ДЕСТРУКЦИЯ УГЛЕВОДОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИЙ УЛЬТРАЗВУКОМ

Фролов Владимир Валерьевич

аспирант, ОмГТУ, г. Омск

Е-mail: frolovv

Мозговой Иван Васильевич

д-р техн. наук, профессор ОмГТУ, г. Омск

ULTRASONIC DESTRUCTION OF HYDROCARBONS

Vladimir Frolov

Postgraduate student of Omsk State Technical University, Omsk

Ivan Mozgovoy

Doctor of Engineering Science, Professor of Omsk State Technical University, Omsk

АННОТАЦИЯ

В данной статье описываются возможности осуществления деструкции сжиженных углеводородов при помощи энергии ультразвука с целью получения непредельных углеводородных соединений. На основе литературных данных о влиянии кавитации на химические соединения сделан вывод о перспективности данного направления и предложена схема лабораторной установки для проведения эксперимента. Данная схема позволит выявить степень деструкции углеводородов и количество получаемых данным способом непредельных соединений, а также подобрать оптимальные значения действующих факторов.

ABSTRACT

This article provides the description of destruction of liquefied hydrocarbons with ultra sound in order to obtain unsaturated hydrocarbons. On the bases of studied material on the subject of influence of cavitating on chemical compounds we came to the conclusion that this is an upcoming trend and we offer the design of the laboratory unit that will let conduct an experiment. This unit will allow determining the destruction level of hydrocarbons and the quantity of recovered unsaturated hydrocarbons; also it will allow defining the optimal values of the operating factors.

Ключевые слова: кавитация; звукохимия.

Keywords: cavitating; sonochemistry.

Интенсификация скорости химических реакций в жидкой среде одна из основных задач промышленной химии. Традиционно это достигается повышением концентрации реагентов, повышением температуры или давления, применением дорогостоящих катализаторов.

Ультразвуковая активация - один из современных способов ускорения протекания химических реакций. Следует отметить, что применение ультразвука позволяет не только увеличить скорость химической реакции, но и увеличивает процент прореагировавших веществ. Подвергая ультразвуковой кавитационной обработке жидкую среду можно получить химические реакции невозможные в других случаях.

УЗ кавитация - основной инициатор физико-химических процессов, возникающих в жидкости под действием УЗ. Она реализуется за счет трансформации низкой плотности энергии УЗ в высокую плотность энергии вблизи и внутри газового пузырька.

Кавитация — образование в жидкости пульсирующих пузырьков (каверн, полостей), заполненных паром, газом или их смесью. Во многих литературных источниках [1, 3, 4, 5] описываются процессы, протекающие в кавитационных пузырьках. Общая картина образования кавитационного пузырька представляется в следующем виде. В фазе разрежения акустической волны в жидкости образуется разрыв в виде полости, которая заполняется насыщенным паром данной жидкости. В фазе сжатия под действием повышенного давления и сил поверхностного натяжения полость захлопывается, а пар конденсируется на границе раздела фаз. Через стены полости в нее диффундирует растворенный в жидкости газ, который затем подвергается сильному адиабатическому сжатию. В момент схлопывания, давление и температура газа достигают значительных величин (по некоторым данным до 100 МПа и 10000^оС). После схлопывания полости в окружающей жидкости распространяется сферическая ударная волна, быстро затухающая в пространстве.

Существует ряд разработок и даже действующих лабораторных установок [2, 3] позволяющих осуществить деструкцию углеводородов нефти и увеличить тем самым выход светлых фракций при перегонке. Не менее перспективной является возможность получения непредельных углеводородов с помощью энергии ультразвука.

С целью проверки данной возможности разработана и собрана лабораторная установка, показанная на рисунке 1. Для проведения эксперимента в качестве углеводородной среды выбрана пропан-бутановая смесь, так как пропан является побочным продуктом многих процессов нефтепереработки, и получение на его основе непредельных углеводородов открывает широкие возможности для нефтехимического синтеза.

