石油领域中超声波的应用

超声波化学或称声化学，是利用超声波加速化学反应，提高化学反应速率的一门新兴交叉学科。自从１９２７年Ｒｉｅｈａｒｄｓ和Ｌｏｏｍｉｓ［１***发表了超声波的化学效应以来，引起科学家们的广泛关注，目前超声波在化工领域已有广泛的应用。

１超声波的作用机理超声波是声波的一小部分，但是超声波的频率要比通常所见声波的频率高得多＞２０ｋＨｚ）。因此，超声波与通常所说的声波还存在着许多不同之处：超声波具有比普通声波更强的功率；介质对超声波的吸收比普通声波大得多；超声波的波长较短，频率很高，具有较大的能量，可以对介质质点产生显著的声压作用。当***强度的超声波在介质中传播时，会产生力学、热学、光学和化学等一系列效应，归结为下列４种基本作用

１．１超声波机械作用超声波在传播过程中，会引起介质质点交替的压缩与伸张，构成了压力的变化，这将引起机械效应。超声波在液体中传播时，其间质点位移和速度不大，但与超声波振动频率的平方成正比的质点加速度却很大，有时超过重力加速度的数万倍。这会对介质造成强大的机械效应，甚至破坏介质。

１．２超声波空化作用超声波的空化作用是指存在于液体中的微气泡在声场的作用下振动，当声压达到***值时，微气泡将迅速膨胀，然后突然湮灭，这种振荡、膨胀及湮灭等一系列动力学过程称为声空化。在气泡湮灭瞬间周围极小的空间内产生５０００Ｋ以上的高温和大约５０ＭＰａ的高压，气泡界面处液体温度也可达２０００ＫＥ。持续几微秒后，该热点随之冷却，温度变化率达１０９Ｋ／ｓ，并伴生强烈冲击波和时速达４ＯＯｋｍ／ｈ的射流【４］，这为液体发生物理、化学反应提供了一个极端的物理环境。同时由于摩擦产生的电荷，在湮灭过程中会产生放电发光现象。

１．３超声波热学作用超声波在介质中传播时，介质对超声波的吸收会引起自身温度升高，超声波振动频率越高，热吸收现象越显著。在液体媒质与固体媒质的分界处，会造成局部高温，甚至产生电离现象。

１．４超声波化学作用超声的化学作用是由于产生自由基而引发的。在空化作用产生的高温高压下，液体分子裂解产生自由基，由于自由基含有未配对电子，所以其性质活泼，很容易进一步引发各种反应，***变成为稳定分子。同时由于超声波产生高温高压促进反应的进行。

２超声波作用的影响因素，影响超声波作用的因素主要有超声波频率、声强、液体的界面性质、溶解气种类及超声波发生器类型等。在超声波的作用机理中空化作用是其主要动力来源，一般超声波的频率低，声强大，液体静压小、界面张力低、含溶解气及温度高有利于产生空化作用发生。超声波频率越高发生空化时需要的声强越大（即需要的能量越高），但高频超声波的空化作用会产生更多的能量；声强过大，不利于空化作用发生；液体溶解气种类对超声波作用也有影响，如单原子气体比双原、杂原子气体更有利于空化作用的产生。液体的温度过高，会使气泡中的蒸汽压增大，空化作用减弱；影响超声波作用的还有发生器的类型，目前主要有槽式和探头式两种。

