（材料学专业论文）微波对原油的脱水和降粘研究.pdf

摘要 摘要 高粘原油是一种胶质、沥青质等重组份分散相含量较高的非常规原 油。高粘原油的长距离管道输送在技术工艺上存在较大的困难，现有的 输送工艺存在一定的局限性。微波加热是介质材料自身损耗电场能量而 发热，它是一种体加热，加热速度快，能选择性加热极性物质，同时微 波加热还存在“非热效应”。 世界各地的油田几乎都要经历含水开发期，高含水率的原油在输送 过程中给设备带来一定的负重，造成浪费；其储存和炼制也对设备造成 诸多问题和不便，甚至造成很大的危害。传统的脱水方法存在耗能高、 污染环境等缺陷，最新的破乳方法中微波法有其独特优势。 在降粘方面，本论文采用微波辐射方式对高粘原油的降粘进行了比 较细致的研究：( 1 ) 详细研究了微波对高粘油作用后能降低高粘原油的 粘度和凝固点，改善高粘原油的流变性，并对微波作用高粘油的机理进 行了探讨；( 2 ) 研究了微波作用高粘原油后高粘原油物性改变的方向， 即微波的非热效应，使得胶质、沥青质及长链烷烃分子链断裂，产生低 分子化合物烃类，从而使得原油的粘度得以降低。 同时，本论文还对含水原油的破乳脱水进行了比较细致的研究： ( 1 ) 详细研究了微波对含水原油作用后在半个小时之内，油水分离 基本结束；含水率越高的乳化液，脱水率越高，含水率低的乳化液经微 波处理后效果没那么明显；微波能量越大，破乳效果越好，但当微波功 率过大时反而影响水滴的合并，导致脱水困难；对于低含水率的乳化液， 采用小功率、长时间的作用方式比大功率、短时间的作用方式脱水效果 要好。 ( 2 ) 详细研究了微波n a c i 法对含水原油的破乳：微波n a c i 法较微 波法而言，是一种高效、节能的方法，能缩短微波辐射时间、节约微波 能、提高脱水率；n a c i 质量分数太低，起不到加速反应的效果；n a c i 质量分数太高，则会引起系统温度过高，反而不利于原油的破乳；含水 率越低的原油，当采用微波n a c i 法脱水时，能大幅度地提高原油的脱水 武汉工程大学硕士学位论文 率；油温以不超过8 0 。c 为宜；同时，微波能量、室温对原油的脱水也有 很大的影响。 ( 3 ) 详细研究了微波对混合原油的破乳降粘：微波能量越大，破乳 效果越好；油温过低，破乳效果不好，当油温超过7 0 后，混合原油的 脱水率增高，油温以8 5 左右为宜；微波对混合原油的降粘效果非常明 显，且这种改变在2 个月内保持不变；微波能量越大，混合原油的降粘 效果越明显。 研究结果对稠油脱水降粘技术的实际应用具有指导作用。 关键词：微波微波n a c i 法高粘油乳状液脱水率 a b s t r a c t t h eh i g hv i s c o s i t yc r u d eo i li sak i n do fu n c o n v e n t i o n a lc r u d eo i lt h a t c o n t a i n ss u c hh i g hp e r c e n t a g eo fw e i g h t y - c o m p o n e n td i s p e r s e dp h a s e a s c o l l o i da n da s p h a l t t h ep r e s e n tl o n g - d i s t a n c ep i p e l i n et r a n s p o r t a t i o no ft h e c r u d eo i le x i s t sm a n yp r o b l e m si n t h et e c h n o l o g i c a la s p e c t m i c r o w a v e h e a t i n gi sam e t h o dt h a tt h ed i e l e c t r i cl o s si sc o n v e r t e dt h e r m a le n e r g y i ti s a p e n e t r a t i n gh e a t i n g ，h a sf a s th e a t i n gs p e e d a n di t ss e l e c t i v i t y a tt h es a m et i m e ， m i c r o w a v eh e a t i n gh a sn o n t h e r m a le f f e c tb e s i d e st h e r m a le f f e c t t h eo i lf i e l do fa l lo v e rt h ew o r l da l m o s te x p e r i e n c ec o n t a i n i n gw a t e r e x p l o i t a t i o nt i m e t h eh i g hc o n t a i n i n gw a t e rr a t e o fc r u d eo i lb r i n gs o m e b u r d e nt oe q u i p m e n t si nt r a n s p o r t a t i o n ，a n dc a u s ew a s t e i t sd e p o s i t e da n d r e f i n e da l s oc a u s el o t so fp r o b l e m sa n di n c o n v e n i e n c e s ，e v e nb r i n gl a r g e r h a r m s t h et r a d i t i o n a ld e h y d r a t i o nm e t h o d sh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c h a s h i g he n e r g yc o n s u m p t i o n ，n e g a t i v e e n v i r o n m e n t a lf a c t o r s ，e t c n o v e l m i c r o w a v ed e h y d r a t i o nm e t h o d so f f e ru n i q u ea d v a n t a g e s a b o u td e c r e a s i n gv i s c o s i t y , t h eh i g h l yv i s c o u sc r u d eo i l i ss t u d i e d c a r e f u l l yu s i n gm i c r o w a v eh e a t i n gi n t h i s p a p e r ：f i r s t ，p a r t i c u l a r l ys t u d i e d m i c r o w a v er a d i a t i o nc a nr e d u c et h ev i s c o s i t y a n ds o l i d i f y i n gp o i n ta n d i m p r o v ef l u i d n e s s ，a n dd i s c u s s e dt h em i c r o w a v eh e a t i n gt h e o r yo fc r u d e o i l s e c o n d ，t h ec h a n g i n gd i r e c t i o no fp h y s i c a lc h a r a c t e ro fh i g h l yv i s c o u sc r u d e o i li ss t u d i e da f t e rm i c r o w a v eh e a t e d ，t h a ti st os a y , t h en o n t h e r m a le f f e c to f m i c r o w a v ec a nc u ts h o r tc o l l o i d ，a s p h a l t ，a n dl o n gc h a i na l k y lh y d r o c a r b o n m o l e c u l e s ，p r o d u c e l o w m o l e c u l ec o m p o u n dh y d r o c a r b o n s ，a n d d e c r e a s e v i s c o s i t yo fc r u d eo i l m e a n w h i l e ，t h ed e h y d r a t i o no fc o n t a i n i n gw a t e rc r u d e o i li sd e t a i l e d d e s c r i b e di nt h i st h e s i s ： f i r s t ，p a r t i c u l a r l y s t u d i e dt h e f i n i s h e dd u r i n gh a l fa nh o u ra f t e r s e p a r a t i o n o fo i la n dw a t e rb a s i c a l l y t h ee x p e r i m e n t s t h eh i g h e rc o n t a i n i n g i l l w a t e rr a t ei s ，t h eh i g h e rd e h y d r a t i o nr a t ei s b u tl o wc o n t a i n i n gw a t e rr a t eo f e m u l s i o ni sn o tt h a to b v i o u s t h eg r e a t e rm i c r o w a v ee n e r g yi s ，t h eh i g h e r d e h y d r a t i o nr a t ei s ，h o w e v e r , w h e nm i c r o w a v ep o w e ri st o om u c hg r e a t e r , t h e c o m b i n