Способ определения среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти

 

Союз Советских

Соцналнстнчесннх

Реслублнк

ОП И

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИ ЕТЕЛЬСТВУ (и1 67894 1 (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 250777 (21) 2512261/18-25 с присоединением заявки Nо.— (23) Приоритет—

Опубликовано 070981, Бюллетень М 33

Дата опубликования описания 0709.81

Р1 н К 3

G 01 N 15/02

Государственный номитет

СССР по делам изобретений и открытий (53) УДК 539.215. .4(088.8) (72) Авторы изобретения

А.П.Пришивалко и С.Л.Ощепков

Ордена Трудового Красного Знамени институт физики АН Белорусской ССР, (71) Заявитель (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СРЕДНЕГО РАЗМЕРА

ЧАСТИЦ ИУЛЬСИОННОЙ ВОДЫ

В НЕФТИ

Изобретение относится к области оптики рассеивающих сред и может быть использовано для определения среднего размера частиц водонефтяных эмульсий.

Сведения о среднем размере частиц водонефтяной эмульсии необходимы, например, для выбора оптимальных условий работы осушителей нефти, определения влагосодержания нефти и т.п.

Известен способ контроля размеров частиц (1), получаемых в генераторе аэрозолей, по отношению потоков рассеянного в двух направлениях излучения, регистрируемого с помощью двух жестко установленных фотоприемников. 15

Способ заключается в графическом сопоставлении найденного из эксперимента отнссаения потоков рассеянного системой монодисперсных частиц излучения с вычисленным по формулам ии. 20

Способ пригоден только для очень узкого интервала размеров частиц.

В случае полидисперсных систем частиц этот способ неприменим.

Для анализа размеров частиц полидис-сз персной среды существует способ (2), ;основанный на измерении отношения интенсивностей рассеянного назад света, для компонент поляризованных перпендикулярно и параллельно плоскости рас-30 сеяния. Учитывая, что степень деполяризации света зависит от размеров частиц и длины волны падающего на среду поляризованного излучения, меняя длину волны, по изменению степени поляризации определяют размеры частиц.

Однако применение поляризационных методов в ИК-области спектра 1,85 мкм Ао и 2,1 мкм затруднено в связи с отсутствием в этой области высококачественных поляризаторов. Кроме того, авторами показано, что применительно к водонефтяной эмульсии поляризационные методы значительно меньше чувствительны, чем фотометрические.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ определения среднего размера частиц дисперсных систем, основанный на измерении коэффициента рассеяния (3). Способ заключается в графическом сопоставлении (путем экстраполирования) измеряемых значений коэффициента рассеяния с вычисленными по формулам Ии.

Недостатком указанного способа является его применимость лишь для сред с незначительным отклонением от монодисперсности, т.е. полидисперс678941

К= с ъ )Х«" 1(-)<Ъ

@е=> «"« с«

f(«) =А (4) где

S5 з лм уг 1 («) gv о у э (,.) )„ (5) о ных сред с весьма узким распределением размеров частиц.

B диапазоне реальных ширин функции распределения частиц водонефтяной эмульсии по размерам коэффициент рассеяния меняется в довольно широких пределах.

Кроме того, для определения среднего размера частиц этим методом необходимо предварительно нахождение их весовой концентрации, которое )0 требует дополнительных затрат времени анализа и является в общем случае довольно трудоемким процессом.

Целью изобретения является ускорение процесса гранулометрического анализа водонефтяных эмульсий и повышение его точности путем учета дисперсного состава водонефтяной эмульсии, а также обеспечение непрерывности контроля и возможностей его автоматизации.

Поставленная цель достигается тем, что облучение проводят с одновременным измерением коэффициента ослабления К и интенсивности излучения I„ рассеянного исследуемой средой в направлении 7О-15 относительно подающего пучка, а используют величину среднего размера частиц определяют с помощью соотношения:

К

« где 9 — аппаратурная постоянная; н — показатель преломления нефти," З5

О,Ь,с — числовые коэффициенты.

Исследуемую среду облучают в интервале длин волн 1,85 мкм Ло 2,1 мкм.

Сущность изобретения поясняется на конкретных примерах. 40

Частицы эмульсионной воды в нефти имеют сферическую форму, а концентрация их в большинстве случае невысока, угловое распределение интенсивности излучения, рассеянного объемом среды, содержащей полидисперсные час- 45 тицы, распределение которых по размерам характеризуется функцией f(p) определяется соотношением (2) 50

Е)- Ъ|оуЛ сч т (2)

Т . 48НъР, «2 интенсивность падающего на среду нейоляризованного излучения с 3.д, 60

К вЂ” расстояние от рассеивающего объема V до точки наблюдения, С вЂ” объемная концентрация рассеивающих частиц,i и

1 - функции Ми, характеризующие зависимости ортогональных составляю- 6$ щнх интенсивности рассеянного света, поляризованных перпендикулярно и параллельно плоскости рассеяния,от параметра дифракции частицы =2«7«««)) о, относительных показателей преломления ио и поглощения о вещества частиц и

--угла рассеяния Р, И вЂ” показатель преломления среды.

