Способ определения параметров нефтепродуктов, эмульгированных в воде Советский патент 1992 года по МПК G01N15/02 

Изобретение относится к области измерений концентрации нефтепродуктов в воде, 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 четыреххло- ристым углеродом с последующим фотомет- рированием 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 фо- тометрирование образца в инфракрасном

диапазоне на двух заданных длинах волн: на одной из которых поглощает только ОН- группа воды и на второй, где поглощают ОН-группа воды и СН-группа органического вещества, с последующим определением разности полученных величин, пропорциональной концентрации органического вещества.

Недостаток этого способа - его зависимость от физико-химических свойств органического вещества, что вызывает необходимость дополнительной калибровки 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

Ч

00

о

т-А

ю

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

R S п T-fKS1

где S - величина, пропорциональная интенсивности излучения, рассеянного под заданным к падающему пучку углом;

Т- величина, пропорциональная интенсивности излучения в направлении прямого пучка;

К- 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 ДЛ1 каждой данной дисперсной фазы.

Кроме того, в большинстве случаев, кроме концентрации дисперсной фазы, необходимо также знание микроструктуры эмульсий, коррелирующееся 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° 70° и дополнительно измеряют излучение, рассеянное под вторым заданным углом к падающему пучку, который берется в интервале 90° {h 110°, а весовую концентрацию нефтепродуктов и средний объемно поверхностный радиус капель определяют из соотношений:

r dqffi)-g(ffO . ыаф + аъаЩ

aia(#)

где С - искомая весовая концентрация нефтепродукта;

гз2 - средний объемно поверхностный радиус капель;

d - удельный вас вещества дисперсной фазы;

a() , a(/h)- показатели направленного светорассеяния в исправлении углов .

31-35 - коэффициенты, зависящие от оп- тических постоянных нефти.

Коэффициенты ai в общем случае являются функциями оптических постоянных нефти, значения которых, учитывая устойчивую корреляцию к-,ежду m и d, можно пол- учить из выражения:

а| Aiid2 + A2id +ASI, где 1...5;

Ац, A2i, Аз - коэффициенты. Числовые значения коэффициентов приведены в табл. 1.

Сопоставительный анализ с прототипом показывает, что предлагаемый способ отличается от известного введением операции измерения рассеянного излучения под вторым заданным углом. Кроме того, в отличие от прототипа задаются интервалы возможных значений обоих углов, а также определяются концентрации нефтепродукта и среднего объемно-поверхностного ра- диуса из новых соотношений,

Сущность изобретения заключается в следующем.

Величина рассеяния на дисперсной фазе в общем случае зависит от направления рассеяния, длины волны и интенсивности падающего излучения, оптических свойств дисперсной фазы, функции распределения ее частиц по размерам. Вопрос о количественны/оценках влияния микроструктуры на ее оптические характеристики имеет наи- бопьшое практическое значение при решении соответствующей обратной задачи: определения тех или иных характеристик Микроструктуры эмульсии из оптических из- мерений.

Для этого необходимо найти такие характеристики рассеяния света, которые оптимально зависели бы от концентрации дисперсной фазы и ее микрофизических ха- рактеристик при минимальной зависимости от условий приготовления пробы.

В процессе решения поставленной задачи были проведены работы по экспериментальному определению размеров 0 частиц нефти в воде в зависимости от времени эмульгирования. Оптические измерения выполнялись на спектрофотометре Shimadzy MPS-SOL и специализированной индикатрисной установке. 5 Проведенный анализ зависимостей индикатрис рассеяния от параметров дисперсного состава и оптических констант показал, что искомыми измеряемыми оптическими параметрами являются: a(fi),a(p2)- по

казатели направленного светорассеяния в направлении углов wfii. Расчеты показали, что зависимости о (fl /affi) от среднего объемно-поверхностного радиуса капель

эмульсии гз2 и величины (#i) (равной

С

cr(pi) при -т 1), где С - весовая концентрация, 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 гз2 от величин

а(р,уо@2) и сг1).

