Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии. Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией

• Название: Учебное пособие по курсу Основы электротехнологии Под редакцией
• Анкор: Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии.pdf
• Дата: 25.10.2017
• Размер: 1.77 Mb.
• Имя файла: Верещагин - Высоковольтные Электротехнологии.pdf
• Тип: Учебное пособие; #9808
• Категория: Электротехника. Связь. Автоматика
• страница: 14 из 20

Таблица 11.2
0
v
γ
,Ом/м
10
-
13 10
-
12 10
-
11 10
-
10
∆
ρ/ρ
ср
30 3 0,3 0,03
q
/q
m
0,7 0,33 0,07 0,007
Из представленных в таблице данных следует, что на каплях воды в нефти не может накапливаться сколь-нибудь значительный заряд. Объемная зарядка капель воды эффективна для светлых нефтепродуктов с высоким удельным сопротивлением. Для нефти можно рекомендовать коалесценцию в электрическом поле с участием механизма поляризации.

11.3. Конструкции промышленных технологических установок для обессоливания и
обезвоживания
нефти и нефтепродуктов
Рассмотренные выше способы выведения воды из нефти и нефтепродуктов реализованы в конструкциях технологических аппаратов обессоливания и обезвоживания. Рассмотрим схему процесса обессоливания и обезвоживания сырой нефти на нефтеперегонном заводе (НПЗ), показанную на рис. 11.3.
Сырьевой насос
Смеситель
Электро- дегидратор
(ЭДГ)
Электро- дегидратор
(ЭДГ)
Смеситель нефть дренаж воды дренаж воды вода 2
÷5%
вода 2
÷5%
обессоленная нефть
W
< 0,05%
Р
< 20 мг/л
Рис. 11.3. Схема обезвоживания и обессоливания на НПЗ
Сырьевой насос подает нефть в смеситель, где происходит активное вихревое смешивание нефти с пресной водой, добавляемой в количестве 2
÷5 % по отношению к нефти. Пресная вода активно растворяет соли, выводя ее из нефти. Водо-нефтяная эмульсия поступает затем в электродегидратор
− аппарат по обезвоживанию нефти. В этом аппарате происходит выделение воды из смеси и получение обессоленной нефти. Затем эти операции повторяются во второй ступени технологического процесса. В итоге на выходе установки получается обессоленная нефть с содержанием воды W
< 0,05 % и солей Р < 20 мг/л.
Конструкции электродегидраторов показаны на рис. 11.4. Электродегидраторы представляют из себя резервуары с размещенными внутри системами электродов. Различаются два типа конструктивных решений резервуаров, имеющих различные технологические параметры:
1. ЭДГ шаровой конструкции
V
= 600 м
3
,
Р
= 6
÷7 атм;
2. ЭДГ цилиндрический вертикального типа
V
= 30 м
3
,
Р
= 16 атм;
3. ЭДГ цилиндрический горизонтального типа
V
= 160 м
3
,
Р
= 16 атм.
ИВН
ИВН
выход вход выход дренаж
ИВН
ИВН
вход вход выход дренаж
ИВН
а
)
б
)
в
)
Рис. 11.4. Конструкции электродегидраторов:
а) шаровой конструкции;
б
)вертикального типа;
в
) горизонтального типа
Работа электродегидраторов происходит следующим образом. Рабочая зона создается между заземленным электродом и электродом, на который подается высокое напряжение. В этой зоне капли воды приобретают заряды и, сталкиваясь между собой, сливаются и увеличиваются в размерах. Крупные капли выпадают на дно, образуя слой воды, который удаляется по отводящим трубам. Продукт для очистки
− нефтяная эмульсия − подается по трубам, находящимся около дна аппарата. Таким образом, слой нефти для очистки от воды двигается вверх, попадает в активную зону, очищается там от воды, и очищенная нефть скапливается в верхней части резервуара. Отсюда она удаляется для дальнейшей обработки.
На практике применяется три типа резервуаров. Шаровой резервуар имеет значительный недостаток, состоящий в том, что у него есть зоны, в которых отсутствует электрическое поле. Эти зоны снижают производительность аппарата обезвоживания нефти.
Также используются цилиндрические резервуары вертикального и горизонтального типа, в которых нет практически зон без электрического поля. Горизонтальные аппараты имеют больший объем и большую производительность, так как благодаря большему горизонтальному сечению аппарат имеет большую рабочую площадь электродов, в этом аппарате устанавливается меньшая вертикальная скорость нефти в зоне действия электрического поля.