a t i o no fd r i pi sd i f f i c u l t ，s ot h ed e h y d r a t i o ni sa l s od i m c u l t s m a l l p o w e r , l o n gt i m ei sb e t t e rt h a nh i g h - p o w e r , s h o r tt i m et ot h el o w e rc o n t a i n i n g w a t e rr a t eo fe m u l s i o n s e c o n d ，c a r e f u l l yd e s c r i b e dt h em i c r o w a v ed e h y d r a t i o no fc o n t a i n i n g w a t e rc r u d eo i la n dt h es o d i u mc h l o r i d em e t h o d ：c o m p a r e dt h em i c r o w a v e r a d i a t i o n ，w i t ha n dw i t h o u tt h ea d d i t i o no fs o d i u mc h l o r i d e ，t h ef o r m e ri sa w a yo fh i g he f f i c i e n c ya n ds a v i n ge n e r g y , i tc a ns h o r t e nr u n n i n gt i m e ，s a v e m i c r o w a v ee n e r g ya n di m p r o v ed e h y d r a t er a t e i tc a n ta c c e l e r a t er e a c t i o n w h e nt h ec o n t e n to fs o d i u mc h l o r i d ei sm u c hl o w e r i td o e s n tb e n e f i tt h e d e h y d r a t eo fc r u d eo i lw h e nt h ec o n t e n to fs o d i u mc h l o r i d ei sm u c hh i g h e r , t h es y s t e mt e m p e r a t u r ei st o oh i g h e r i tc a ni n c r e a s et h e d e h y d r a t er a t eo f c r u d eo i lag r e a td e a lw h e n u s i n gt h ef o r m e rw a yt ot h el o wc o n t a i n i n gw a t e r r a t e t h eo i lt e m p e r a t u r ei sn o to v e r8 0 b e t t e r a tt h es a m et i m e m i c r o w a v e e n e r g ya n dr o o mt e m p e r a t u r ea l s oh a v em u c hi n f l u e n c eo nt h ed e h y d r a t eo f c r u d eo i l t h i r d ，d e t a i l e d l yr e s e a r c h e dt h ed e h y d r a t ea n dr e d u c i n gv i s c o s i t yo n m i x t u r ec r u d eo i lb ym i c r o w a v er a d i a t i o n ：t h eg r e a t e rm i c r o w a v ee n e r g yi s ， t h eh i g h e rd e h y d r a t i o ni s t h ed e h y d r a t ee f f e c ti sn o tg o o dw h e nt h eo i l t e m p e r a t u r ei st o ol o w w h e no i lt e m p e r a t u r ei so v e r7 0 t h ed e h y d r a t er a t e i si m p r o v e d t h eb e s to i lt e m p e r a t u r ei sa b o u t8 5 t h ed e c r e a s i n gv i s c o s i t y e f f e c ti sq u i t eo b v i o u s ，a n dt h ec h a n g ec a ns t a yf o rt w om o n t h s t h eg r e a t e r m i c r o w a v ee n e r g yi s ，t h em o r