Показатель ослабления света слоем единичной толщины записывается в виде г (" Ло«"оф безразмерный коэффициент ослабления отдельной частицы.

Из (2) и (3) видно, что влияние микроструктуры рассеивающей среды на величины L()3) и К при заданных

Пс,, 3ео и концентрации диспергированного вещества полностью определяется зависимостью соответствующих приведенНых величины 1.(p) и К от параметров функции распределения частиц по размерам.

Имеющиеся в настоящее время сведения о диспеисном составе водонефтяных эмульсий позволяют аппроксимировать распределение капель воды по размерам с помощью гамма-распределения

« где« вЂ” наиболее вероятный или модаль0 ный радиус частиц в системе,,о — параметр, характеризующий полуширину функции распределения, А — нормировочный множитель.

По результатам анализа микрофотографий образцов водонефтя«ых эмульсий, проведенного в Укр ГИПРОНИИНефть, параметры распределения (4) изменяются в пределах 1 мкм +Vo 3 мкм 1 «б р 1О.

Для практических целей целесообразно и в большинстве случае вполне достаточно характеризовать степень дисперсности среды каким-либо обобщенным параметром. Наиболее удобным в этом отношении является средний объемно-поверхностный радиус частиц в системе, определяемый как отношение третьего момента функции распределения частиц по размерам к ее второму моменту

Для гамма распределения

Р,-1 («+ ) (Ь) б78941

g (оо)

К р., p r) (9).

Рассмотрение зависимостей характеристик рассеяния F(3 ) и К (4 ) ) от при заданных р приводит к заключению, что интенсивность рассеянного водонефтяной эмульсией излучения и коэффициент ослабления в указанных выше интервалах го и ф в основном определяются значением среднего радиуса частиц. При этом отклонении ве.личин I и К для крайних значений

0 при одинаковых )" составляют не более 3:5.

Для получения данных о размерах частиц змульсионной воды в нефти измерения целесообразно проводить в полосе прозрачности нефти 1,85 мкм

3.о 2,1 мкм.

Наибольшая чувствительность к микроструктуре водонефтяной эмульсии обеспечивается при измерениях на длине волны Хo= 1,942 мкм, соответствующей максимуму полосы поглощения 29 воды.

При этой длине волны и соответствующих ей относительных комплексных показателей преломления воды в нефти для трех наиболее типичных сортов нефти

yvtq = 0,901- 4 0,939 - 0,939 10 (нефть

Осташковичи) ф = 0,907- 1 0,972 10 (нефть Речица) и и = 0,914- 1 1.012.10 (конденсат

В-Бубны) на ЭВМ были рассчитаны характеристики рассеяния (2 ) н (3 ). Средний размер частиц менялся в пределах 2 мкм

< P «« 12 мкм, соответствующих вышеукаэанным интервалам измерения парамеров Го и,О.

На фиг. 1 представлено угловое распределение интенсивности света с ) о = 1,942 мкм, рассеянного системами частиц воды в нефти с и = 40

0,901- 1 0,939; 10 при фиксированных значениях Р = 2,4,б,12 мкм, соответствующих кривым 1,2,3,4.

Как видно из графиков, максимальная чувствительность интенсивности 45 рассеянного излучения наблюдается для направлений рассеяния близких к

10о (7О «8 20 ) . В этом интервале углов интенсивность рассеяния вбэрастает с уменьшением, связь между ними однозначна.

Чтобы исключить из рассмотрения неизвестную концентрацию частиц, воспользуемся отношением

4 % тна и — — аппаратурная постоянная, iОV IÎ где Z - интенсивность подающего на 4Ф исследуемую среду неполяризованного излучения, К вЂ” расстояния от рассеивающего объема Ч среды до точки наблюдения, толщина рассеивающего слоя среды и К вЂ” измеряемые в личины.

При заданных усло|-.иях эксперимента (P) величина I (j ) K в интервале 7 «8

««20 также имеет достаточно высокую чувствительность и однозначную связь с г

При определении микроструктуры водонефтяных эмульсий необходимо учитывать различие оптических свойств нефти из разных месторождении. В связи с этим необходимо выяснить условия, при которых влияние сорта нефти (конкретные значения Ио иКопри данной

jlo) на измеряемые характеристики рассеяния является минимальным, Для этого рассмотрим, насколько велики различия значений Г()/К,обусловленные различием оптических постоянных анализируемых сортов нефти.

На фиг. 2 представлены углов е зависимости отношениями, „ ) для двух наиболее сильно отличающихся из рассматриваемых нами сортов нефти, где кривые 1, 2,3,4,5 соответствуют

1,3,8,6,12 мкм.