Электродная система представляет собой набор металлических прутков диаметром 2,5 мм при расстоянии между ними 20 см. Прутки собираются в виде двух плоских рам, расположенных в двух параллельных плоскостях с

расстоянием между плоскостями 15
÷20 см. Прутки в каждой раме расположены параллельно друг другу, на соседних рамах
− компланарно (рис. 11.5).
Предъявляемые к деэмульгаторам требования состоят в следующем:
1. Деэмульгатор не должен иметь нерабочих зон.
2. Электродные системы должны создавать электрические поля заданной величины с равномерным распределением.
3. Электродные системы и технологический режим должны быть организованы таким образом, чтобы не давать возможности капелькам воды создавать замыкающие электроды цепочки.
11.4. Технологии обезвоживания нефтепродуктов
Как было показано в предыдущих параграфах методы разделения водо
−нефтяных эмульсий зависят от концентрации диспергированной в нефти воды. В зависимости от содержания воды различают: глубокое обезвоживание, сверхглубокое обезвоживание и обезвоживание высокообводненных нефтей.
11.4.1. Глубокое обезвоживание нефтепродуктов
При содержании воды W
> 0,1 % расстояние между каплями сравнимы с их размерами (а ≈ 1÷100 мкм), а при содержании воды W
< 0,05 % расстояние между каплями больше и больше удельное сопротивление эмульсии.
Под глубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с
W
воды
≥ 0,1 % до конечного с W
воды
≤ 0,05 %. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в сырой нефти. Поэтому приемлем только способ коалесценции в электрическом поле.
Как было показано ранее, чем выше напряженность электрического поля, тем эффективнее процесс коалесценции. Однако для очень крупных капель в сильных полях появляется обратный эффект, при котором капля поляризуется, растягивается вдоль линий поля и разрывается. Зависимость критической напряженности поля, при которой возможен процесс ее разрыва, от размера капли представлена на рис. 11.2. Для укрупнения капель выше критического размера при рабочей напряженности поля применяется специальное ступенчатое питание установки (рис. 11.6).
На интервале времени от 0 до t
1
происходит укрупнение капель до а
kp1
, затем напряженность поля снижается и на интервале времени от t
1
до t
2
капля еще укрупняется до а
kp2
и так далее, пока не будет достигнут размер капель, необходимый для быстрой седиментации.
В действительности, дополнительно к описанному механизму работает еще механизм слияния разноименно заряженных капель при их движении в промежутке (рис. 11.7).
Капли, достигая поверхности электрода, заряжаются по индукционному механизму и, отрываясь от поверхности электрода, двигаются вглубь промежутка. Если расстояния между электродами небольшие, то капли не успевают полностью потерять свой заряд за счет утечки. Слияние разноименно заряженных частиц происходит в случае их столкновения.
11.4.2. Сверхглубокое обезвоживание
Под сверхглубоким обезвоживанием понимается изменение концентрации воды от начального значения с
W
≤ 0,05 % до конечного с W = 0. Это соответствует диапазону концентраций эмульгированной воды в светлых нефтепродуктах (бензин, керосин, трансформаторное масло).
Используемая традиционно механическая очистка с помощью фильтров имеет целый ряд недостатков:
1. необходима регулярная регенерация или периодическая замена фильтров;
2. проходя через фильтр топливо дополнительно электризуется.
Принципиальная схема установки для сверхглубокого обезвоживания светлых нефтепродуктов представлена на рис. 11.8.
Рабочее пространство аппарата частично заполнено пористым диэлектриком, который имеет сильно развитую поверхность и препятствует интенсивному перемешиванию эмульсии в процессе работы. Нефтепродукт поступает в свободное пространство аппарата через тонкую входную щель, где происходит контактная зарядка капель воды. Таким образом, эмульсия поступает в камеру аппарата уже заряженной. В свободном объеме камеры происходит интенсивное перемешивание эмульсии за счет возникающих под действием электрического поля электрогидродинамических потоков. Заряженные капельки воды, двигаясь по силовым линиям поля, попадают на поверхность диэлектрика и прилипают к ней. Новые капли, пришедшие с потоком, сливаются с первыми. На поверхности диэлектрика идет процесс укрупнения прилипших капель. Как только капля вырастает до крупных разметов, она отрывается и стекает в нижнюю часть камеры.
