Способ определения параметров нефтепродуктов, эмульгированных в воде

Способ определения параметров нефтепродуктов, эмульгированных в воде

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: измерение концентрации нефтепродуктов в воде. Сущность изобретения: регистрация излучения, рассеянного в двух направлениях в диапазоне углов 50° /31 70°и90° Д 110°, и последующий расчет весовой концентрации нефтепродуктов . 2 табл., 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧ Е СКИХ

РЕСПУБЛИК (Я)5 G 01 N 15/02

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

I 7 r 9 3

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4772141/25 (22) 22.12.89 (4.6) 15.07.92. Бюл. М 26 (71) Государственный научно-исследовательский и проектный институт нефтяной промышленности "Укргипрониинефть" и

Институт физики АН БССР (72) M,Ï.Åñåëüñîí, СЛ.Ощепков, А.З.Крикун, А.П.Пришивалко, В,А.Кучернюк и

В.Ю.Яновский (53) 543.275(088,8) (56) Дзиро Эндо. Непрерывный контроль содержания нефти и нефтепродуктов в воде.

Фирма Хориба, 1977, с. 91.

Изобретение относится к области измерений концентрации нефтепродуктов a âîде, образующих стабильные эмульсии типа

"масло в воде", и может быть использовано в нефтяной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности.

Известен способ определения концентрации нефтепродуктов в воде, основанный на экстракции нефтепродуктов четыреххлористым углеродом с последующим фотометрированием на длине волны 3,5 мкм.

Недостатками этого способа являются необходимость предварительной подготовки пробы, длительность анализа, использо-, вание высокотоксичного растворителя.

Известен также способ непрерывного измерения органических веществ в воде, который предусматривает периодическое фотометрирование образца в инфракрасном,, Ж,, 1748019 А1 (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ НЕФТЕПРОДУКТОВ, ЭМУЛЬГИРОВАННЫХ В ВОДЕ (57) Использование: измерение концентрации нефтепродуктов в воде. Сущность изобретения: регистрация излучения, рассеянного в двух направлениях в диапазоне углов

500

Ъ на одной из которых поглощает только ОНгруппа воды и на второй, где поглощают

OH-группа воды и CH-группа органического Ф вещества, с последующим определением QQ разности полученных величин, пропорцио- i©l нальной концентрации Органического веще- а ства. О

Недостаток этого способа — его зависимость от физико-химических свойств органического вещества, что вызывает необходимость дополнительной калибровюЪ ки при изменении физико-химических сзойств измеряемой среды, - Наиболее близким к изобретению является способ определения концентрации дисперсной фазы, включающий облучение образца с последующей регистрацией рассеянного излучения под заданным углом к

1748019 падающему пучку и излучения, прошедшего через образец в направлении падающего пучка, Искомая концентрация прямо пропорциональна величине R, определяемои из соотношения: 5

do « 0 а4с««+ алло а«оф) и 1 — аз cr (Pz) az

T+KS где $ —. величина, пропорциональная интенсивности излучения, рассеянного под заданным к падающему пучку углом;

Т вЂ” величина, пропорциональная интенсивности излучения в направлении прямого пучка;

К вЂ” постоянная, выбранная таким образом, чтобы обеспечить линейную связь между концентрацией дисперсной фазы и величиной.

Известный способ характеризуется зависимостью результата измерений от микрофизических характеристик «параметров дисперсности) дисперсной фазы; что снижает точность определения искомой концентрации. Поэтому - необходимо путем эксперимента подбирать коэффициент R дл. каждой данной дйсперсной фазы, Кроме того, в большинстве случаег, кроме концентрации дисперсной фазы, необходимо также знание микроструктурь, эмульсий, коорелирующееся со средним объемно-поверхностным радиусом, Цель изобретения — увеличение точности измерения концентрации и увеличение числа измеряемых параметров, Поставленная цель достигается тем, что согласно способу, включающему облучение исследуемого образца с последующим измерением интенсивности рассеянного излучения под заданным углом к падающему пучку, заданный угол берется в интервале

50 «Р1 <,70 и дополнительно измеряют излучение, рассеянное под вторым заданнь«м углом к пада«ощему пучку, который берется в интервале 90О =- 62 110О, а весовую концентрацию нефтепродуктов и средний объемно поверхностный радиус капель определяют из соотношений: где С вЂ” искомая весовая концентрация нефтепродуктаа; гзг — средний объемно поверхностный радиус капель;

d — удельный вас вещества дисперсной фазы; аф«),оф2)- показатели направленного светорассеяния в исправлении углов

Р! ИА . ૠ— ag коэффициенты, зависящие от оптических постоянных нефти.

