Разработка методик и оборудования для исследования взаимодействия лазерного излучения с нефтесодержащими технологическими средами тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.07, кандидат технических наук Мельников, Дмитрий Михайлович

• Мельников, Дмитрий Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Мельников, Дмитрий Михайлович

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Проблемы современных методов анализа нефтесодержащих сред

1.1. Традиционные способы анализа нефтепродуктов

1.2. Контролируемые свойства нефтепродуктов

1.3. Проблемы спектроскопических способов контроля нефтепродуктов

1.4. Экспресс-способы контроля качества нефтепродуктов

1.5. Требования к современным экспресс методам и приборам контроля нефтепродуктов

Цели и задачи исследования

ГЛАВА 2. Исследование физических основ и создание нового универсального метода лазерного контроля нефтесодержащих технологических сред

2.1 .Исследование особенностей кристаллизации и плавления жидких нефтепродуктов

2.2. Создание экспериментального исследовательского стенда

2.2.1. Исследования спектральных характеристик жидких нефтепродуктов

2.2.2. Разработка метода регистрации лазерного излучения

2.2.3. Конструкция экспериментального стенда

-3Стр.

2.3. Исследования закономерностей лазерного контроля

процесса застывания нефтесодержащих технологических сред

2.4. Влияние скорости охлаждения полидисперсной среды на процесс лазерного контроля

2.5. Программа обработки экспериментальных данных

ГЛАВА 3. Разработка методик экспресс анализа жидких

нефтепродуктов лазерным методом

3.1. Методика определения температуры застывания нефтесодержащих технологических сред

3.2. Методика определения характера роста вязкости дизельного топлива

3.3. Методика определения степени обводнённости летнего дизельного топлива

ГЛАВА 4. Разработка аппаратного комплекса экспресс анализа жидких нефтепродуктов лазерным методом

4.1 .Техническое задание

4.2. Выбор электронных компонентов

4.3. Разработка схем управления комплексами

4.4. Компоновка и разработка дизайна

Основные результаты и выводы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методик и оборудования для исследования взаимодействия лазерного излучения с нефтесодержащими технологическими средами»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Применение лазерной техники в настоящее время в значительной степени сориентировано на низкоэнергетическую область излучения. Использование лазеров в электронной промышленности, медицине, а так же различные способы лазерного контроля требуют развития теоретических исследований взаимодействия лазерного излучения с аморфными материалами. Малоизученной, но востребованной областью лазерного контроля является экспресс анализ нефтесодержащих технологических сред. На сегодняшний день экспрессными способами определяются, как правило, не точные значения их характеристик, а лишь достаточно широкий диапазон. Более того, даже относительно точные экспресс методы позволяют выявлять, как правило, только один параметр. Имеющиеся сведения по исследованию взаимодействия лазерного излучения с различными материалами показывают, что оптические методы дают возможность существенно расширить количество и качество определяемых характеристик.

Наиболее надёжными методами исследования компонентного состава сред, а значит и свойств, являются спектроскопические методы. Однако, они не удобны для экспресс анализов по нескольким причинам: спектрофотометры достаточно дороги, имеют высокие требования к размещению и обслуживанию, для их эксплуатации необходим специально подготовленный персонал. Решением этой проблемы может быть применение лазерного экспресс контроля, но исследования в этой области для нефтесодержащих сред практически не проводились.

Для создания комплексного лазерного метода экспресс контроля можно использовать показатель изменения сигнала лазерного излучения при отражении от поверхности материала, претерпевающего фазовые превращения, так как характеристики фазовых переходов - информативный показатель состава и состояния среды. Возможность регистрировать эти

характеристики по данным отражения лазерного излучения от поверхности нефтесодержащих сред до настоящего времени глубоко не изучалась, в связи с этим тема настоящей работы является актуальной.

Целью диссертационной работы является разработка метода, экспресс методик и автоматизированного оборудования для оценки характеристик нефтесодержащих технологических сред, основанных на взаимодействия этих сред с лазерным излучением.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Исследование процесса кристаллизации различных видов нефтесодержащих технологических сред, выявление основных фракций, определяющих параметры кристаллизации.