eo b v i o u se f f e c to fd e c r e a s i n gv i s c o s i t yi s k e yw o r d s ：m i c r o w a v e ，m i c r o w a v es o d i u mc h l o r i d em e t h o d ，h i g h l y v i s c o u sc r u d eo i l ，e m u l s i o n ，d e h y d r a t i o nr a t e i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研 究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识 到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：圣挺傻 即8 年占月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解我校有关保留、使用学位论文的规定，即： 我校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允 许论文被查阅。本人授权武汉工程大学研究生处可以将本学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 保密0 ，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密d ( 请在以上方框内打“4 ) 学位论文作者签名：王糙茇 矽3 年6 月e t 指导教师繇似拙 加艿年铜e t 第1 章绪论 1 1 课题的提出及研究意义 第1 章绪论 我国各油田所产原油，除了为数及少的轻质低粘原油外，大部分为 胶质含量大的高粘度原油和含蜡较多的高凝点原、油【1 1 。对于胶质含量大的 高粘度原油，它不仅在常温下粘度高，即使在较高的温度下，仍具有较 高的粘度。因此，高粘油的长距离管输在技术工艺上存在较大的困难。 对于含蜡较多的高凝点原油，它在油温高于析蜡温度时，粘度较低，但 当油温接近凝点时，粘度急剧增大。因此，高凝油在输送过程中，由于 输油管壁结蜡，会造成井田减产甚至因堵塞而停产。 同时，世界各地的油田几乎都要经历含水开发期。油井产物中多含 有水、砂等杂质，水中还溶解了一些矿物盐( 尤其是开采后期) 。由于我 国大部分油田是用注水方式开发的，目前我国原油平均含水量已在8 0 以上，到开发后期含水量可高于9 0 ，输送和处理大量的水使设备不堪 重负，增加了能量的消耗，矿物盐造成了设备结垢和腐蚀。原油中夹带 的泥砂会堵塞管道和储罐，还能使设备磨损【2 】。因此原油必须在矿场经过 脱水、净化加工才能成为符合外输要求的合格产品。因而，原油脱水成 为油田原油生产中一个不可或缺的环节。 对于高粘高凝原油的长距离管输，目前已有几种技术上可行的管输 工艺，并且各种方法在集输过程中均有一定程度的应用，但每种方法都 存在一定的局限性。因此，建立和发展先进的输送工艺技术体系，成为 石油储运工作者的首要任务。 对于原油的破乳脱水，目前已知的方法主要有【3 】：化学破乳法、物理 破乳法、生物破乳法、联合破乳法和膜破乳法。但上述各种脱水方法存 在耗能大、加入的破- n 量大、破乳后水质差、污染环境等一系列缺陷。 因此研究高效、低耗、便捷的破乳技术，具有重要的意义。 而把微波能应用于原油的降粘降凝方面是一个新型的研究方向，具 有广阔的应用前景。可以充分发挥微波加热效率高、速度快、清洁无污 武汉工程大学硕士学位论文 染，以及非热效应的独特优势，达到降粘降凝及脱水的目的，从而实现 高粘高凝原油经济、高效、清洁、快速地净化与输送，这将为高粘高凝 原油的地面处理技术带来新的革命，并将产生很好的经济效益和社会效 j l 厶 盆o 1 2 原油的简介 1 2 1石油的组成与性质【4 】 天然石油( 从地下开采出来未力n - r 时称原油) 是一种可燃性粘稠液 体。原油的外观随着产地的不同而不同，不同的油田，甚至同一油田的 不同油井所产的原油都不相同，一般来说多为黑褐色或暗绿色。石油是 古代海洋或湖泊中的生物经过漫长的演化形成的混合物，与煤一样属于 化石燃料，是由各种烃( 碳氢化合物) 类( 烷烃、环烷烃、芳香烃等) 组成的复杂混和物，含有少量硫、氮、氧等有机化合物和微量金属。 石油的性质因产地而异，密度为o 8 1 0 克厘米3 ，粘度范围很宽， 凝固点差别很大( 3 0 - - , 6 0 0 c ) ，沸点范围为常温n s o o o c 以上，可溶于多 种有机溶剂，不溶于水，但可与水形成乳状液。组成石油的化学元素主 要是碳( 8 3 - 8 7 ) 、氢( 1 1 1 4 ) ，其余为硫( 0 0 6 o 8 ) 、氮 ( 0 0 2 1 7 ) 、氧( o 0 8 1 8 2 ) 及微量金属元素( 镍、钒、铁等) 。 由碳和氢化合形成的烃类是构成石油的主要组成部分，约占9 5 - - - , 9 9 ， 含硫、氧、氮的化合物对石油产品有害，在石油加工中应尽量除去。不 同产地的石油中，各种烃类的结构和所占比例相差很大，但主要属于烷 烃、环烷烃、芳香烃三类。