Коэффициенты ai в общем случае являются функциями оптических постоянных нефти, значения которых, учиты вая устойчивую корреляцию между m и d, можно пол10 учить из выражения: . ai = А14 + Azid + Аз«, 2 где. = 1„.5;

А««, Az«, Аз« вЂ” коэффициенты.

Числовые значения коэффициентов

15 приведены в табл, 1, Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отли «ается от известного введением опера.ции измерения рассеянного излучения под

20 вторым заданным углом, Кроме того, в отличие от прототипа зада«отся интервалы возможных значений обоих углов, а также определяются концентрации нефтепродукта и среднего объемно-поверхностного ра25 диуса из новых соотношений.

Сущность изобретения заключается в следу ощем.

Величина рассеяния на ди"персной фазе в общем случае зависит от направления

З0 рассеяния, длины волны и интенсивности пада«ощего излучения, оптических свойств дисперсной фазы, функции распределения ее частиц по размерам, Вопрос о количественных оценках влияния микроструктуры на

Ç5 ее оптические характеристики имеет наибольшее практическое значение при решении соответствующей обратной задачи: определения тех или иных характеристик микроструктуры эмульсии из оптических из40 мерений, Для этого необходимо найти такие характеристики рассеяния света, которые оптимально зависели бы от концентрации дисперсной фазы и ее микрофизических ха45 рактеристик при минимальной зависимости от условий приготовления пробы, В процессе решения поставленной задачи были проведены работы по экспериментальному определению размеров

50 частиц нефти в воде в зависимости от времени эмульгирования, Оптические измерения выполнялись на спектрофотометре

"ShImadzy MPS-S0L" и специализирован-. ной индикатрисной установке, 55 Проведенный анализ зависимостей индикатрис рассеяния от параметров дисперСного состава,и оптических констант показал, что искомыми измеряемыми оптическими параметрами являются. o Щ, сг Щ- по1748019 капель по размерам, описывающих экспериментальные гистограммы микроскопического счета, Расчеты пргводились для света с дли5 ной волны 0,6328 мкм. Необходимые для анализа вариаций сорта нефти значения относительного комплексного показателя преломления m = и - к в видимой области спектра заимствовали из (5) для двух нефтей

10 Северо-восточного крыла Сураханскаго месторождения АЗССР: легкой(б =0,794 г/смэ, m = 1,089 - 1,1 10 и тяжелой (d = 0,897 г/см, m = 1,127- I,1,9, 10 э). Значения относительных оптических постоянных для неф15 ти Речицкого месторождения определялись по методикам, приведенным в (6), и равны

m ..= =1,108- 2,0 10

Кривые 2, 3 (фиг, 2) иллюстрируют влияние.вида модельного спектра размеров на

20 индикатрису рассеяния, Это влияние оценивалась с помощью величин

r32 =

Для аппроксимации полученных экспЕриментально гистограмм определения ка- 30 пель нефтепродуктов по размерам (фиг. 1) .были использованы три вида модельных функций:

А n —f1(r) = — е г (") 35

f2(r) = Ar e

I" Р», (2)

Гэ(г) = Ar е, {3)

-- (—:. где ro — наиболее вероятный или модельный 40 радиус, соответствующий максимуму распределения; ,и — параметр полуширины распределения;

А — нормировочный множитель, опреде- 45

00 ляемый из условия; А f f(r)dr = 1.

Приведенные в табл. 2 остаточные дисперсии аппроксимации гистограмм S, хотя и отличаются в зависимости от вида функ- 50 ции распределения частиц по размерам, их величина в сравнении с реальным уровнем погрешности микроскопического анализа не позволяет отда ь явное предпочтение какому-либо из рассматриваемых модельных 55 представлений, Были рассчитаны зависимости показателя направленного светорассеяния для единичной объемной концентрации о . ф) от Р (фиг. 2), для гамма-распределений (2) каэатели направленного светорассеяния в направлении углов 31 ирг. Расчеты показали, чта зависимости о ф1)/ст фг) от среднего объемно-поверхностного радиуса капель эмульсии гэг и величины v ф) (равной

o ô) при — = 1), где С вЂ” весовая концентС

d рация, d — удельный вес) для эмульсии с различной микроструктурой и оптическими постоянными нефти составляют методическую основу указанной обратной задачи, Показано также, что выбор вида функции распределения капель дисперсной фазы по размерам почти не влияет на функциональную зависимость гзг от величин

ОЮ1)/(7рг} и Д1 Ф1).