2. Изучение оптических закономерностей взаимодействия лазерного излучения с нефтесодержащими средами на разных стадиях их застывания.

3. Изучение влияние качества состава нефтесодержащих сред на процесс их застывания.

4. Разработка метода оптического анализа кристаллизации нефтесодержащих сред.

5. Разработка конкретных методик лазерного экспресс контроля качества нефтепродуктов.

6. Разработка и создание аппаратного комплекса для лазерного экспресс анализа нефтесодержащих сред.

Методы исследований. Для определения оптической проницаемости нефтесодержащих технологических сред использовался спектрофотометр Lambda 950. Для проведения исследований по взаимодействию лазерного излучения с поверхностью нефтепродуктов был создан экспериментальный стенд основанный на лазерных диодных модулях производства компании «ФТИ-Оптроник», и фоточувствительной головке OPHIR PD-300 UV. Охлаждение образцов осуществлялось при помощи элемента Пельтье

FROST-72. Вычисления при теоретических исследования и статистической обработке данных проводились при помощи программной среды Maple.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1 .Установлено, что эффективным критерием оценки качества нефтесодержащих технологических сред является величина сигнала отражённого от поверхности лазерного излучения, взаимодействующего с охлаждённым до температур застывания материалом.

2.На основании теоретического и экспериментального моделирования процессов кристаллизации нефтесодержащих сред предложено в качестве основного информативного показателя использовать анализ их помутнения при охлаждении. Установлено, что оптимальные скорости охлаждения для проведения лазерного анализа, находятся в диапазоне от 7 до 12 °С/мин.

3.Получены закономерности и предложен механизм изменения отражённого сигнала лазерного излучения для исследуемых сред в процессе застывания. Установлен оптимальный диапазон длин волн от 650 до 730 нм, в котором возможно определение их качественны характеристик.

4. Установлено, что критерием определения состава нефтесодержащих сред является смещение кривых охлаждения получаемых регистрацией зеркально отражённого от их поверхности лазерного излучения длин волн от 650 до 730 нм.

Практическая ценность. Разработаны новые экспресс методики определения технологических показателей нефтесодержащих сред, в частности: методика определения температуры застывания; методика определения обводнённости нефтепродуктов; методика оценки динамики изменения вязкости моторных масел в процессе снижения температуры окружающей среды. Разработан и изготовлен компактный,

автоматизированный комплекс для реализации экспресс методик оценки технологических свойств нефтесодержащих сред. Комплекс позволяет осуществлять замеры с высокой точностью за короткие промежутки времени.

Достоверность разработанных методик обеспечивается использованием положений геометрической и физической оптики и подтверждается сравнением результатов измерений с требованиями ГОСТ и измерениями, проведёнными стандартными методами.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены на Всероссийской научной конференциях: «Машиностроительные технологии» (Москва, 2011 г.) «Студенческая Весна 2011» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2011 г.). На семинарах: отраслевом семинаре «Модернизация в промышленности» Правительства г. Москвы, (Москва, 2010 г.), семинаре кафедры «Лазерные технологии в машиностроении» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2012 г.). На конференциях: 7-ой международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров» (Санкт-Петербург, 2012 г.), XI Всероссийской выставки научно-технического творчества молодежи (Москва, 2011) и международного молодежного научного форума-олимпиады (Москва, 2010).

Публикации. Основное содержание и результаты диссертационной работы изложены в 3-х статьях, опубликованных в изданиях, рекомендованных ВАК, тезисах двух докладов на конференциях и 3-х отчётов по НИР.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, выводов по работе, списка литературы (83 наименование). Изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 49 рисунков и 2 таблицы.

Заключение диссертации по теме «Автоматизация в машиностроении», Мельников, Дмитрий Михайлович

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. На основании исследования взаимодействия лазерного излучения с нефтесодержащими технологическими средами определены механизмы основных стадий застывания жидких нефтепродуктов, а именно: а) начальной стадии снижения растворимости коллоидного раствора, рост мицелл и, соответственно рост мутности; б) промежуточной стадии -смешанного этапа кристаллизации и аморфизации; в) заключительной стадии дальнейшей кристаллизация до застывания.