通常以烷烃为主的石油称为石蜡基石油；以 环烷烃、芳香烃为主的称环烃基石油；介于二者之间的称中间基石油。 1 2 2 石油的用途及重要性1 5 叫 石油被称为“黑色的金子，是百业之母。石油主要成分为甲烷，同 时含有少量的乙烷和丙烷以及一氧化碳、氮气等。通过对石油的炼制可 第1 章绪论 得到汽油、煤油、柴油等燃料以及各种机器的润滑剂、气态烃。通过化 工过程，可制得合成纤维、合成橡胶、塑料、农药、化肥、医药、油漆、 合成洗涤剂等。目前约有5 0 0 0 多种化工产品的原料来自于石油及天然气， 特别是有机化工的8 种基本原料有7 种来自于石油，其中的乙烯是与钢 铁、水泥并称的工业化三大基础材料之一。因此，石油被广泛运用于交 通运输、石化等各行各业，被称为经济乃至整个社会的“黑色黄金 、 “经济血液 。总之，人类的衣食住行，哪样也离不开石油。 石油的流动改变着世界政治经济的格局，只要没有一种新的燃料能 取代石油，国际间石油的争夺就不会停止。不可否认，上个世纪海湾地 区爆发的几次战争，石油是其背后的重要动因。 石油危机对国民经济的打击是非常可怕的。1 9 7 3 年第一次石油危机 使美国经济“缩水”1 3 ，通货膨胀率从3 4 上升到1 2 2 ，失业率从4 9 上升到8 5 ；2 0 世纪8 0 年代初的第二次石油危机则使美、英的g d p 负 增长率分别为o 2 和2 4 。在我国，由于前几次石油危机爆发时经济对 外开放程度还不高，因而影响不大。但随着我国经济与世界市场联系的 日益紧密，我国对石油的敏感度越来越高。以现在中国每天进口2 0 0 万 桶石油计算，如果国际油价每桶上涨5 美元，那么中国每天就要多支付 1 0 0 0 万美元，直接导致国内生产总值( g d p ) 下降o 4 0 5 个百分点， 石油对我国经济的重要性已被提高到战略高度加以重视。 1 3 传统的处理方法 1 3 1易凝高粘原油及其管道输送技术【7 】 易凝油是指凝固点高于管道所处环境温度的高含蜡量的原油和重 油；高粘油又称稠油、重质原油，通常指d 4 2 0 0 9 2 的原油。这两类油品 的输送须采用降粘和减阻等管道输油工艺。迄今为止，中国己建的原油 输送管道所输送的大多是易凝高粘原油。苏联和北非、南美、东南哑等 地，易凝高粘原油的开采量和输送量也正在逐年增加。 易凝高粘油品的特性： 武汉工程大学硕士学位论文 易凝油品中所含的蜡大多是石蜡，仅少数原油中含较多的地蜡。蜡 的分子量不同，其熔点也不同。当油品温度较高，不同分子量的蜡均处 于溶解状态时，油品粘度只随温度升高而降低，属牛顿型流体。当油品 温度逐渐降低时，不同分子量的蜡按熔点高低次第析出，先以细小的结 晶分散在油中；随着温度的下降，蜡晶不断地增多和长大，悬浮在液态 油中，使油品从牛顿型流体转变为非牛顿型流体。油品发生这一转变时 的温度，通常称为反常点。非牛顿型流体的粘度与油品温度和油品所经 受的剪切力大小有关，故称为表观粘度。非牛顿型流体的粘度随油品温 度下降而上升的幅度要比牛顿型流体大得多。如油品温度继续下降，则 愈来愈多的蜡晶互相连接，构成有一定结构强度的空间网络，并将液态 的烃类包围于其中，油品即失去流动性，此时的温度称为油品的凝固点。 若外力足以破坏其网络结构，油品仍可流动。油品含蜡愈多，则反常点 和凝固点愈高。 高粘油品通常含胶质很多，而含蜡少。沥青基原油一般是凝固点低 而粘度高的高粘油品。高含蜡量的重燃料油则属既易凝而又高粘的油品。 输送方法： 易凝高粘油品常采取降粘和减阻等方法输送。目前用于工业生产的 有下列方法。加热：将油品加热以提高蜡和胶质在油中的溶解度，降 低输送时的粘度。高速流动：利用油品在管道中高速流动时产生的摩 擦热，使油品保持在一定的温度范围内输送。稀释：将易凝高粘油品 与低凝原油、凝析油或轻馏分油混合输送，以减少输送时的摩阻，并降 低油品的凝固点。改变蜡在油品中的结构形态：常用热处理方法。在 蜡晶形成和长大过程中，加热温度的高低，冷却速度的快慢，剪切力大 小或搅动作用的强弱都会影响结晶形态。因此，利用热处理方法，将油 品加热到某一温度后，按一定条件和速度冷却，使蜡在重新结晶时形成 强度较低的网络结构，从而降低凝固点，改善流动性。各种易凝油品的 最优热处理条件需由室内和现场试验确定，如印度纳霍卡蒂亚油田的 1 1 0 0 多公里的原油外输管道，就是将原油加热到9 0 , - - 一9 5 。c 后，经流动和 静止两个阶段冷却，当油温降到1 8 - 2 1 ( 管道埋设处的地温) 后送入 第1 章绪论 管道。经上述处理后，原油凝固点从3 0 降到1 5 6 c ，从而实现等温输 送。用水分散易凝高粘油品或改变管壁附近的液流形态：有水悬浮和 乳化降粘两种方法。水悬浮是将易凝油品注入温度远低于凝固点的水中， 形成凝油粒与水组成的悬浮液，输送时摩擦阻力仅略大于水。印度尼西 亚从丹戎至巴厘巴板的长2 3 8 公里的管道，用此法输送凝固点为4 0 6 c 的含蜡原油，油、水比为7 0 ：3 0 。悬浮液流速o 7 3 米秒时的摩阻力为每 公里0 6 - 0 7 千克力厘米2 。在终点将悬浮液加热并添加破乳剂进行油、 水分离，然后脱水。这种输送方法正常运行的关键是保证悬浮液的稳定。 