Влияние кавитационного воздействия на структурные характеристики асфальтенов нефти

Цели. Рассмотреть влияние гидродинамической кавитации на групповой углеводородный состав прямогонного мазута и структурные характеристики его асфальтенов.

Методы. Кавитационную обработку мазута проводили в гидродинамическом режиме с использованием аппарата «Донор-2». Перепад давления в рабочей части составлял 50 МПа, число циклов обработки варьировали от 1 до 10. В ряде случаев, для интенсификации процесса, мазут компаундировали с низкокипящими углеводородами (пропан-бутановой фракцией, декалином). Определение группового углеводородного состава образца основывалось на различной растворимости углеводородов в полярных и неполярных растворителях, асфальтены исследовались методами дифрактометрии и спектроскопии комбинационного рассеяния (рамановской спектроскопии).

Результаты. Показано, что в результате кавитационного воздействия изменяется групповой углеводородный состав образца, в нем снижается содержание смол и асфальтенов, возрастает доля масляной фракции и при этом изменяется ее групповой углеводородный состав. Кроме этого установлено, что при кавитационном воздействии изменяются структурные характеристики асфальтенов: у них снижаются параметры кристаллитов La и Lc , характеризующие их размеры в плоскости и по высоте, увеличиваются расстояние между алкильными заместителями и степень ароматичности асфальтенов. Обработка спектров комбинационного рассеяния различными методами показала принципиальную схожесть результатов: увеличение интенсивности воздействия приводило к увеличению структурной разупорядоченности асфальтенов. В случае предварительного компаундирования образца с низкокипящими углеводородами эффект от кавитационной обработки усиливался.

 Выводы. Полученные результаты могут свидетельствовать о локализации пузырьков кавитации на границах сложных структурных единиц нефтяной дисперсной системы, сформированных асфальто-смолистыми веществами и дисперсионной средой. В связи с этим, именно смолы и асфальтены подвергаются наибольшему термическому воздействию, возникающему при схлопывании кавитационных пузырьков. Деструкция смол и асфальтенов приводит к уменьшению размеров сложных структурных единиц и, соответственно, снижению вязкости нефтяной дисперсной системы, а масляная фракция при этом обогащается насыщенными углеводородами. 

1. Пивоварова Н.А. Использование волновых воздействий в переработке углеводородного сырья (обзор). Нефтехимия. 2019;59(7):727–738. https://doi.org/10.1134/S002824211907013X

2. Геллер С.В. Технико-экономическая оценка возможности применения инновационной волновой технологии в нефтепереработке и нефтедобыче. Нефть. Газ. Новации. 2010;9:20–26.

3. Гафарова Э.Б., Свиридов С.В. Технологии снижения вязкости нефти и нефтепродуктов. Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса. 2020;116(2):71–78. https://doi.org/10.33285/1999-6934-2020-2(116)-71-78

4. Нуруллаев В.Х. Условия образования кавитационных зон и их действия на физико-химические характеристики нефтей. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2017;1:38–42.

5. Сунагатуллин Р.З., Кутуков С.Е., Гольянов А.И., Четверткова О.В., Зверев Ф.С. Управление реологическими характеристиками нефтей физическими методами воздействия. Нефтяное хозяйство. 2021;1:92–97. https://doi.org/10.24887/0028-2448-2021-1-92-97

6. Avvaru B., Venkateswaran N., Uppara P., Iyengar S.B., Katti S.S. Current knowledge and potential applications of cavitation technologies for the petroleum industry. Ultrason. Sonochem. 2018;42:493–507. https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2017.12.010

7. Иваницкий Г.К. Численное моделирование динамики пузырькового кластера в процессах гидродинамической кавитации. Современная наука: исследования, идеи, результаты, технологии. 2011;7:52–58.

8. Аганин А.А., Ганиев О.Р., Давлетшин А.И., Украинский Л.Е. Нагрев жидкости при схлопывании одиночного кавитационного пузырька. Проблемы машиностроения и надежности машин. 2020;1:31–38. https://doi.org/10.31857/S0235711920010022

9. Промтов М.А., Сунагатуллин Р.З., Кутуков С.Е., Колиух А.Н., Шеина О.А., Зверев Ф.С., Суховей М.В. Изменение реологических параметров высокопарафинистой нефти при многофакторном воздействии в роторном импульсном аппарате. Проблемы сбора, подготовки и транспорта нефти и нефтепродуктов. 2020;127(5): 76–88. https://doi.org/10.17122/ntj-oil-2020-5-76-88

10. Торховский В.Н., Антонюк С.Н., Голованов А.Б., Воробьев С.И., Николаева М.В., Дворецков П.А. Переработка компаундированного нефтяного сырья с предварительной активацией исходных сырьевых потоков. Технологии нефти и газа. 2021;133(2):3–7. https://doi.org/10.32935/1815-2600-2021-133-2-3-7

11. Хамидуллин Р.Ф., Харлампиди Э., Никулин Р.М., Ситало А.В., Шараф Ф.А. Увеличение выхода светлых дистиллятов при помощи активации нефтяного сырья. Химия и технология топлив и масел. 2016;598:29–34.

12. Промтов М.А. Гидроимпульсная кавитационная обработка нефти в роторном импульсном аппарате. Вестник Тамбовского государственного технического университета. 2018;24(3): 455–460. https://doi.org/10.17277/vestnik.2018.03.pp.455-460

13. Нуруллаев В.Х., Исмайылов Г.Г. Транспорт нефтей с применением кавитационных технологий и определение плотности с учетом обводненности. Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья. 2015;1:7–13.