A
1
A
2
A
3
t
1
t
2
t
3
t
E
Рис. 11.6. Ступенчатое питание
установки обезвоживания нефти
Е
Рис. 11.7. Механизм слияния
разноименно заряженных капель
2
эжектор
1 1
Рис. 11.8. Принципиальная
схема установки для
сверхглубокого
обезвоживания
нефтепродуктов
1
− пористый диэлектрик
2
− свободное пространство
2,5 20 20 15
−20
Рис. 11.5. Электродная система
электродегидраторов

Основными достоинствами этой технологии являются:
1. отсутствие динамического сопротивления потоку нефтепродуктов в свободном пространстве камеры;
2. простота управления технологическим процессом, так как интенсивность процесса зависит от значения приложенного напряжения и от вязкости нефтепродукта.
В настоящее время созданы установки для обезвоживания керосина при заправке самолетов с производительностью до 2 т/мин.
11.4.3. Обезвоживание высокообводненных нефтей
и аномально стойких эмульсий
Есть нефти, в которых вода составляет до 60 %. Такие нефти представляют собой капли воды, покрытые нефтяной оболочкой, не дающей этим каплям сливаться.
Процесс укрупнения капли воды может быть осуществлен путем химических добавок, разрушающих нефтяную оболочку капель и позволяющих каплям сливаться.
Вторым способом, который является предпочтительнее, является организация коалесценции капель воды в электрическом поле. Необходимо обеспечить, чтобы при этом не возникало короткого замыкания между электродами, которое возможно из-за высокой проводимости нефти и наличия большого количества капель. Существует несколько способов устранения короткого замыкания:
1. на электродах создать диэлектрическое покрытие;
2. обеспечить газовый зазор у электрода;
3. создать вихревое движение жидкости, которое препятствует образованию цепочек из капель;
4. использовать определенные источники высокого напряжения, которые предотвращают возникновение коротких замыканий.
Использование диэлектрического покрытия
Этот способ реализуется путем нанесения диэлектрического покрытия на высоковольтный электрод (рис. 11.9).
При возникновении проводящих каналов в нефти напряжение прикладывается к диэлектрическому слою и короткого замыкания не происходит. В нормальном режиме напряжение распределяется между слоем и нефтью.
Эквивалентная схема представляется в виде последовательного соединения двух сопротивлений z
с и R
нефти
: где
ε
δ
ω
f
c
z
≡
=
1
c
;
δ − толщина диэлектрического покрытия, f − частота питающего напряжения, ε − диэлектрическая проницаемость диэлектрика, R
нефти
− эквивалентное сопротивление нефти.
Для того, чтобы слой нефти находился под воздействием электрического поля необходимо, чтобы на диэлектрическом покрытии не возникало большое падение напряжения. Это достигается путем увеличения частоты f питающего напряжения или путем увеличения
ε.
Высоковольтные источники высокой частоты дороги. Кроме того, с ростом частоты напряжения уменьшается интенсивность электрогидравлических потоков из-за того, что не будет создаваться избыточных электрических зарядов, которые являются источниками этих потоков. В результате интенсивность слияния капель падает.
Лучшим решением оказалось применение диэлектрического покрытия из керамики с высоким значением
ε.
Применение газового зазора
Применение газового зазора иллюстрируется на рис. 11.10. При подаче высокого напряжения на коронирующие электроды в газовой среде над поверхностью нефти образуется коронный разряд. Движение носителей зарядов в нефти вызывает появление потоков в слое жидкости. В результате возникает интенсивное перемешивание и взаимодействие капель, приводящее к их слиянию.
Специальные источники высокого напряжения
По железным дорогам нефть перевозят в цистернах. После слива нефти цистерны моют водой. В результате образуется вода, загрязненная нефтью. Возникает задача отделить от нефти и использовать воду вторично, а нефть по назначению. Для решения этой задачи применяют источники импульсов высокого напряжения специальной формы
(рис. 11.11).
Высоковольтный источник для аппарата отделения воды от нефти вырабатывает импульсное напряжение, которое используется для разрушения нефтяных оболочек на каплях воды. Длительное постоянное напряжение обеспечивает слияние капель воды.
12. ТЕХНОЛОГИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ
ПЛАЗМО
-
ХИМИЧЕСКИХ РЕАКЦИЙ нефть
U
δ
z
c
R
нефти
Рис. 11.9. Аппарат
обезвоживания
высокообводненных нефтей
и эквивалентная схема
нефть
U
≈ 40 кВ
газовый зазор
4 см
2 см коронирующие электроды
Рис. 11.10. Схема процесса с воздушным
зазором между поверхностью жидкости
и электродами
0
U
t
Рис. 11.11. Форма питающего
напряжения

12.1. Основы плазмо
− химических преобразований
До настоящего момента мы рассматривали атомы и молекулы в воздухе, их возбуждение, диссоциацию,
ионизацию и возбуждение не акцентируя внимание на химических преобразованиях, которые происходят с этими
частицами. Теперь мы рассмотрим процессы химических преобразований, которые происходят с различными атомами,
молекулами, активными радикалами и ионами, которые возникают в процессе формирования и развития
электрического разряда в воздухе.
Все физико-химические процессы происходящие в плазме газового разряда можно разделить на три временных
интервала:
1.
∆t ≈ 10
−15 с
− на этом интервале времени завершаются процессы возбуждения атомов и молекул электронным или фотонным ударом;
2.
∆t ≈ 10
−13 с
− на этом интервале времени завершаются процессы ионизации и диссоциации атомов и молекул;
3. этот интервал времени имеет переменную продолжительность вплоть до
∆t ≈ 10
−3 с в зависимости от состава газа, температуры и давления
− это стадия химических процессов и реакций.
12.1.1 Понятие кинетики химических реакций
Химическая кинетика
− это учение механизмов и закономерностей протекания во времени химических
процессов. Под химической реакцией понимается процесс превращения одного или нескольких веществ (реагентов) в
вещества (продукты реакции), отличающиеся от исходных по химическому или изотопному составу, по строению
молекул или заряду.
В большинстве случаев химический процесс происходит не путем прямого превращения исходных веществ в
продукты реакции, а состоит из нескольких стадий. Каждую из этих стадий можно рассматривать как
самостоятельную химическую реакцию со своими исходными веществами и продуктами. Такие реакции называются
элементарными.
Важнейшими характеристиками химической реакции являются степень превращения (т.е. отношение
количества вещества, вступившего в реакцию, к его исходному количеству) и скорость реакции (т.е. количество
вещества, вступающего в реакцию или образующегося в результате реакции в единицу времени в единице объема):
dt
dN
±
=
ω
,
где N
− число молей (или молекул) в единице объема.
Поясним сказанное на примере реакции:
a
⋅A + b⋅B →c⋅C + d⋅D, (12.1)
где A, B, C, D
− реагенты и продукты реакции, а числа a, b, c, d− стехиометрические коэффициенты, которые
определяют количественные соотношения, в которых вещества вступают в реакцию.
Например:
2NaOH + H
2
SO
4
→ Na
2
SO
4
+ 2H
2
O.
В этой реакции: NaOH и H
2
SO
4
− реагенты; Na
2
SO
4
и H
2
O
− продукты реакции. Стехиометрические
коэффициенты a = 2, b = 1, c = 1, d = 2 показывают, что если в реакцию вступят два моля NaOH и один моль H
2
SO
4
, то
эти вещества прореагируют полностью и образуется один моль Na
2
SO
4
и два моля H
2
O.
Скорость изменения плотности каждого реагента или продукта реакции в ходе такой реакции будет связана
со скоростью реакции следующим соотношением:
dt
dN
d
dt
dN
c
dt
dN
b
dt
dN
a
D
C
B
A
1 1
1 1
=
=
−
=
−
=
ω
.
Для элементарных химических реакций действует следующее обобщенное правило химической кинетики (закон
действующих масс): скорость элементарной химической реакции в каждый момент времени пропорциональна
произведению текущих концентраций реагирующих веществ, взятых в степенях, равных стехиометрическим
коэффициентам. Для реакции (12.1) выражение для скорости реакции будет иметь вид:
( ) ( )
b
a
N
N
k
B
A
⋅
⋅
=
ω
,
где k
− константа скорости реакции, независимая от плотности реагентов. Ее еще называют удельной скоростью
реакции, поскольку при концентрации каждого из реагирующих веществ, равной единице, она равна фактически
скорости реакции.
Понятие константы скорости реакции широко используется в плазмо-химических технологиях при оценке
интенсивности и роли происходящих в них химических реакций.
При протекании реакции по стадиям производятся и расходуются так называемые промежуточные вещества,
которые обычно представляют из себя химически активные частицы
− ионы, возбужденные молекулы, свободные
радикалы. Свободные радикалы
− это молекулы в особом состоянии, когда происходит разрыв связи между атомами, и
эти молекулы приобретают, таким образом, свободные валентные связи. В результате свободные радикалы получают
некоторую избыточную потенциальную энергию по сравнению с исходными молекулами. Как следствие это приводит к
увеличению химической активности. Свободные радикалы существуют очень короткое время (

10
−
3
).