2. Установлено, что критерием начала фазовых превращений в нефтепродуктах может служить помутнение материала при охлаждении. Анализ помутнения лазерным способом позволил разработать новую экспресс методику лазерного фазового анализа контроля качества, позволяющую определять характеристики исследуемых материалов с высокой точностью.

3. Показано, что изменения технологических параметров нефтесодержащих сред влияют на степень помутнения материала при застывании. В частности, определено влияние содержания парафиновых фракций, наличия воды и различных загрязнений.

4. Определён оптимальный диапазон длин волн, в котором необходимо проводить измерения для получения количественных характеристик нефтепродуктов: от 650 до 730 нм.

5. Установлено, что оптимальные скорости охлаждения для проведения лазерного анализа, находятся в диапазоне от 7 до 12 °С/мин.

6. Установлено, что существенное влияние на результаты измерений оказывает термическая история анализируемого материала. Наилучшие значения достигаются на материалах, которые перед проведением анализов были нагреты до температуры 40 °С.

-1387. Разработаны методики лазерного фазового анализа эксплуатационных свойств жидких нефтепродуктов, а именно:

- определение температуры застывания нефтепродуктов с точностью 0,1 °С,

- определение концентрации воды в дизельных топливах с точностью до 0,05 %,

- выявление степени роста вязкости дизельных топлив и моторных масел в процессе снижения температуры.

8. Для реализации методик лазерного фазового экспресс анализа создан компактный, автоматизированный комплекс, позволяющий выполнять контроль качества нефтепродуктов непосредственно на месте взятия проб за время от 5 до 15 минут.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Мельников, Дмитрий Михайлович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Фахрутдинов М.Р. Магнитооптический анализ бензиновых фракций нефти и продуктов нефтехимических процессов: дис. ... канд.техн.наук. Казань, 2004. 137 с.

2. Рыбак Б.М. Анализ нефти и нефтепродуктов. М.: ГосТехИздат, 1962. 880 с.

3. Квалификационные методы испытаний нефтяных / A.A. Гуреев [и др.]. М.: Химия, 1984. 48 с.

4. Современные методы исследования нефтей / H.H. Абрютина [и др.], Л.: Недра, 1984. 430 с.

5. Эрих В.Н., Расина М.Г. Химия и технология нефти и газа, Л.: Химия, 1977. 360 с.

6. ГОСТ 19121-73. Нефтепродукты. Метод определения содержания серы сжиганием в лампе. М., 1974. 6 с.

7. ASTM D1266-07. Standard Test Method for Sulfur in Petroleum Products (Lamp Method). Philadelphia, 2007. 12 p.

8. Ваня Я.М. Анализаторы газов и жидкостей. М.: Энергия, 1970. 552 с.

9. Шувалов Г.В. Прибор для определения соединений серы в нефтепродуктах // Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2006.: Тез. докл. Межд. конф. Новосибирск, 2002. С. 135-137.

10. Шувалов Г.В. Опыт практического применения анализаторов СИМ-6 для определения серы в нефтепродуктах // ГЕО-Сибирь-2010.: Тез. докл. Межд. конф. Новосибирск, 2010. С. 155-158.

11. ГОСТ 1239-77 Нефтепродукты и углеводородные растворители. Метод определения анилиновой точки и ароматических углеводородов. М., 1978.4 с.

12. Эрих В.Н., Пажитнов В.К. Химия нефти и искусственного жидкого топлива. М.: Гостоптехиздат, 1955. 308 с.

13. Шарифуллин A.B., Хамидуллин Р.Ф., Байбекова J1.P. Исследование структуры компонентов АСПО методом ИК-спектроскопии // Исследовано в России. Электронный журнал, http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/006.pdf, 2005. № 6. С. 22-24.