乳化降粘方法是将表面活性剂水溶液或浓度o 0 5 o 2 的碱性化合物加 入高粘油中，在适当的温度和剪切力作用下，形成水包油型乳化液，可 显著降低高粘原油的粘度。这种方法目前常用于高粘原油的输送。 此外，还有热水伴随、集肤电伴热，以及添加蜡晶改性剂、减阻剂 和水环输送等方法。这些方法主要用于短距离输送易凝高粘油品或用于 实验管道。易凝高粘油品的输送方法要根据油品性质和管道所处的环境， 经环道试验和综合分析确定。 1 3 2 原油乳状液及破乳脱水【2 1 原油中的水分，有的成游离状态，称游离水，在常温下用简单的沉 降法短时间内就能从油中分离出来；有的则形成油水乳状液，很难用沉 降法分离，这类水称乳化水。 乳状液是两种( 或两种以上) 不相溶液体的混合物，其中一种液体 以极小的液滴形式分散在另一种液体之中，并靠某种乳化剂得到稳定。 原油中含有多种天然乳化剂，如沥青、胶质等。 原油和水的乳化液主要有两种类型：一种是水以极小的液滴分散于 原油中，称“油包水 型乳状液，用符号w o 表示，此时水是内相或分 散相，油是外相或连续相。另一种是原油以极小的液滴分散于水中，称“水 包油 型乳状液，用符号o w 表示，此时油是内相或分散相，水是外相 或连续相。 在油田上低含水的原油乳化液主要是油包水型乳化液，在高含水期 武汉工程大学硕士学位论文 的油田井液含水主要是游离水，也含有一定的油包水型乳化液。 原油的脱水过程有破乳和沉降两个阶段。乳状液的破坏称破乳，是 指乳状液中的油水界面因乳化剂的作用形成的膜被化学、电、热等外部 条件所破坏，分散相水滴碰撞聚结的过程。破乳后水呈游离状悬浮于油 中，在进一步的碰撞中结成更大的水滴，靠重力作用沉入底部，这便是 沉降。 脱水处理的方法有：( 1 ) 加热；( 2 ) 化学破乳；( 3 ) 电聚集；( 4 ) 重力沉降；( 5 ) 润湿聚结。为了提高脱水效果，油田上经常将这些方法 联合使用。 原油热化学脱水是将含水原油加热到一定的温度，并在原油乳状液 中加入少量的表面活性剂( 称破乳剂) ，破坏其乳化状态，使油水分离。 热化学脱水工艺简单、成本低廉、效果显著，但单纯用热化学脱水 方法使原油含水达到合格，多数情况下是不经济的。 含水原油经破乳后，需把原油同游离水、杂质等分开。在沉降罐中 主要依靠油水密度差产生的下部水层的水洗作用和上部原油中水滴的沉 降作用使油水分离，此过程在油田常被称作一段脱水。此方法分离速度 慢，只能分离游离水。 电脱水是对低含水原油彻底脱水的最好方法。在油田电脱水常作为 原油脱水工艺的最后环节。为了保证脱水效果，一般采用加热的方法降 低进入电脱水器原油的粘度。原油中的矿物盐大都是溶解在水中，大部 分原油在脱水的同时也就脱掉了盐。电脱水破乳效率高，但耗电量大， 装置复杂，安全要求高，而且对于含水量较高的w o 型乳化液，常因加 不上电压使电破乳难以进行。 润湿聚结脱水效果差。 目前，油田上多采用“二段脱水 ( 热化学脱水及电一化学脱水) 达 到脱水合格。一段脱水到含水3 0 左右，二段脱水达到出矿原油要求的 含水率o 5 以下，脱出水含油要求不高于o 5 的标准。 第1 章绪论 1 4 微波技术 1 4 1微波加热原理及特点【8 9 1 微波与无线电波、电视信号、通讯雷达、红外线、可见光等一样， 都属电磁波，只是波长不相同。微波是频率大约在3 0 0 m h z 3 0 0 g h z ， 即波长在l m 一- , l m m 范围内的电磁波，通常用于电视、广播、通讯技术中。 而近代把微波作为一种能源，又拓展了一个分支技术，在工农业上进行 加热、干燥；在化学工业中进行催化、萃取等化学反应和激发等离子体 等。家用微波炉的使用更标志微波技术的日趋成熟。由于电磁波的应用 极为广泛和普及，特别是通信领域，为避免相互干扰，国际无线电管理 委员会对频率的划分作了具体规定。分给工业、科学和医学用的频率有 4 3 3 兆赫、9 1 5 兆赫、2 4 5 0 岁g 赫、5 8 0 0 兆赫、2 2 1 2 5 兆赫，与通信频率分开 使用。目前国内用于工业加热的常用频率为9 1 5 兆, 赫和2 4 5 0 兆, 赫。微波频 率与功率的选择可根据被加热材料的形状、材质、含水率的不同而定。 通常，介质材料由极性分子和非极性分子组成，在微波电磁场作用 下，极性分子从原来的热运动状态转向依照电磁场的方向交变而排列取 向，产生类似摩擦热，在这一微观过程中交变电磁场的能量转化为介质 内的热能，使介质温度出现宏观上的升高。由此可见，微波加热是介质 材料自身损耗电磁场能量而发热。对于金属材料，电磁场不能透入内部 而是被反射出来，所以金属材料不能吸收微波。水是吸收微波最好的介 质，所以凡含水的物质必定吸收微波。有一部份介质虽然是非极性分子 组成，但也能在不同程度上吸收微波。 微波加热与常规加热相比，具有以下优点： 1 、加热速度快 常规加热如火焰、热风、电热、蒸汽等，都是利用热传导的原理将 热量从被加热物外部传入内部，逐步使物体中心温度升高，称之为外部 加热。要使中心部位达到所需的温度，需要一定的时间，导热性较差的 物体所需的时间就更长。微波加热足使被加热物本身成为发热体，称之 武汉工程大学硕士学位论文 为内部加热方式，不需要热传导的过程，内外同时加热，因此能在短时 间内达到加热效果。 