Свободные радикалы образуются, например, при взаимодействии молекул с электронами в электрическом поле:

H
H
H
H
C
H
e e
молекула метана метильный радикал атом водорода
H
H
H C
Ионы, свободные атомы и радикалы имеют неспаренные электроны на внешней электронной оболочке и в связи
с их высокой химической активностью их называют химически активными частицами. Возбужденные молекулы и
атомы служат передатчиками энергии от электронов плазмы к активным (ионизируемым или диссоциируемым)
атомам или молекулам.
Сложные реакции состоят из простых реакций (стадий), которые можно в свою очередь классифицировать по
нескольким группам:
1. Необратимые реакции вида: A
→ B. Химические реакции называются необратимыми, если вещества практически полностью превращаются в конечный продукт. Важнейшим условием необратимости химических реакций является выделение одного из продуктов реакции в виде осадка, образование газообразного продукта реакции либо образование малодиссоциированного продукта реакции (например, воды).
2. Двусторонние или обратимые реакции вида: А
↔ В. Бóльшая часть химических реакций обратима.
Обратимыми называются такие химические реакции, которые протекают при данной температуре в двух противоположных направлениях
− прямом и обратном.
3. Параллельные реакции вида: A
→ B, A → C, A → L;
4. Последовательные реакции вида: A
→ B, B → C, C → L.
Сам процесс или акт химического превращения заключается в том, что при сближении двух или нескольких частиц происходит постепенная перестройка связей между атомами. При этом одни связи разрываются, а другие образуются. В результате из исходных веществ образуются продукты реакции.
Состояние, в котором одни связи уже растянулись, но еще не разорвались, а новые только образуются, называется переходным состоянием. Совокупность частиц, находящихся в переходном состоянии образует, так называемый, активированный комплекс, который в переходном состоянии находится на вершине потенциального барьера.
В качестве примера рассмотрим ход реакции H
2
+I
2
=2HI, которая, как показали современные исследования, является сложной реакцией, состоящей из трех элементарных реакций
I
2
→ 2I
*
; I
*
+ H
2
→ HI + H
*
; 2H
*
→ H
2
Рассмотрим более подробно вторую элементарную реакцию. В процессе протекания этой реакции сначала радикал йода I
*
сближается с молекулой водорода, далее связь между атомами водорода растягивается и образуется активный комплекс, состоящий из атома йода и двух атомов водорода. И, наконец, формируется связь между атомом йода и атомом водорода и образуется несвязанный радикал водорода. Схематично путь этой реакции изображен на рис. 12.1.
Примерами быстро протекающих химических реакций могут служить реакции типа взрыва, а медленно протекающих реакций
− реакции ферментации виноградного сока с получением виноградного вина, которые протекают от нескольких месяцев до нескольких лет.
На практике скорость химической реакции можно определить графически из зависимости массы продукта химической реакции в единице объема от времени протекания реакции (рис. 12.2).
12.1.2. Особенности плазмо-химических, фото-химических и радиационно-химических реакций
Скорость большинства химических реакций растет с повышением температуры. Это связано с тем, что далеко не каждое столкновение молекул реагирующих веществ приводит к химической реакции между ними. Для того чтобы образовались новые молекулы, необходимо предварительно ослабить или разорвать связи между атомами в молекулах исходных веществ. Для этого требуется затрата определенного количества энергии. Повышение температуры означает увеличение хаотического движения молекул.
Зависимость константы скорости реакции от температуры передает полуэмпирическое уравнение Аррениуса:
RT
a
E
Ae
k
−
=
, где А
− некоторая константа, зависящая от вступающих в реакцию веществ; R − газовая постоянная; Т − температура; Е
а
− так называемая энергия активации реакции.
Энергией активации называют избыточную энергию, которая должна быть сообщена молекулам для того чтобы их столкновение могло привести к образованию нового вещества (т.е. произошла химическая реакция между этими частицами). Величина энергии активации зависит от вида реагирующих частиц и от их энергетического состояния. Так, для реакций между валентно-насыщенными молекулами (входящие в молекулы атомы имеют полностью заполненную внешнюю электронную оболочку) энергия активации близка к энергии диссоциации и составляет 100
÷200 кДж/моль.
Реакции атомов (или радикалов) с молекулами протекают с промежуточными значениями энергии активации
[I
…H…H]
W
I
H
2
&
+
HI+H
∗
t
время реакции