Найдены соотношения, связывающие эти величины с искомыми - концентрацией дисперсной фазы и ее микрофизическими параметрами:

0

капель по размерам, описывающих экспериментальные гистограммы микроскопического счета.

Расчеты проводились для света с длиной волны 0,6328 мкм. Необходимые для анализа вариаций сорта нефти значения относительного комплексного показателя преломления m n - I л: в видимой области спектра заимствовали из (5) для двух нефтей Северо-восточного крыла Сураханского месторождения АзССР: легкой (d 0,794 г/см3, m 1,089 -1- 1,1 и тяжелой (d - 0,897 г/см3, т 1,127-11,9 ). Значения относительных оптических постоянных для нефти Речицкого месторождения определялись по методикам, приведенным в (6), и равны т-1,108- I -2,0 .

Кривые 2, 3 (фиг. 2) иллюстрируют влияние вида модельного спектра размеров на индикатрису рассеяния. Это влияние оценивалось с помощью величин

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.

Г- Ci(7G3l)-g(ft2)

ь 34 CT(jffi) +asiO$S

a ia (иг)

(1)аза(#)-а2Для аппроксимации полученных экспериментально гистограмм определения капель нефтепродуктов по размерам (фиг. 1) были использованы три вида модельных функций:«

И.А.-К-,

ft(r

л

f2(r) ArV ,

j. / А Р 2 I Г0

fs(r) AreJ

О) (2)

(3)

где го - наиболее вероятный или модельный радиус, соответствующий максимуму распределения;

fi- параметр полуширины распределения;

А- нормировочный множитель, определяемый из условия; А / f(r).

Приведенные в табл. 2 остаточные дисперсии аппроксимации гистограмм S, хотя и отличаются в зависимости от вида функции распределения частиц по размерам, их величина в сравнении с реальным уровнем погрешности микроскопического анализа не позволяет отдать явное предпочтение какому-либо из рассматризэемых модельных- представлений.

Были рассчитаны зависимости показателя направленного светорассеяния для

единичной объемной концентрации ff1 (j) от /Нфиг. 2), для гамма-распределений (2)

25

«

В скобках указан порядковый номер используемых в расчетах функций распределения (1)-(3). Как видно, для большинства направлений рассеяния 5-| и (За сравнимы по абсолютной величине и противоположны по знаку, т.е. в оптическом отношении гамма- распределение занимает промежуточное положение между распределениями (1) и

(3). Кривые 2, 3 позволяет оптимально подобрать диапазоны угла Д для которых влияние вида модельного распределения частиц по размерам на индикатрису рассеяния минимально.

Проведена оценка допустимых пределов измерения концентрации, которые снизу ограничены чувствительностью измерительной аппаратуры, а сверху наступлением режима многократного рассеяния,

ограничивающего возможности корректного определения показателя направленного светорассеяния сг(Д).

Необходимые оценки по этому вопросу проводились на примере одной из распространенных схем измерения (), где дисперсная система освещалась плоскопараллельным узким пучком по нормали к оси цилиндра, а рассеянное под раз- личными 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

кг. я )

ю-ж/з ю+оадв

где В - постоянная величина, определяемая аппаратурными факторами; I - радиус цилиндра; е1 - коэффициент экстинкции (ослабления) для частиц нефти;

коэффициент экстинкции для воды. В формуле (5) выражение

С t

) + а(5) определяет интенсивность

С

рассеяния частицами нефти -ra(fi)vi водой

а о(р). Рассеяние водой настолько мало по

сравнению с рассеянием на каплях нефти, что им можно пренебречь при расчетах,

-2e(f )

Выражение еопределяет

бугеровское ослабление частицами нефти и водой, для слабоконцентрированных эмульсий

2I( -jfi + Ј). .

И, следовательно, главным фактором, оп -гзделяющим интенсивность рассеяния для слабоконцентрированной эмульсии, яв

ляется рассеяние частицами нефти -т0(/Ґ

Надежное определение показателя направленного светорассеяния частиц нефти из измерений 1(/3) возможно при условиях:

2l(fe + eV «1: 4)(6)

Первое из приведенных неравенств ограничивает кратность рассеяния света в фо- тометрируемом объеме и обеспечивает применимость соотношения (5).

