СПОСОБ МЕЖФАЗНОГО ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОГО ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ИОНОВ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ Российский патент 2015 года по МПК C02F1/46 C02F1/463 

Способ может быть реализован для межфазного электрохимического перераспределения ионов в дисперсных системах на предприятиях металлургической, машиностроительной, нефтяной, химической промышленности и др., на различных природных водных объектах.

Известные на сегодняшний день электрохимические методы не предполагают возможность такого управления состоянием дисперсной системы, при котором происходит межфазное электрохимическое перераспределение ионов.

Цель изобретения: создание условий, при которых становиься возможным внутрифазовое увеличение или уменьшение концентрационных составляющих тех или иных ионообразующих объектов, достижение оптимальных тех или иных ионных концентрационных составляющих в различных фазах дисперсных систем (эмульсий, золей, суспензий и др.), уменьшение энергозатрат и снижение материалоемкости при реализации способа межфазного электрохимического перераспределения ионов в дисперсных системах, снижение расхода применяемой в данных технологических процессах реагентной базы, частичный или полный отказ от ее использования, возможность управления технологическим процессом.

Достижение цели заключается в совместном применении поляризации - деполяризации. Осуществление поляризации и деполяризации достигается расположением электродных пар в корпусах, выполненных из электроизоляционных материалов. Один из электродов расположен в зоне с максимальным жидкостным протоком, а второй электрод размещен в зоне с минимальным жидкостным протоком. Соотношение площадей пары электрод/электрод не равно 1 (с целью достижения разной плотности заряда на электродах).

Основные процессы способа

Поляризация (П). Управление поляризацией осуществляется следующим образом: на электродную пару подается напряжение от источника постоянного тока. Выбор подаваемого на электродную пару напряжения и полярность электродов зависят от материала, из которого они изготовлены, и свойств прокачиваемой жидкости. Основная часть электрической мощности, подаваемой на электродную пару, расходуется не на инициирование электролизных процессов, а на изменение поляризационной составляющей дисперсной системы.

Деполяризация (ДП). Управление деполяризацией осуществляется следующим образом:

1. после заполнения отсека жидкостью, без протока измеряется наведенный на электродной паре потенциал;

2. в режиме жидкостного протока после подключения электродной пары к источнику питания постоянного тока производится увеличение разности потенциала до момента резкого возрастания потребляемой мощности, характеризующей начало электролизных процессов (начало разложения электролита).

3. в режиме жидкостного протока электродная пара отключается от источника питания с подключением к ней электрической нагрузки, подобранной таким образом, что выделяемая мощность не приводит к сбросу напряжения ниже установленного по п. 1 значения за устанавливаемый промежуток времени. При снижении разности потенциалов ниже значения, установленного по п. 1, производится периодическое подключение к источнику питания по п. 2. с последующим переходом к п. 3.

Выход жидкостного протока из «П» соединен со входом в «ДП», соединительным устройством.

Выбор материала электродов и выбор полярности электродных пар производят в зависимости от электрохимических свойств прокачиваемой жидкости (катионно-анионного состава, соотношения несмешивающихся фракций и т.д.).

Предлагаемый способ поясняется на примерах межфазового перераспределения серосодержащих соединений

Пример 1.

Нефтяная эмульсия с обводненностью 20…35% с характеристиками:

Вода - ρ_вода=1063 кг/м³, общая минерализация 3,208 г/л, pH=7…8., ионный состав воды Cl^-, НСО₃ ^-, Na⁺, Са²⁺, Mg²⁺;

Нефть - ρ_нефти=920…950 кг/м³., сероводород 180-400 мг/л, общая сера 3,5%.

Объем прокачиваемой жидкости составлял ~70 м³/час.

Способ управления осуществляется следующим образом:

Жидкость подается в П и ДП до полного заполнения корпусов. На установленные в П электроды Al «+» (S поверхности = 1836 см²) и С «-» (S поверхности = 84 см²) подается постоянное напряжение первоначально ~1,2 В, I=0,6 А от источника питания, при объеме прокачиваемой жидкости ~70 м³/час. Анод - Al «+» устанавливается в зоне с максимальным жидкостным протоком. Катод - С «-» размещен в зоне с минимальным протоком. В нашем случае объем отсеков П и ДП составляет 50 л (D=200 мм) каждый, длина соединительного устройства П и ДП составляла 450 мм и с диаметром проходного, входного и выходного патрубков = 100 мм.

ДП представляет собой биполярную систему с двумя разнородными электродами Анод - С «+» (S поверхности = 3200 см²) и Катод - Cu «-» (S поверхности = 132 см²). Катод - Cu «-» размещен в зоне с минимальным протоком, а Анод - С «+» устанавливается в зоне с максимальным жидкостным протоком.