Из хода кривых фиг. 2 видно, что величина отношения Д возрастает с увеличением среднего радиуса капель воды. С уменьшением угла рассеяния влияние сорта нефти на величину

1 ({ ЦК становится менее существенным и при углах 0 P «15 не превышает 20%, а .для r = 8 мкм меньше 10%.

Таким образом, интервал углов рассеяния 7О 6 P « 15 является о9 тимальным как с точки зрения чувствительности характеристики 1 ®(Кк микроструктуре рассеивающей эмульсии, так и в смысле минимального влияния на нее сорта нефти.

В качестве примера на фиг. 3 точками показаны рассчитанные значения zaрактеристики1 80 ))Ив зависимости от среднего радиуса частиц для исследованных сортов нефти (+ — сорт 1 ,-сорт 2,н †со 3) и r(o = 1,942мкм.

Полученные таким образом эмпирические зависимости отношения I Ио )/Kîò среднего размера частиц водонефтяной эмульсии удалось описать гиперболическими зависимостями (см. фиг.З кривые 1-3) с соответст вующим образом подобранными нами числовыми коэффициентами aL, P",è Э .

Переходя к измеряемой величине отношения 7 (10) к К (см. О), получим эмпирическое соотношение для определения среднего размера частиц а-QgrrP(I(eo )/к)

F-I

gr (I(

678941 нефти И, для трех пичных сортов нефти таблице. наиболее типриведены в

Сорт нефти . ... л= .

99 и/п

l. Нефть Осташковичи 1,465 1758,75 6,5 -2,5

1е456 1625

1,449 225

6,25 20

0 100

2. Нефть Речица

3. Конденсат В-Бубны

Формула изобретения а-фВи т

1 4

Ви - C к

tzte $" — айпаратурная постоянная. Числовые коэффициенты 0, Ъ и с, а также значения показателя преломления

Проведенный авторами анализ погреш-15 ностей показал, что если отношение

1(ЙФизмерено с ошибкой +5%, то суммарная погрешность определения среднего размера частиц, обусловленная ошибками измерений, а также аппроксима- 20 цией рассчитанных значений 1 (Офкривыми не превышает +10%, если " 8 мкм и +15Ъ, если 3 мкм « Р 8 мкм. Если сорт исследуемой нефти неизвестен, то в соотношении (1) следует исполь- 5 зовать числовые коэффициенты О, Ь, С и И, соответствующие сорту 2 (см. таблицу). В этом случае вышеприведенные погрешности возрастут приблизительно в полтора раза.

При определении среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти по коэффициенту рассеяния, что соответствует предложенному способу, погрешность определения г эа счет влияния ширины распределения (параметр 0) не меньше 80%.

Способ позволяет обеспечить непрерывный экспрессный контроль среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти как при ее транспортировке по 4О трубопроводу (на насосных станциях), так и в лабораторных условиях. Способ характеризуется простотой, надежностью и обеспечивает возможность автоматизации гранулометрического контро- 4 я нефти и нефтепродуктов. Время опеделения среднего размера частиц воды в нефти сокращается от нескольких десятков минут, необходимых для предварительного определения концент- о рации водонефтяной эмульсии н сопоставления измеренных значений коэффициента рассеяния с рассчитанными до времени снятия показаний приборов, определяемого несколькими секундами, При qãîì точность определения среднего размера частиц воды за счет учета дисперсного состава водонефтяной эмульсии возрастает в 5-6 раз.

Использование способа непрерывного контроля среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти позволит обеспечить сдачу потребителям нефти с минимальным влагосодержанием в соответствии с существующими техническими требованияМи.

1. Способ определения среднего размера частиц эмульсионной воды в нефти, заключающийся в облучений исследуемой среды в инфракрасной области, с последующей регистрацией рассеянного средой излучения, о тл и ч а ю шийся тем, что, с целью ускорения процесса анализа и повышения его точности, облучение проводят с одновременньна измерением коэффициента ослабления K и интенсивности излучения I, рассеянного исследуемой средой в направлении

7 -15 относительно падающего пучка, о о а искомую величину среднего размера частиц определяют с,помощью соотношения где Я- аппаратурная постоянная, показатель преломления нефти;с1, с, — числовые коэффициенты.

2. Способ по п.1, о т л и ч а юшийся тем, что исследуемую среду облучают в интервале длин волн

1,85 мкм .о 1 мкм.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Gob. Lciotific Jnstruments

;(i of PhysicsE j, 1968, 1, 2.636-638.

2. Патент США 9 3653767, кл. 356-102, 1972.

3. "Оптика и спектроскопия", 31, вып. 5, 794, 1971.

678941 цг

Риг. 1

Г (70 )

ВНИИПИ Заказ 6705/61 Тираж 907 Подписное .Филиал ППП "Патент", г. ужгород, ул. Проектная, 4