Найдены соотношения, связывающие эти величины с искомыми — концентрацией дисперсной фазы и ее микрофизическими параметрами;

1@ 2 @ 2

В скобкахукаэан порядковый номериспользуемых в расчетах функций распределения (1)-(3), Как видно, для большинства направлений рассеяния д1 и 6z сравнимы по абсолютной величине и противоположны по знаку, т.е, в оптическом отношении гаммараспределение занимает промежуточное положение между распределениями (1) и (3). Кривые 2, 3 позволяет оптимально подобрать диапазоны угла Р для которых влияние вида модельного распределения частиц по размерам на индикатрису рассеяния минимальн о.

Проведена оценка допустимых пределов измерения концентрации, которые снизу ограничены чувствительностью измерительной аппаратуры, а сверху наступлением режима многократного рассеяния, ограничивающего возможности корректнога определения показателя направленного светорассея ния o (P).

Необходимые оценки по этому вопросу проводились на примере одной из распространенных схем измерения а@), где дис-. персная система освещалась плоскопараллельным узким пучкам по нормали к оси цилиндра, а рассеянное под различными углами (в плоскости кругового сечения цилиндра) излучение регистрировалось фотоприемником с малым полем и углом зрения, Для слабоконцентрированной эмульсии значения интенсивности рассеяния можно записать в виде

1748019

s „- ГфК К"l

1ф) — — — (-;о@) +оЩе где  — постоянная величина, определяемая аппаратурными факторами 5

I — радиус цилиндра;

e — коэффициент экстинкции (ослабления) для частиц нефти;

e — коэффициент экстинкции для воды.

В формуле (5) выражение 10

С

ii — оф)+о(Р) определяет интенсивность

Cl с рассеяния частицами нефти — o(P) и водой

ll

Cl оф). Рассеяние водой настолько мало по 15 сравнению с рассеянием на каплях нефти, что им можно пренебречь при расчетах, -се; E . z" )

Выражение е определяет мбугеравскоеп ослабление частицами нефти 20 и водой, для слабоконцентрированных эмульсий

2!(— я + е") 0, И, следовательно, главным фактором, оп "еделяющим интенсивность рассеяния 25 для слабоконцентрированнай эмульсии, явк ляется рассеяние частицами нефти — о ф, . Надежное определение показателя направленного светорассеяния частиц нефти из иэ- ЗО мерений l(P возможно при условиях:

2!(— е + е }- << 1, — О ф) > 0 ф) (6)

Первое из приведенных неравенств or- 35 раничивает кратность рассеяния света в фотометрируемом объеме и обеспечивает применимость соотношения (5).

Приведенные выводы справедливы не только для Л = 0,6328 мкм, на для всего 40 ближнего инфракрасного диапазона в интервале от 0,4 до 1,2 мкм, в котором поглощение водой значительно меньше, чем поглощение капельками нефти.

Пример, Согласно расчетным данным 45 при t < 20 мин для нефти с d = 0 847 г/см

Я = 0,5 — 2 мкм, а при Р «100, о (P) > 2 10 мкм ср (фиг. 2). Для "чистой воды" (7) при

Л= 0,6328 мкм, - е =, 2,5 10 мкм прмэтом пав<7 10 мкм ср 50 (50 «Р «110 ).

Исходя из реальных геометрических размеров кювет, положим 21=5 см, тогда иэ (6) получим 0,03 «10 — 40 мг/л. Этот диапазон перекрывает предельно допустимые 55 концентрации нефтепродуктов, регламентируемых по содержанию в воде как при ее повторной эксплуатации на нефтедобывающих и нефтеперерабатывающих предприя- . тиях, так и в воде после очистки поступающей в природные водоемы (8), (9).

Для. приведенного диапазона концентраций в соответствуюшем возможном диапазоне углов j3>,Pz(50 . «/3 «1100) были взяты углы P1 = 60О, P2= 100О, несмотря на та, что величины о (60О)/о (100О) и о(60 ) наиболее чувствительны к изменению вида модельной функции распределения частиц по размерам (фиг. ). Их значения независимо от вида представлений (1)-(3) с достаточной степенью точности задаются едиными функциональными зависимостями, приведенными (фиг, За, б), и составляют методическую основу указанной обратной задачи, Эти кривые заданы выражениями;

0 60 а1

+аз, g (1(ß ) "32 + а 22 о(60 ) = a — (--)-+ a 55, о(1oo)

Коэффициенты а в общем случае являются функциями оптических постоянных нефти. В предположении устойчивой корреляции гл и cl их значения можно получить иэ выражения а;ф) =- Ац(1 + A2id + Азь (8)

