Введение к работе
Актуальность темы. Эффективность использования топлива в энергетике, производство его с высокими эксплуатационными свойствами, рациональное использование и охрана окружающей среды зависят от экспресс-контроля физико-химических и эксплуатационных свойств (ФХЭС) нефти и нефтепродуктов, а также анализа в них структурных превращений в зависимости от состава и температуры Одним из важнейших показателей, требующих контроля, является сера S, имеющая валентность от -2 до +6 Поэтому сто^ь разнообразны химические структуры серосодержащих соединений и ее влияние на ФХЭС в топливах. нефтях и природных битумах
В настоящее время значительная часть нефти является сернистой и поэтому тяжелые топлива содержат до 3% серы Серосодержащее топливо и нефть пагубно влияет на оборудование и поэтому актуальна задача эспресс-контроля и снижения концентрации S уже на стадии добычи сырья Но сернистая нефть — сложная гетерогенная система, а обычные контрольно-измерительные приборы рассчитаны на однофазные среды Поэтому требуется современный метод оперативного контроля многофазных систем
Такими возможностями обладает метод импульсного ядерного (протонного) магнитного резонанса (ЯМР), способный осуществлять экспресс-контроль и неразрушаюший анализ в неконтактном, автоматическом режиме На его основе необходимо разработать методики, позволяющие оптимизировать технологические процессы Для этого требуется информация о структурно-динамических свойствах надмолекулярных серосодержащих соединений - сернистых наноструктурах, поскольку есть основания полагать, что они существенно влияют на ФХЭС топлив и нефти В настоящее время эти данные практически отсутствуют Ценную информацию тут могут дать измерения структурно-динамических релаксационных ЯМР-параметров Кроме того, экспресс-контроль на основе метода может стать эффективным инструментом управления процессом и станет незаменимым (в силу экспрессное) для предупреждения техногенных аварий Однако, методики экспресс-
анализа на основе метода ЯМР-релаксометрии пока не разработаны из-за отсутствия промышленно производимой аппаратуры ЯМР
Перечисленные аспекты определяют актуальность и важность поставленных и решаемых в работе задач
Целью работы является: повышение информативности и оперативности анализа, автоматизация контроля серы в топливах, нефти и битумах Данная цель требует решения следующих задач
-
Изучение неразрушающими методами ЯМР-релаксометрии, ЯМР высокого разрешения и прецизионной вискозиметрией влияния серосодержащих соединений на физико-химические и эксплуатационные свойства топлив и нефти в зависимости от температуры и концентрации серы,
-
Разработка методологии структурно-динамического анализа ЯМР сернистых наноструктур в нефти и топливах и выявление возможных корреляций между концентрацией серы и структурно-динамическими параметрами ЯМР;
-
Разработка методик и технологий неразрушающего экспресс-контроля и анализа серы в нефтях и тяжелых топливах (мазутах и битумах) и их контроля при удалении серы из нефтей, а также при переработке нефтешламов Работа выполнялась в рамках государственной программы «Энергетическая стратегия России до 2012 г» в соответствии с научным направлением "Создание научных основ и разработка новых высокоэффективных технологий в химии и нефтехимии" (ГР № 01 2003 10099)" и региональной программы «Битумы» (ГР 0186 0074148)
Научная новизна и значимость работы заключается в следующем
-
На базе установленных экспериментальных зависимостей, полученных методом ЯМР-релаксометрии, развита методология контроля и анализа серосодержащих соединений и исследовано их влияние на ФХЭС нефтей и топлив
-
В широком диапазоне концентраций и температур впервые выявлены корреляции между концентрацией серы, ФХЭС и структурно-динамическими параметрами ЯМР тяжелых топлив, нефти и битумов
-
Установлено, что впервые обнаруженные аномалии ФХЭС связаны с образованием надмолекулярных наноструктур в нефтях и тяжелых топливах
-
Впервые обнаружены и исследованы структурно-динамические фазовые переходы (ФП) в сернистых нефгях, мазутах и битумах, коррелирующие со степенью ассоциированности молекул с ростом концентрации серы Практическое значение работы
-
Впервые разработаны методики экспресс-контротя и анализа серы на базе ЯМР-релаксометрии, что значительно повышает оперативность и информативность контроля концентрации 5 в технологических процессах,
-
На основе неразрушаюшего экспресс-анализа методом ЯМР разработаны технологии экспресс-контроля ФХЭС в ходе процессов удаления серы из нефтей (природных битумов) и биодеградации сернистых нефтей
-
Предложена автоматизированная система контроля в установке снижения концентрации серы в нефти и природном битуме с применением релаксомет-ра ЯМР в качестве контролируюше-управляюшего блока
На зашиту выносятся.
-
Основы методологии анализа сернистых наноструктур, влияющих на физико-химические и эксплуатационные свойства нефтей и топлив
-
Обоснование предположения, что выявленные корреляции и аномалии ФХЭС связаны с образованием сернистых надмолекулярных наноструктур
-
Экспериментальное и метрологическое обоснование методик экспресс-контротя серы на основе ЯМР-релаксометрии в нефтях, мазутах и битумах
-
Обоснование системы автоматизированного экспресс-контроля в установке по удалению серы из нефти на основе релаксометра ЯМР
Личный вклад диссертанта состоит в подготовке и полном анализе исследуемых образцов методами ГОСТ, в выявлении корреляций между ФХЭС и структурно-динамическими ЯМР-параметрами топлив и нефтей, в обработке данных статистическими методами, обсуждении и оформлении результатов Достоверность и обоснование полученных результатов подтверждаются многократными проверками экспериментов, применением методов ГОСТ для
характеристики образцов, использованием альтернативных неразрушающих методов анализа, описанием эксперимента непротиворечивыми теоретическими положениями, развивающими существующие теории и дающими возможность предсказывать свойства новых объектов анализа Апробация работы Основные результаты работы докладывались на 1-й молодежной научной конференции КГЭУ «Типчуринские чтения» 2006 г, 13-й международной конференции «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» МЭИ, 2006 г, 18 - 20-й Всероссийской межвузовской н/пр конференции в Михайловском артиллерийском университете Казань, 2006, 2007, 2008 гг , III Международной конференции «Прогрессивные технологии развития» г Тамбов 2006 г, Всероссийской н/пр конференции «Большая нефть XXI века» г Альметьевск, 2006, Международной н/пр конференции «Повышение нефтеотдачи пластов на поздней стадии разработки нефтяных месторождений и комплексное освоение высоковязких нефтей и природных битумов» Казань 2007 г, Всероссийской н/техн конференции «Структура и динамика молекулярных систем», Яльчик, 2007, Всероссийской н/техн конференции «Нефть и газ Западной Сибири» 2007. Международной конференции "Modern development of magnetic resonance" Kazan, 2007 Разработанные методики экспресс-анализа серы демонстрировались на международной выставке «Нефть, газ-2007», Международной выставке «Энергоресурсоэффек-тивность и энергосбережение» (г Казань, 2007)
Релаксометр ЯМР с методикой экспресс-контроля серы, разработанной автором, получил золотую медаль на Международном салоне инноваций и инвестиций в наукоемких технологиях (г Москва, 2007) Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 2 па-теота Получены акт внедрения методики экспресс-анализа серы, дипломы Московского энергетического института и Альметьевского государственного нефтяного института
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 146 наименований, трех приложений, изложена на 141 странице, содержит 39 рисунков и 20 таблиц