2 、均匀加热 常规加热，为提高加热速度，就需要升高加热温度，容易产生外焦 内生现象。微波加热时，物体各部位通常都能均匀渗透电磁波，产生热 量，因此均匀性大大改善。 3 、节能高效 在微波加热中，微波能只能被加热物体吸收而生热，加热室内的空 气与相应的容器都不会发热，所以热效率极高，生产环境也明显改善。 4 、易于控制 微波加热的热惯性极小。若配用微机控制，则特别适宜于加热过程 加热工艺的自动化控制。 5 、低温杀菌、无污染 微波能自身不会对食品污染，微波的热效应双重杀菌作用又能在较 低的温度下杀死细菌，这就提供了一种能够较多保持食品营养成份的加 热杀菌方法。 6 、选择性加热 微波对不同性质的物料有不同的作用，这一点对干燥作业有利。因 为水分子对微波的吸收最好，所以含水量高的部位，吸收微波功率多于 含水量较低的部位这就是选择加热的特点。烘干木材、纸张等产品时， 利用这一特点可以做到均匀加热和均匀干燥。 7 、安全无害 在微波加热、干燥中，无废水、废气、废物产生，也无辐射遗留物 存在，其微波泄漏也确保大大低于国家制定的安全标准，是一种十分安 全无害的高新技术。 1 4 2 微波加热技术的发展概测1 0 】 微波技术首先应用于通信、广播、电视技术中。在这些领域里，微 波作为一种信息或信息的载体被利用。在微波通信工程的数十年应用中， 第1 章绪论 发现始终伴随有一种会引起微波能损耗、需要设法防止和消除的有害因 素一热效应。早在1 9 4 5 年，美国就有人提出利用微波的这种热效应来对 材料进行加热的想法。随后有不少人对此课题一微波加热一进行了不断 探索、试验和研究。 直到六十年代末，微波能终于被作为一种能源来加以利用，进行加 热、干燥、杀虫、灭菌、医疗等工业项目上。首先是在食品工业方面， 而家用微波炉的出现更进一步扩大了微波加热技术的应用领域。现在， 微波加热作为一项新技术已受到各学科领域的高度重视和应用开发。 国外对微波能应用研究及学术交流一直很活跃与重视。1 9 6 6 年在北 美加拿大的阿尔伯泰( a l b e r t a ) 城设立了国际微波功率学会( 简称i m p i ) ， 每年举行一次学术讨论会，并定期出版季刊微波功率杂志( t h ej o u r a l o fm i c r o w v ep o w e r ) ) ) 。 我国在7 0 年代开始微波能应用研究工作，于1 9 7 3 年开始微波加热 应用技术的研究和微波加热用磁控管的研制。1 9 7 4 年和1 9 8 0 年电子工业 部召开了“全国微波能推广应用技术交流会”，交流微波学术及应用技术 问题。8 1 年3 月经批准，抽调部属单位的科技力量，成立了一中国电子 器件工业总公司微波能推广应用站，负责全国微波能推广应用的组织、 设计研究工作。1 9 8 3 年1 0 月中国电子学会召开了首届“全国微波能应用 学术交流会 。此后每两年在全国选择推广应用好的地区轮流举办微波应 用技术交流，以推动国内微波事业的发展。每届均有论文集出版，涉及 工业、农业、医药、科研等方面的应用领域。 目前，我国己在皮革、木材、彩色印刷、食品、纸张、化工、陶瓷、 药品、烟叶、建材、橡胶以及医疗等行业逐渐采用微波技术，并取得了 良好的经济效益。微波能技术作为一种新的加工手段，对各行业的技术 改造和设备更新己形成极大地冲击。特别是现阶段，摆在各经营者面前 的是解决产品结构与社会需求的问题，适应社会发展对产品品质、品种 要求的提高。其焦点之一就是技术创新不足、品质升级滞后。微波技术 的出现为提高产品档次、跟上技术进步、创高附加值产品提供了良好条 件。 武汉工程大学硕+ 学位论文 1 5 国内外研究现状 1 5 1微波对稠油、废油、渣油的作用 1 9 7 7 年，r g b o s i s i 等人首先做了室内微波抽提砂岩样品中沥青质的 实验【1 1 】。实验中对采出的沥青质和气体分别进行质谱和色谱分析，发现 沥青质中各成分分子量的平均值比常规加热采出的沥青质低，并产生了 少量气体。r g b o s i s i 把轻质成分的形成归结为微波与稠油作用发生了热 裂解的结果，也就是说归结为微波的热效应。 在非热效应方面，专利u s p 4 ，3 7 6 ，0 3 4 中，e d w a r d t w a l l 做了一 次利用微波从油页岩中提取粘质原油的实验【1 2 1 ，而且还抽提罗了低粘度 原油。这不同于传统加热时的抽提情况。所以，e d w a r d t w a l l 断定原油 在微波作用下发生了非热效应意义上的化学裂解反应。 在专利u s p 5 ，0 8 2 ，0 5 4 中【”】，a m o o s hik i a m a n e s h 在微波处理稠 油后，对非热效应作出了简单的共振解释。 在u s p 5 ，2 9 9 ，8 8 7 中【1 4 】，作者明确提出微波作用于氯代烃是一种 非热效应。 国内在微波对稠油作用的研究方面，有西安石油学院微波采油课题 组进行了微波辐射稠油引发稠油粘度降低的先期实验研究，并通过实验 观察到了微波对稠油降粘的不可逆性，并猜想微波对稠油作用可能存在 非热效应【1 5 1 。 2 0 0 5 年，西安石油大学石油工程学院的蒋华义进行了微波对高粘油 的室内实验，研究结果表明，微波对高粘油作用存在“非热效应”，即能 够降低胶质沥青质及长链烷烃分子链断裂的活化能【l 酬。 