Рис. 1. Схема лабораторной установки для обработки сжиженного пропана высокочастотным ультразвуком:

1 - баллон с исходной проран-бутановой смесью; 2 - ультразвуковой генератор УЗГ-2-4; 3 – емкость с волноводом; 4 – предохранительный клапан; 5 – манометр; 6 – баллон для вывода конечного продукта; 7 – подача азота.

Установка предназначена для осуществления обработки сжиженного газа высокочастотными ультразвуковыми колебаниями с целью создания в жидкой среде режима интенсивной кавитации.

Пропан-бутановая смесь, предварительно проанализированная с помощью хроматографа, при комнатной температуре из баллона 1 с внутренним давлением 1,6 МПа за счет разницы давлений перекачивается в емкость 3. Емкость 3 оснащена ультразвуковым плоским излучателем, вмонтированным в корпус и являющимся частью емкости. Емкость 3 также снабжена предохранительным клапаном Autogas Italia Ру=2МПа и манометром ДМ 100-ВУ для регистрации давления.

Далее сжиженный газ подвергается воздействию ультразвуковых колебаний создаваемых генератором 2, работающим от электрической сети с напряжением 380 В. Генератор осуществляет обработку сжиженного газа с характеристиками ультразвука: частота 18 кГц при различной амплитуде колебаний.

По истечении промежутка времени отведенного на обработку воздействие ультразвука прекращают, а получившийся продукт, так же за счет разницы давлений перекачивают в баллон 6. Баллон 6 отсекается от установки и полученную смесь исследуют на содержание в ней пропилена при помощи газового хроматографа.

Во время проведения обработки производится контроль давления в системе и регистрация температуры окружающей среды и внутри емкости.

Предполагаемые результаты вероятнее всего будут укладываться в закономерность общую для всех звукохимических реакций. Образование звукохимических процессов открыто более 60 лет назад, однако до сих пор нет единого мнения о природе первичного акта звукохимического процесса. Однако, основные факторы, влияющие на скорость таких реакций, установлены точно [1, 5]:

1.  Интенсивность УЗ энергии, приходящей на единицу площади излучателя в озвучиваемой среде.

2.  Все реакции начинаются с определенного порога интенсивности УЗ колебаний, и этот порог всегда совпадает с началом кавитации.

3.  При превышении определенного порога интенсивности скорость реакций резко убывает.

4.  На низких частотах кавитация начинается при меньших интенсивностях и, соответственно, реакции протекают при меньших интенсивностях.

5.  Скорость химической реакции (Рисунок 2) определяется скоростью образования и расходования радикалов.

В качестве примера, на рисунке 2 приведена зависимость скорости образования йода из йодида калия от интенсивности УЗ при озвучивании в течение 20 минут.

Рисунок 2 – Зависимость скорости реакций от интенсивности

Из практики известно, что схлопывание одного кавитационного пузырька приводит к образованию от 10000 до 100000 пар радикалов [1].

Это много больше, чем образуется при ионизирующих излучениях или при фотолизе.

Приведенные данные позволяют сделать вывод о перспективности разработок связанных с процессами ультразвуковой интенсификации процессов в жидких углеводородных средах.

Список литературы:

1.Маргулис, М.А. Звукохимические реакции и сонолюминисценция [Текст] / М.А. Маргулис. – М.: Химия, 1986. – 300 с.

2.Промтов М.А. Технологии кавитационной обработки нефти и нефтепродуктов // [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3 (дата обращения 03.04.2012)

3.Промтов М.А. Гипотезы деструкции вещества при кавитационном воздействии // [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3 (дата обращения 03.04.2012)

4.Промтов М.А. Кавитация// [электронный ресурс] – Режим доступа. - URL: http://www.tstu.ru/r.php?r=structure.kafedra&sort=&id=3 (дата обращения 03.04.2012)

5.Эльпинер, И.Е. Биофизика ультразвука [Текст] / И.Е. Эльпинер. – М.: Наука, 1973. – 384 с.