油的粘度基本沒有影響。原因是，溫度30 ℃時(shí)，原油中蠟晶含量相對(duì)多，容易形成空間網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)而把液體油包裹其中，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)也容易締合形成大分子，原油因整體粘度值高，超聲波通過玻璃杯壁面向原油內(nèi)部傳播時(shí)衰減快，在30 min內(nèi)不足以將蠟晶充分打碎、分散膠質(zhì)和瀝青質(zhì)締合成的大分子。在溫度為30 ℃時(shí)，超聲波降低高酸原油的效果不顯著，直到溫度升高到50 ℃，原油中的蠟晶少，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)締合形成大分子的量相對(duì)低，正好滿足超聲波通過杯壁向原油內(nèi)部傳播而降低原油粘度。該溫度下的降粘效果最為顯著。溫度超過50 ℃后原油中的蠟晶大幅度減少，膠質(zhì)、瀝青質(zhì)締合形成的大分子容易分散在原油中，超聲波打碎蠟晶的作用大幅度下降，更多的是起到分散膠質(zhì)、瀝青質(zhì)的作用，降粘效果變得不明顯。70 ℃時(shí)，原油中的蠟全部溶解并且和膠質(zhì)、瀝青質(zhì)均勻的分散在類似真溶液的原油體系中，超聲波只起到了攪拌的作用，無降粘效果。

圖4　高酸原油粘度與超聲波作用溫度對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and ultrasonic temperature

2.4超聲波處理高酸原油粘度的恢復(fù)

圖5　超聲波處理后的高酸原油粘度與靜置時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.5　Corresponding relation between the viscosity of high total acid number crude oil and static time

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，優(yōu)選 50 ℃、240 W和30 min的超聲波作用條件，處理4瓶同樣的高酸原油樣品，同時(shí)準(zhǔn)備4瓶未經(jīng)過超聲波處理的高酸油為參比油樣，放在50 ℃的恒溫水浴內(nèi)，定期取出超聲波處理的油樣和參比油樣測試粘度，考察超聲波降低高酸原油粘度的恢復(fù)性，如圖5所示。

圖5表明，經(jīng)超聲波優(yōu)化條件處理后，表觀粘度為53.9 mPa·s的高酸原油降低到39.4 mPa·s，降粘率為26.9%，效果明顯。處理后的高酸原油，經(jīng)50 ℃、12 h的恒溫靜置，表觀粘度升至52.8 mPa·s，經(jīng)50 ℃、24 h的恒溫靜置已與未處理的油品表觀粘度相當(dāng)，粘度基本恢復(fù)。說明120 kHz的超聲波處理高酸原油其粘度下降具有時(shí)效性。

3　結(jié)　論

(1) 在溫度50 ℃、時(shí)間30 min的條件下，高酸原油表觀粘度隨超聲波作用功率的增加而降低。

(2) 在溫度50 ℃，功率240 W 的條件下，高酸原油表觀粘度隨超聲波作用時(shí)間的延長而降低。

(3) 在功率240 W、時(shí)間30 min的條件下，超聲波降低高酸原油表觀粘度的最佳溫度為50 ℃。

(4) 經(jīng)超聲波功率240 W、時(shí)間30 min和溫度50 ℃優(yōu)化條件處理的高酸原油降粘率達(dá)26.9%。但是經(jīng)過24 h的恒溫靜置，粘度基本恢復(fù)。

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Experimental Study of Viscosity Reduction on High Total Acid Crude Oil with High Frequency Ultrasonic Wave*

WUXiao-tao1,HUANGWei-li2,WANGJin-tao2,LIUPeng3,ZHANGBang-liang3

(1 Maoming Quality Supervision and Inspection Measurement, Guangdong Maoming 525000;2 College of Chemical Engineering, Guangdong University of Petrochemical Technology,Guangdong Maoming 525000; 3 College of Petroleum Engineering, Guangdong University of Petrochemical Engineering, Guangdong Maoming 525000, China)

The effects of ultrasonic wave on viscosity reduction of high total acid number crude oil of 1.82 mgKOH/g takeing from Sinopec Maoming company under ultrasonic power of 0～240 W, action time of 0～40 min and aciton temperature of 30～80 ℃ were studied by using Brookfield DV-Ⅲ Ultra rheometer, LV1 rotor and 10 r/min rotating speed for measurement. The results showed that after a ultrasonic treatment to high total acid number crude oil under the optimal conditions of 240 W, 30 min and 50 ℃, its viscosity reduced from 59.3 mPa·s to 39.4 mPa·s and viscosity reduction rate reached 26.9%. After static time of 24 h at 50 ℃, the viscosity of ultrasonic treated high total acid number crude oil recoveried mainly.

high total acid crude oil; ultrasonic wave; rheometer; viscosity

茂名市科技計(jì)劃項(xiàng)目(No：201621)；2015年廣東石油化工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目(No：2015pyA004)；2015年廣東石油化工學(xué)院大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)校級(jí)培育計(jì)劃項(xiàng)目(No：2015pyC001)。

吳曉濤(1987-)，男，碩士，主要從事石油化工檢測分析工作。

黃偉莉(1976-)，女，副教授，主要從事石油化工工藝開發(fā)和應(yīng)用。

TE868

A

1001-9677(2016)015-0067-03