Приведенные выводы справедливы не только для А 0,6328 мкм, но для всего 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 при t 20 мин для нефти с d 0,847 г/см3, ,5-2мкм 1,апри/3 1000,7(/3) 2- мкм Ср 1 (фиг. 2). Для чистой воды (7) при

е 2,5

1 011 мкм 1

ср

-1

А 0,6328 мкм, при этом а(В)1 (50° sSjSsnKr).

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

Для- приведенного диапазона концентраций в соответствующем возможном диапазоне углов ,Дг(50° / 110°) были взяты углы 60°, $2 100°, несмотря на то, что величины а (60°)/а (100°) и а(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:

31

о-(бСР) сг(100°) г32-Ьа22

+ аз;

(7)

Коэффициенты а; в общем случае являются функциями оптических постоянных нефти В предположении устойчивой корреляции m и d их значения можно получить из выражения

a,(d) -- And2 + A2id + Aai.(8)

Числовые величины коэффициентов AJI, j 1...3 приведены в табл. 1,

Значения коэффициентов, приведенных в табл. 1, даны с точностью 0,005 абс.еч., что соответствует погрешности метода определения плотности нефтепродукта,

Учитывая, что в общем виде

0) ).

где о (/Т)- показатель направленного светорассеяния в направлении угла

С-весовая концентрация нефтепродукта;

d -удельный вес нефтепродукта;

сг ()9)- показатель направленного светорассеяния при единичной объемной концентрации, т.е. при

§-

50

Тогда из (9) с/(/3) а(@)

И для сг(60°) а (60°); из (7) следуют выражения для определения среднего объемно-поверхностного радиуса гз2 (мкм) (в

55 общем виде гз2 , Jr2f(r)dr

где f(r) - функция распределения, значение гз2 характеризует отношение объема к поверхности) и весовой концентрации С (г/см3) капель:

Г32 -

ditf(100°)

7(бО°)-азГ7(100°)

da (60°) fL(W)

а ncr(60°)-f а за(100°)

-32.

(10)

из измерений показателя направленного светорассеяния для углов 60° и 100°.

Приведенные формулы справедливы для 0,5 гз2 3,8 мкм, Средняя методическая ошибка интерполяционных зависимостей (7) меньше 5%.

С учетом возможной погрешности измерений величины а(60°) и a (100°) до 5%, погрешность определения степени дисперсности и концентрации эмульсии из (8) не превысит соответственно 20 и 15% (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,

На 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 /9i и/% 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 гз2 (мкм). Полученные значения выдаются при помощи устройства б 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 со держания нефтепродуктов в нефтяной и энергетической промышленности.

Ожидаемый экономический 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

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

падающему пучку, отличающийся тем, что, с целью увеличения точности измерения концентрации и увеличения числа изме- ряемых параметров, заданный угол выбирают в интервале 50° 70°, дополнительно измеряют излучение, рассеянное под вторым заданным углом к падающему пучку, который выбирают в интервале 90° flz 110°, а весовую концентрацию нефтепродуктов и средний

объемно-поверхностный радиус определяют из соотношений

30

г dffffQgQgz) . ь а4С7{/ 1) + а5СгОб2)

Г32

aicrQfo)

-32 ,

оТО-азоТО

где С - искомая весовая концентрация;

гз2 - средний обьемно-поверхностный радиус капель дисперсной фазы;

d - удельный вес вещества дисперсной фазы;

cr() , а(&)- показатели направленного светорассеяния в направлении углов #,

a i-as коэффициенты, зависящие от оптических постоянных нефти, определяемые из соотношения a And2 + A2,d + A3i, где 1 1.„5;

Ац, Aai, Аз; - коэффициенты, определяемые по приведенной в описании таблице.

V

N

Ч

0,i

Таблица 1

Таблица 2

г г,нхм

(jjfaJMKN V I/

30

go ISO / Q

Фиг 2.

$Ш

a.

«/.«.

3fe.H«

g б(р)мк ср0,4

$(Щ$(№)

Фае.З

тт-

Фиг. 4