Управление электродной парой ДП осуществляется следующим образом:

1. после заполнения отсека ДП измеряется наведенный на электродной паре потенциал (в нашем случае он составлял ~0,27 В);

2. подключается электродная пара к источнику питания постоянного тока в режиме жидкостного протока 6 В на ~10 сек;

3. отключается источник питания от электродов ДП, и заново измеряется наведенный на электродной паре потенциал в режиме жидкостного протока. В нашем случае он составлял 1,8 В;

4. после того как на электродной паре ДП установился наведенный заряд 1,8 В, к электродной паре подключается нагрузка R=150 Ом, происходит снижение напряжения в течение 2-х часов до величины 0,4 В, после чего производится 10-секундное подключение к источнику питания с помощью реле времени (при подключении нагрузки R=50 Ом происходит снижение напряжения в течение 30 мин, после чего производилось 10-секундное подключение к источнику питания с помощью реле времени).

Прошедшая через П и ДП эмульсия поступала в нижнюю часть резервуара вертикального стального объемом 1000 м³ (РВС 1000 м³), где пробы отбирались по уровням 2 м, 3 м, 4 м, 5 м, 6 м, 7 м, 8 м (время нахождение эмульсии в резервуаре ~8 часов), отбор нефти осуществлялся с уровня 8 м.

В результате лабораторных испытаний получены следующие данные:

- количество сероводорода в нефти на входе в П и ДП составляло 180…400 мг/л, в точке пробоотбора (резервуар вертикальный стальной РВС 1000 м³, уровень 8 м) снизилось до 78…92 мг/л;

- количество общей серы в нефти на входе в П и ДП составляло ~3,5%, в точке пробоотбора (резервуар РВС 1000 м³, уровень 8 м) снизилось до 2,98%;

Результаты по снижению серосодержания в нефти достигнуты при прокачке реликтового типа эмульсии без применения реагентов. Серосодержание в нефти происходило за счет перераспределения серы между фазами вода-нефть-газ, с увеличением количества серы в воде (с 0,14% до 0,71%).

- общее энергопотребление составило ~0,01 Вт/м³ прокачиваемой жидкости.

Пример 2.

В результате проведенных стендовых испытаний на том же типе эмульсии (см. Пример 1) при повторном прогоне жидкости через П и ДП при изменении полярности электродов в П (электроды Al «-»и С «+»), а ДП - с теми же параметрами, как в примере 1, было зафиксировано снижение концентрации общей серы с 2,98% до 1,59%. Анализ на сероводород не проводился.

Понятие общей серы - 3,5% на входе в П и ДП включало следующие показатели в общем серосодержании:

1. Сероводород - 0,74% (0,026% в нефти);

2. Сульфидные соединения (R-S-S-R) - 6,3% (0,22% в нефти);

3. Меркаптаны (R-S-H) - 18% (0,63% в нефти);

∑ п. 1, 2, 3 0,876%<<1,59% от количества общей серы в нефти.

4. Гетероциклические соединения серы - 74,96% (2,62% в нефти).

Так как серосодержащие соединения находятся в порядке увеличения устойчивости (пп. 1. 2, 3, 4), то снижение общего серосодержания в нефти до 1.59% осуществляется как за счет снижения малостойких соединений серы (пп. 1, 2, 3.), так и за счет стойких гетероциклических серосодержащих соединений (п. 4).

Учитывая факт наличия нескольких степеней свободы при данном способе управления П и ДП достигается возможность управления процессом межфазного электрохимического перераспределения ионов в дисперсных системах.

Все описанные в данном способе электрохимические процессы не противоречат принципам теории Дерягина-Ландау-Фервея-Овербека, теории Гельмгольца-Перрена и Гуи. Чепмена, (см. для примера Щукин Е.Д. Перцов А.В. Амелина Е.А. Коллоидная химия. М. 2004).

Схема, поясняющая способ, изображена на Фиг. 1.

Исходная жидкость поступает через вход 1 в П 2, основной поток которой проходит через электрод 3, размещенный в зоне с максимальным жидкостным протоком, а электрод 4 расположен в зоне 5 с минимальным жидкостным протоком. Выход из П соединен со входом в ДП, соединительным устройством 6. Поступающая в ДП 7 жидкость, основной поток которой проходит через электрод 8, размещенный в зоне с максимальным жидкостным протоком, а электрод 9 расположен в зоне 10 с минимальным жидкостным протоком. Жидкость с выхода ДП 11, из П и ДП 12, поступает на дальнейшую подготовку 13 (например, гидродинамический или гидростатический отстой, центрифугирование и др.)