14. Викарчук А.А., Растегаева И.И., Чернохаева Е.Ю. Технология и оборудование для обработки нефти и переработки твердых нефтешламов и жидких нефтеотходов. Вектор науки Тольятинского государственного университета. 2012;21:70–75.

15. Торховский В.Н., Антонюк С.Н., Чижевская Е.В., ВоробьевС.И., Николаева М.В., АрнацкийВ.А. Активация компаундированного нефтяного сырья. Технологии нефти и газа. 2019;123:3–11.

16. Пешнев Б.В., Николаев А.И., Никишин Д.В., Алхамеди М.Х.И. Перспективы использования явления кавитации при переработке нефти. Известия высших учебных заведений. Химия и хим. технология. 2023;66(4): 110–116. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20236604.6760

17. Якименко К.Ю., Венгеров А.А., Бранд А.Э. Применение технологии гидродинамической кавитационной обработки высоковязких нефтей с целью повышения эффективности транспортировки. Фундаментальные исследования. 2016;5-3:531–536.

18. Cui J., Zhang Z., Liu X., Liu L., Peng J. Analysis of the viscosity reduction of crude oil with nano-Ni catalyst by acoustic cavitation. Fuel. 2020;275:117976. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2020.117976

19. Padula L., Balestrin Lia B.S., Rocha N., Carvalho C., Westfahl H., Cardoso M.B., Sabadini E., Loh W. Role of asphaltenes and additives on the viscosity and microscopic structure of heavy crude oils. Energy Fuels. 2016;30(5): 3644–3651. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.5b02103

20. Витенько Т.Н., Гумницкий Я.М. Механизм активирующего действия гидродинамической кавитации на воду. Химия и технология воды. 2007;29(5):422–432.

21. Капранова А.Б., Лебедев А.Е., Мельцер А.М., Неклюдов С.В., Серов Е.М. О методах моделирования основных стадий развития гидродинамической кавитации. Фундаментальные исследования. 2016;3-2:268–273.

22. Lomakin V., Bibik O. Numerical prediction of the gas content effect on the cavitation characteristics of the pump using the simplified Rayleigh–Plesset equation. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2019;492:012037. https://doi.org/10.1088/1757-899X/492/1/012037

23. Gonzalez-Estrada O.A., Rojas-Nova M.A., Gonzalez-Silva G. Effect of temperature on a vortex reactor for hydrodynamic cavitation. Ingeniería e Investigación. 2022;43(2):e93419. https://doi.org/10.15446/ing.investig.93419

24. Wan C., Wang R., Zhou W., Li L. Experimental study on viscosity reduction of heavy oil by hydrogen donors using a cavitating jet. RSC Adv. 2019;9(5):2509–2515. https://doi.org/10.1039/c8ra08087a

25. Никишин Д.В., Пешнев Б.В., Николаев А.И., Шебаршинова П.М. Интенсификация процесса кавитационной обработки тяжелого нефтяного сырья. Известия высших учебных заведений. Химия и хим. технология. 2024;67(9): 111–117. https://doi.org/10.6060/ivkkt.20246709.7012

26. Сафина И.Р., Ибрагимова Д.А., Яушев Э.А., Хисмиев Р.Р. Применение метода SARA-анализа для характеристики нефтяных дисперсных систем. Вестник Казанского технологического университета. 2014;17(24):212–213.

27. AlHumaidan F.S., Rana M.S. Determination of asphaltene structural parameters by Raman spectroscopy. J. Raman Spectrosc. 2021;52(11):1878–1891. https://doi.org/10.1002/jrs.6233

28. Kossovich E., Epshtein S., Krasilova V., Hao J., Minin M. Effects of coals microscale structural features on their mechanical properties, propensity to crushing and fine dust formation. Int. J. Coal Sci. Technol. 2023;10(20). https://doi.org/10.1007/s40789-023-00578-5

29. Manoj B. A comprehensive analysis of various structural parameters of Indian coals with the aid of advanced analytical tools. Int. J. Coal Sci. Technol. 2016;3(2):123–132. https://doi.org/10.1007/s40789-016-0134-1

30. Xu J., Tang H., Su S., Liu J., Xu K., Qian K., Wang Y., Zhou Y., Hu S., Zhang A., Xiang J. A study of the relationships between coal structures and combustion characteristics: The insights from micro-Raman spectroscopy based on 32 kinds of Chinese coals. Appl. Energy. 2018;212:46–56. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2017.11.094

31. Антипенко В.Р., Федяева О.Н., Востриков А.А. Параметры макроструктуры наноагрегатов асфальтенов природного асфальтита и продуктов его конверсии в сверхкритической воде. Нефтехимия. 2021;61(4):547–554. https://doi.org/10.31857/S0028242121040109

32. Антипенко В.Р., Гринько А.А. Параметры макроструктуры нерастворимых продуктов термолиза смол и асфальтенов усинской нефти. Известия Томского политехнического университета (Известия ТПУ). 2021;332(4): 123–131.

33. Филиппов М.М. Рамановская спектроскопия как метод изучения глубоко углефицированного органического вещества. Часть 1. Основные направления использования. Труды Карельского научного центра РАН. 2014;1:115–134.

34. Ok S., Rajasekaran N., Sabti M.A., Joseph G.A. Спектроскопический анализ асфальтенов нефти на молекулярном уровне. Нефтехимия. 2020;60(4):520–528. https://doi.org/10.31857/S0028242120040115

35. Sawarkar A., Pandit A., Samant S., Joshi J. Use of ultrasound in petroleum residue upgradation. Can. J. Chem. Eng. 2009;87(3):329–342. http://doi.org/10.1002/cjce.20169