14. Ильичев И.С., Лазарев М.А., Щепалов A.A. Основы физико-химического анализа продуктов нефтепереработки и нефтехимического синтеза // Электронный учебно-методический комплекс. http://www.unn.ru/books/met_files/Ilichev_Lazarev_Shchepalov.pdf. Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2010. 163 с.

15. Шкаликов Н.В. ЯМР спектроскоп асфальтено-смолистых фракций нефти, полученных дробным растворением // Структура и динамика молекулярных систем.: Тез. докл. Всерос. конф. Электронный журнал http://www.ksu.ru/sdms/sdms.htm. Яльчик, 2007. № 1. С. 639-642.

16. Егазарьянц C.B. Хроматографические методы анализа нефтепродуктов: дис: ... докт.хим.наук. Москва, 2009. 365 с.

17. Вульфсон Н. С., Заикин В. Г., Микая А. И. Масс-спектрометрия органических соединений, М.: Химия, 1986. 312 с.

18. Скворцов Б.В. Электрофизические устройства контроля качества углеводородных топлив. Самара: Самарский гос. аэрокосмич. ун-т им. акад. СП. Королева, 2000. 250 с.

19. Метод определения ароматических структур: а.с. 1245975 СССР / Ваулин B.C., Калов В.К. опубл. 30.03.86.

20. Универсальный анализатор нефтепродуктов / Б.В. Скворцов [и др.] // Актуальные проблемы анализа и обеспечения надёжности и качества приборов, устройств и систем: Тез. докл. Межд. конф. Пенза, 1997. Cl 11-112.

21. Гольберт К.А., Вигдергауз М.С. Курс газовой хроматографии. М.: Химия, 1974.- 376 с.

22. Вигдергауз М.С. Газовая хроматография как метод исследования нефти, М.: Наука, 1973. 254 с.

-14123. Колесникова Jl.П. Газовая хроматография в исследовании газов, нефти и конденсатов. М.: Недра, 1979. 229 с.

24. Этт Л., Мак-Фаден У. Методы-спутники в газовой хроматографии. М.: Мир, 1972. 320 с.

25. Varotsis N., Pasadakis N., Gaganis V. A novel approach for the characterization of aromatics in petroleum fractions using HPLC-UV-DAD and evolving factor analysis // Fuel. 1998. Vol.77. P. 1945-1502.

26. Pasadakis N., Varotsis N. Optimization of the HPLC separation of aromatic groups in petroleum fractions // Fuel. 2000. Vol.79. P. 1455-1459.

27. Varotsis N., Pasadakis N., Gaganis V. Accurate determination of aromatic groups in heavy petroleum fractions using HPLC-UV-DAD // Fuel. 2001. Vol. 80. P. 147-153.

28. Малахаев E. M., Боганов A. M., Зубова M. А. ЯМР-спектрометрия как метод исследования химического состава нефтей // Сб. науч. тр. ВНИИНП по переработке нефти, 1991. №63. С. 24-31.

29. Максютин Ю.К. Структурно-групповой анализ нефтяных фракций с использованием данных спектроскопии ПМР. Томск, 1982. 69 с. (Препринт ИХН СО АН СССР №11)

30. Никоноров Е. М. Методы анализа, исследований и испытаний нефти и нефтепродуктов. М.: ВНИИНП, 1998. 142 с.

31. Контроль содержания кислорода в топливах / О. Ю. Бегак [и др.] // Химия и технология топлив и масел. 2005. №5 С. 58-60.

32. Влияние н-парафинов на низкотемпературные свойства летнего дизельного топлива / А. В. Овчинникова [и др.] // Химия и технология топлив и масел. 2005. №6 С. 28-31.

33. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. М., 1983. 21 с.

34. Новые лабораторные методы оценки качества моторных масел / А. Я. Левин [и др.] // Химия и технология топлив и масел. 2006. №2 С. 50-51.

-14235. Тумаян Б.П., Игонина А.Ю. Изменение размеров частиц дисперсной фазы в нефтяных системах при термических превращениях // Химия и технология топлив и масел. 2007. №5 С. 37-38.

36. Туманян Б. П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем. М.: Техника, 2000. 336 с.