Числовые величины коэффициентов

Ali, J = 1„,3 приведены в табл, 1, Значения коэффициентов, приведенных в табл, 1, даны с точностью 0 005 абс,ед., что соответствует погрешности метода определения плотности нефтепродукта, У- итывая, что в общем виде

С й=д Ф где о (P) — показатель направленного светорассеяния в направлении угла Р;

С-весовая концентрация нефтепродукта;

d — удельный вес нефтепродукта; ю

0 ф) — показатель направленного светорассеяния при единичной обьемной конС центрации, т,е. при — = 1, а ! д

Тогда из(9) оф}= — o (P)

С

И для 0 (6У) = ст (60О); иэ (7) следуют выd ражения для определения среднего объемно-поверхностнога радиуса гз2 (мкм) (в

3 f (1 dr общем виде гз2 =

Ir2 f(r) dr где f(r) — функция распределения, значение гз2 хаоактеризует отношение обьема к поверхности) и весовой концентрации С (г/смз) капель:

1748019!

О с!1о(100 ) а (áÎ ) — а 3 v(100 ) d o (60 гг (100" ) а <0-(60 ) + а зo (100 ) (10) из измерений показателя направленного светорассеяния для углов P1 = 60 и P1 =

100 .

Приведенные формулы справедливы для 0.,5 < г32 3,8 мкм, Средняя методическая ошибка интерполяционных зависимостей (7) меньше 570, С учетом возможной погрешности измерений величины o (60 ) и о (100 ) до 570, погрешность определения степени дисперсности и концентрации эмульсии из (8) не превысит соответственно 20 и 157 (при заданном значении плотности нефтепродукта), При использовании метода, приведенного в прототипе (4), не учитывающего влияния дисперсности эмульсии на результат измерения, погрешность может достигать 30 — 40 / и более, I-Ia фиг, 4 показана схема осуществления способа.

Способ осуществляют следующим образом, Проточная цилиндрическая кювета 1 (фиг. 1) освещается (источник 2) плоскопараллельным узким световым пучком по нормали к оси цилиндрической кюветы, а интенсивность рассеянного излучения фиксируется под заданными углами Р1 иД к направлению падающего пучка в плоскости кругового сечения кюветы фотоприемниками 3, 4, значения интенсивности вводятся в вычислительное устройство 5, которое по алгоритму, приведенному в формуле изобретения, определяет значения С (г/см ) и г32 (мкм). Полученные значения "выдаются" и р л помощи устройства 6 индикации. Кроме того, в вычислительное устройство вручную вводится значение плотности измеряемого нефтепродукта.

Изготовлен макетный образец прибора, в основу которого положен описываемый метод, Изобретение планируется использовать при разработке приборов контроля содержания нефтепродуктов в нефтяной и энергетической промышленности.

5 Ожидаемый зкономический эффект 10 т,руб, на прибор в год или 1,0 млн.руб, при минимальном выпуске только для МНП 100 приборов в год, Формула изобретения

10 Способ определения параметров неф. тепродуктов, эмульгированных в воде, включающий облучение исследуемого образца с последующим измерением рассеянного излучения под заданным углом к

15 падающему пучку, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения концентрации и увеличения числа измеряемых параметров, заданный угол выбирают в интервале 50 Д 700, до20 полнительно измеряют излучение, рассеянное под вторым заданным углом к падающему пучку, который выбирают в интервале 90 < j3z < 1100, а весовую концентрацию нефтепродуктов и средний

25 обьемно-поверхностный радиус определяют из соотношений

dCT 1 (т а1с 1 +ago

30 а 10

ЩЯ аз — д2, где С вЂ” искомая весовая концентрация;

I32 — средний обьемно-поверхностный радиус капель дисперсной фазы;

d — удельный вес вещества дисперсной фазы;

0 (P1}, 0 ф2) — показатели направленного светорассеяния в направлении углов

40 Р1,Р2; а1-а - коэффициенты, зависящие от оптических постоянных нефти, определяемые иэ соотношения

8I = A1Id + A2id + A3I, 2 где i = 1„,5;

A1I, А2ь Аз; — коэффициенты, определяемые по приведенной в описании таблице.

1748019

Таблица 1

Таблица 2

1748019

1748019

Составитель А,Крикун

Техред M.Ìoðãåíòàë Корректор Т,Софиян

Редактор M.Áàíäóðà

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 2499 Тираж Подписное

ВНДИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, >К-35, Раушская наб„4/5