微波与物质相互作用过程中是否表现出微波非热效应，国内外学术 界还存在争论。如d a c s t u e r g a 等人【1 7 】甚至否认在化学领域有微波非热 效应的存在，他们认为在微波促进化学反应方面，微波只存在加热效应。 有些文献也认为，由于微波的震荡电场使油分子中的极性基产生共振， 并在极性基周围形成局部过热从而引起了常规条件下无法发生的化学变 第1 章绪论 化。在微波化学领域中，微波对某些化学反应的促进仅仅用微波的热效 应是无法解释的。 1 5 2 微波对蜡的作用 微波对蜡的作用在国内外研究甚少，r g b o d i s i o t 等人【18 】进行了微波 开采高凝原油的实验，证明了微波对高凝原油作用后，形成较多的轻质 组份。 e t w a l l l l 9 】证明了微波开采高凝原油比传统的加热技术更经济，用微 波开采高凝原油时，含水量低，为传统加热法的6 6 2 。 国内西安石油学院马宝岐教授等曾进行过微波脱蜡的初步实验研究 1 2 0 】；实验采用长庆油田聚结石蜡，其中含水2 5 、含砂1 ，微波频率为 2 4 5 0 m h z 。研究结果表明，当微波功率山2 5 5 w 增大到8 5 0 w 时，脱蜡 时间由1 0 m i n 缩短到2 m i n 。与其它方法相比，微波脱蜡具有时间短、效 果好等特点。 2 0 0 5 年，西安石油大学石油工程学院的蒋华义进行了微波对高凝油 的室内实验【1 6 1 ，结果表明，微波对高凝油作用可以降低高凝油的粘度、 凝固点、屈服值，改善高凝油的流变性，且这种降低和改善在低温下仍 然保持不变；微波对高凝油作用存在“非热效应”，即能够降低断裂蜡分 子链的活化能，由于微波作用，打断高凝点的正构烷烃长链，改变蜡晶 的形态、结构，进而改善高凝油的流变性。 1 5 3 微波破乳脱水 在1 9 8 3 年与1 9 8 6 年，l l a i l a 2 1 】和w o l f l 2 2 】先后分别在他们的专利中提 出了将微波辐射应用于乳化液的破乳方面。 1 9 9 5 年，f a n g 和l a i 冽用微波对一系列的工业乳状液进行了破乳， 用他们的方法在油田进行的初步实验是可靠和令人鼓舞的。 c s f a n g l 2 3 l 研究了微波对含水率分别为5 0 矛n3 0 的油包水乳化液 的脱水过程，发现微波对油包水乳化液的脱水效果很好。 武汉工程大学硕士学位论文 w o l f 在他的实验中比较了用常规加热方法和微波加热方法将含水率 为3 0 的油包水乳化液加热到相同的温度，然后在相同的条件下进行沉 降，作者发现无论有无破乳剂，微波破乳较常规加热所需要的时间短、 破乳效果好，作者还指出微波破乳的机理和常规加热破乳的机理显然是 不同的。 r a j i n d e rp a l 和j a c o bm u s l i y a n i 冽研究了利用微波分离油包水型乳化 液。作者得出结论，利用微波处理非常稳定的油包水型乳化液使得油水 分离是可行的，微波选择性加热水滴，与传统的加热方法比较起来微波 破乳更为有效。 大港油田研究院刘惠铃【冽对微波破乳脱水和热化学重力沉降脱水进 行了比较，认为从立即脱水率和总脱水率以及沉降消耗的时间上看，都 说明了微波脱水优于热化学重力沉降脱水。 2 0 0 5 年，西安石油大学石油工程学院的蒋华义【16 】进行稠油微波脱水 的实验研究，结果表明：对于脱水难度大的稠油乳状液，微波脱水较常 规加热沉降效果好、速度快，具有较好的发展前景；微波处理结束后3 0 m i n 之后，油水分离过程基本结束；含水率越高的乳化液经微波处理后脱水 率越高，对于低含水率的乳化液微波处理效果不理想；对于低含水率的 乳化液，采用小功率、长时间的作用方式比大功率、短时间作用方式脱 水效果要好；进行微波处理时，微波功率过大时反而影响水滴的合并， 导致脱水困难；加热时间过长、加热温度过高水分变成水蒸气汽化，一 部分水分可能变成更小的水滴分散于乳化液中反而不利于乳化液的破乳 脱水。 2 0 0 6 年，辽宁石油化工大学的毛燎劂2 6 】进行了无机盐存在下微波辐 射超稠原油脱水的研究，研究结果表明：加入少量无机盐，能大大增强 乳状液吸收微波的能力，使超稠原油脱水率迅速提高，最高可打9 9 4 3 ， 且油水分离可在1 r a i n 之内完成；乳状液脱水率与阳离子极化力以及阴离 子半径大小有关：无机盐对乳状液的破乳出水的透光率也有较大影响， 盐浓度太高能够降低脱出水的透光率，使溶解在水中的原油量增多。 从国内外的研究资料可以看出，微波技术用于原油的脱水小仅是可 第1 章绪论 行的，而且从立即脱水率和总脱水率以及沉降消耗时间上看，微波脱水 具有其他脱水方式无可比拟的优越性。 1 6 研究方法和研究内容 本论文主要从实验方面研究了微波对高粘原油( 单一油和混合油) 的作用规律。通过实验对高粘原油在微波作用前后其流变性、胶质沥青 质及乳状液等组分进行了测定，并分析了微波作用引起高粘原油流动性 变化的原因以及微波处理对原油破乳的效果与某些因素的定量关系。具 体研究如下： 1 、本论文分别进行了微波对单一油和混合油( 高粘原油) 辐射处理 的室内实验，并利用旋转粘度计对微波作用前后原油的屈服值、粘温曲