37. Унгер Ф. Г., Андреева JI. Н. Фундаментальные основы химии. Природа смол и асфальтенов. Новосибирск: Наука, 1995. 192 с.

38. Сюняев 3. И., Сюняев Р. 3., Сафиева Р. 3. Нефтяные дисперсные системы. М.: Химия, 1990. 226 с.

39. Селиверстов М. Н., Сидоренко А. П., Панова Г.Н. Метод оценки степени ассоциации молекул в нефтяных системах // Химия и технология топлив и масел. 1986. № 10. С. 37-38.

40. Образцов В. И., Хрусталева А. А. Оценка степени ассоциации жидкостей по их вязкости // Журнал физической химии. 1973. № 4. С. 812-814.

41. Френкель Я. И. Кинетическая теория жидкостей. Л.: Наука, 1975. 591 с.

42. Шатохина Е.В. Устройство для экспресс-контроля качества масел // Химия и технология топлив и масел. 2007. №5 С. 46-48.

43. Черножуков Н. И. Очистка и разделение нефтяного сырья, производство товарных нефтепродуктов // Черножуков Н. И. Технология переработки нефти и газа. М., 1967. Ч.З. 424 с.

44. Черножуков Н. И., Крейн С. Э., Лосиков Б. В. Химия минеральных масел. М: Гостоптехиздат. 1959. 415 с.

45. Кулиев А. М., Кулиев Р. Ш., Алиев М. И., Технология получения и исследования масел из бакинских нефтей. Баку: Азнефтеиздат, 1958. 382 с.

46. Лосиков Б. В., Пучков Н. Г., Энглин Б. А., Основы применения нефтепродуктов. М.: Техиздат, 1959. 567 с.

47. Сирюк А. Г., Иогансен А. В. Количественное определение ароматических колец в тяжелых нефтепродуктах по инфракрасному спектру

поглощения // Органический анализ. Труды комиссии по аналитической химии. М.: Издательство АН СССР. 1963. № 13. С. 393-399.

48. Berthold P. Н. Staude В., Bernhard U. IR-Spektrometrische Strukturgruppenanalyse aromatenhaltiger Mineralolprodukte // Schmierungstechnik. 1976. №9. S. 280-283.

49. Dimov N., Kolatscheva K. IR-spektrometrische quantitative Analyse von organischen Gemischen durch Titration (IRT-Methode) // Chem.Tech. 1978. №30. S. 150-162.

50. Bomstein J. Infrared Determination of Total Aromatics in Naphtas and Catalytic Reformates Boiling between 200° and 400 °F // Anal.Chem. 1953. №11. P. 1770-1772.

51. ГОСТ P 51930-2002. Бензины автомобильные и авиационные. Определение бензола методом инфракрасной спектроскопии. М., 2002. 7 с.

52. Химия нефти и газа. /В.А. Проскуров [и др.] Л.: Химия, 1989. 434 с.

53. Марталов А.С. Определение депрессорных присадок полиметалакрилатного типа в моторных маслах методом ИК-спектроскопии на примере присадки ПМА «Д» // Мир нефтепродктов. 2007. №1. С. 16-17.

54. ASTM D260-86. Standard Specification for Boiled Linseed Oil. Philadelphia, 2002. 2 p.

55. Драго P. Физические методы в химии. М.: Мир, 1982. 424 с.

56. Пискарева С.К. Аналитическая химия. М.: Высшая школа, 1994. 192 с.

57. ASTM D1319-10. Standard Test Method for Hydrocarbon Types in Liquid Petroleum Products by Fluorescent Indicator Adsorption. Philadelphia, 2010. 7 p.

58. ГОСТ 5985-79. Нефтепродукты. Метод определения кислотности и кислотного числа. М., 1980. 8 с.

59. Жилко В. В., Рахманько Е. М., Петров А. Ю. Фотометрическое определение кислотных примесей в нефтепродуктах // Нефтехимия. 2005. Том 45. №6. С. 476-479.