Описание каскадных процессов Фиг. 2.

Исходная жидкость поступает через вход 1 в П 2 (или ДП 2), через соединительное устройство 3 жидкость поступает в ДП 4 (или П 4) через соединительное устройство 5 в n-e П 6 (или n-е ДП 6), через соединительное устройство 7 в n-е ДП 8 (или n-е П 8), с выходом 9.

Описание параллельных процессов Фиг. 3.

Исходная жидкость поступает через вход 1 в П 2 (или ДП 2), через соединительное устройство 3 жидкость поступает в ДП 4 (или П 4) выход 5, параллельный входу 1, вход 6 в n-е П 7 (или n-е ДП 7), через соединительное устройство 8 в n-е ДП 9 (или n-е П 9), с n-м выходом 10. При этом возможно соединение выхода 5 с n-м выходом 10.

Заявленный способ позволяет снижать или увеличивать содержание ионов в различных фазовых составляющих дисперсных систем, имеет высокую адаптированность к различным технологическим схемам (как к напорным, так и безнапорным), может быть использован как самостоятельный способ ионоперераспределения без применения реагентов, так и в комбинации с применением реагентной базы.

Изобретение предназначено для межфазного электрохимического перераспределения ионов в дисперсных системах и может быть использовано на предприятиях металлургической, машиностроительной, нефтяной, химической промышленности, на различных природных водных объектах. Способ включает поляризацию с использованием пары электродов с соотношением площадей, не равным 1, один из которых размещен в зоне максимального жидкостного протока, а второй - в зоне с минимальным жидкостным протоком; с последующей деполяризацией с использованием пары электродов с соотношением площадей, не равным 1, один из которых размещен в зоне максимального жидкостного протока, а второй - в зоне с минимальным жидкостным протоком. Каждая электродная пара каждого из процессов размещена в отдельных корпусах, выполненных из электроизоляционных материалов, соединенных друг с другом. Поляризацией управляют посредством задаваемой на электродной паре разности потенциалов от источника питания постоянного тока, при которой основная часть электрической мощности расходуется не на инициирование электролизных процессов, а на изменение поляризационной составляющей дисперсной системы. Деполяризацией управляют с начальным повышением разности потенциала на электродной паре с помощью источника питания постоянного тока до значений, характеризующихся началом электролизных процессов, с последующим отключением от источника питания постоянного тока и подключением к электродной паре электрической нагрузки. Способ осуществляют в режиме жидкостного протока с периодическим переключением на источник питания постоянного тока для удержания разности потенциалов в интервале, достаточном для осуществления процесса межфазного перераспределения ионов. Технический эффект - снижение или увеличение содержания ионов в различных фракционных составляющих дисперсных систем, низкое энергопотребление, низкое материалопотребление, высокая адаптированность к различным технологическим схемам. 3 ил., 2 пр.

Способ межфазного электрохимического перераспределения ионов в дисперсных системах, включающий:
(a) поляризацию с использованием пары электродов с соотношением площадей, не равным 1, один из которых размещен в зоне максимального жидкостного протока, а второй электрод расположен в зоне с минимальным жидкостным протоком, с последующей деполяризацией с использованием пары электродов с соотношением площадей, не равным 1, один из которых размещен в зоне максимального жидкостного протока, а второй электрод расположен в зоне с минимальным жидкостным протоком, с размещением каждой электродной пары каждого из процессов в отдельных корпусах, выполненных из электроизоляционных материалов, с соединительным устройством, причем допускается замена материала электродных пар и смена их полярности, изменение последовательности и количества поляризации и деполяризации, в рамках изменения последовательности предполагается смена полярности электродных пар как поляризации, так и деполяризации;
(b) управление поляризацией посредством задаваемой на электродной паре разности потенциалов от источника питания постоянного тока, при которой основная часть электрической мощности расходуется не на инициирование электролизных процессов, а на изменение поляризационной составляющей дисперсной системы;
(c) управление деполяризацией с начальным повышением разности потенциала на электродной паре с помощью источника питания постоянного тока до значений, характеризующихся началом электролизных процессов, с последующим отключением от источника питания постоянного тока и подключением к электродной паре электрической нагрузки, подобранной в зависимости от поляризующих/деполяризующих свойств прокачиваемой жидкости, и все управление осуществляется в режиме жидкостного протока с периодическим переключением на источник питания постоянного тока для удержания разности потенциалов в интервале, достаточном для осуществления процесса межфазного ионоперераспределения.