-14460. Индикатор марки автомобильного бензина: пат. 2277708 РФ / A.B. Ляшенко, Э.И. Жалковский, В.А. Костяков заявл. 08.04.2005; опубл. 10.06.2006

61. Способ и устройство для определения октановых чисел автомобильных бензинов: пат 2100803 РФ / В.Н. Шатохин В.Н. [и др.], заявл. 15.04. 1997; опубл. 27.12.1997

62. Индикатор марки автомобильного бензина: пат. 2243544 РФ / A.B. Ляшенко, Э.И. Жалковский, В.А. Костяков, заявл. 26.03.2003; опубл. 27.12.2004

63. ГОСТ Р51105-97. Топлива для двигателей внутреннего сгорания. Неэтилированный бензин. М. 1997. 12 с.

64. Прибор для экспресс контроля качества автомобильного бензина: пат. 2287811 РФ / A.B. Ляшенко, Э.И. Жалковский, В.А. Костяков, заявл. 25.11.2005; опубл. 20.11.2006

65. Королёв В.Н., Маругин A.B., Цареградский В.Б. Метод определения детонационных характеристик нефтепродуктов на основе регрессионного анализа спектров поглощения в ближнем инфракрасном диапазоне // Журнал технической физики. 2000. Том 70. №9. С. 83-88.

66. Способ определения октанового числа бензинов: пат 0002310830 РФ /В. Д. Мурадов, Д.Г. Санников, заявл. 17.08.2006; опубл. 20.11.2007

67. Шишкин Ю.Л. Прибор «Фазафот» для определения низкотемпературных свойств нефтепродуктов // Химия и технология топлив и масел. 2006. №1 С. 48-52.

68. Сарычева Л.Б. Юдина Н.В. Влияние компонентного состава высокозастывающих нефтей на депрессорную эффективность полимерных присадок // Тез. докл. Всесоюзн. конф. по химии нефти. Томск, 1988. С. 263-264.

69. Механизм действия депрессорных присадок в дизельных топливах / Г.В. Толстова [и др.] // Химия и технология топлив и масел. 1980. №2. С. 38-41.

-14570. Челинцев С.Н. Иванов В.И. Тертерян P.A. К вопросу о механизме действия депрессорной присадки к высокопарафинистым нефтям // Транспорт и хранение нефти и нефтепродуктов. 1982. №6. С. 7-8.

71. Лихтеров С.Д., Шор Г.И. Исследование структурообразования и ассоциации компонентов в нефтяных маслах визкозиметрическими методами // Химия и технология топлив и масел. 1978. №6. С. 55-58.

72. Слюняева Р.З. Взаимосвязь строения молекул и физико-химических свойств н-алканов // Химия и технология топлив и масел. 1981. №3. С. 53-55.

73. Фукс Г.И. Вязкость и пластичность нефтепродуктов. М.-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2003. 328 с.

74. Переверзев А.Н. Производство парафинов. М.: Химия, 1973. 225 с.

75. Китайгородский А.И. Молекулярные кристаллы. М.: Наука, 1971. 424 с.

76. Казакова Л.П. Твёрдые углеводороды нефти. М.:Химия, 1986. 176 с.

77. Гольденберг Н.Г., Жузе Т.П. Влияние поверхностно-активных примесей на кристаллизацию н-парафинов // Коллоидный журнал. 1951. Том 13. №3. С. 175-181.

78. Гуров Ю.П. Моделирование процессов кристаллизации и структурообразования в системах твёрдых углеводородов нефти в присутствии депрессорных присадок и полиолефинов: дис. ... канд. техн. наук. Тюмень, 2003. 223 с.

79. Исследование действия сополимеров этилена на кристаллизацию парафина // Сб. «Получение и применение продуктов нефтехимии». М.: 1982. С. 100-113.

80. Шишкин Ю.Л., Язынина И.В., Овчар Е.В. Исследование кристаллизации и плавления твёрдых парафинов фотометрическим и термическими методами // Химия и технология топлив и масел. 2008. №1 С. 47-50.

81. Богданов Н.Ф., Переверзев А.Н. Депарафинизация нефтяных продуктов. М.: Гостоптехиздат, 1961. 248 с.