３超声波在石油化工中应用的研究进展超声波技术在石油领域有广泛的应用研究，如超声波防垢及除垢、防蜡降粘、破乳及处理石油污水等方面 。

３．１超声波防垢及除垢超声波作为物理方法，对炼厂的设备有良好的防垢和除垢作用，由于不需引入化学药剂对设备无腐蚀作用。李锡波等［８１９９６年９月用超声波防垢装置，在垦利油田联合站和输油管线上试验，３０ｄ后加热炉、多孔滤板和叶轮无明显的结垢现象。而停止超声波作用，１５ｄ后发现加热炉有大量沉积垢体，多孔滤板与泵叶轮处也有不同成度的垢存在。重新运行超声波装置，１０ｄ后发现加热炉、滤板处垢减少，垢体疏松，后渐渐消失。表明超声波有良好的防垢、除垢作用。路斌等作用显微镜观察不同情况下试片的结垢情况，发现在循环水箱中经声波处理后，挂片的结垢是以孤立大颗粒的分散状态存在于挂片表面，与挂片本体的粘接强度较低，颜色呈暗红色，垢的形状为片状，较容易脱落。相比之下，静态水浴中的挂片垢晶结构比较密实，空间结构强，颗粒较细致且强度高。表明经声波处理后挂片的结垢质量不仅减少，而且强度降低，易受振动的影响而脱落。用电镜观察超声波处理后的水样，发现水样中大于５０／￣ｒｎ的垢粒数量明显减少，１～５０／￣ｔｎ垢粒数量增多，同时发现垢粒内部呈现大量空洞，结构从原来的致密状变成疏松状，垢粒不易吸附在器壁上。说明超声波对垢粒有破坏作用，对已经结垢的管线或设备有良好的除垢能力。

３．２超声波防蜡及降粘目前，我国原油趋于高粘化、重质化、常温流动性差，给原油输送及炼制等带来一系列问题。超声波对原油具有防蜡和降粘作用，可使重油在较低温度下输送，并有利于重油加工等。张***等＿１对２５％溶蜡油进行声波处理，在显微镜下进行观察。发现未经声波处理时，蜡晶结构呈现出均匀网状结构；处理后，蜡晶结构受到破坏，微粒结构变小并呈均匀分布。表明超声波具有防蜡降粘作用。李伟等对含蜡原油进行超声波处理，在３７～３９℃下，以１０Ｌ／ｍｉｎ的流量在长６０ｃｍ、内径为１．９ｃｍ的管子内进行循环流动，在３０ｍｉｎ的循环时问里，无超声作用时结蜡量为５２０ｍｇ，而在有超声作用时，结蜡量下降到３５０ｍｇ。同时对凝固的原油用超声波处理，发现在超声波作用，可以在低于熔点温度下迅速的使高熔点的原油融化。表明超声波作用可以延缓原油中蜡晶的析出，提高原油流动性、降低粘度。黄序韬等＿１研究了超声波对任丘原油粘度的影响。实验测量了超声波处理原油在４０～８Ｏ℃区问的粘温曲线，与热力场中同一温度区间的粘温曲线相比，原油粘度下降了２５％～３０％。闫向宏等研究了孤岛稠油及掺“活性水”的稠油，经超声处理前后其流变性的变化规律。实验结果表明利用大功率超声波处理稠油及掺“活性水”的稠油，可以大大降低稠油的粘度，增加其流动性，有利于稠油的长距离输送。

３．３超声波破乳超声波可以在温和的条件下，实现原油的破乳。超声波与破乳剂有良好的协同效应，可以降低破乳剂的用量，且油水分离率高，因此超声波破乳有良好的发展前景。虞建业等［对江苏真武油田集输站混合原油进行超声破乳研究，发现超声波对原油破乳脱水速度快；超声波与化学破乳相结合的脱水率比化学破乳高；超声波破乳脱水同时能降低水中的油和细菌含量，从而改善脱出水水质。表明超声波具有良好的破乳作用。李淑琴等［１用超声波对油田乳化原油进行脱水，发现超声波可提高原油破乳脱水率达９８．９％，减少破乳剂用量３５％以上。同时可降低破乳脱水温度和增加原油流动性。韩萍芳等＿１］用超声波对鲁宁管输的原油与平湖油组成的混合油进行破乳，结果表明超声波原油破乳脱水后的水的质量分数随声强的增大而减小、随超声波作用时间的增加而降低，但作用时间超过２ｈ降低很小。孙保江等［１］从理论上分析了油中的水滴粒子在超声波辐射下的位移效应，给出了超声波分离油水的理论根据。

３．４超声波处理石油污水超声波可以有效降低石油污水的含油率，提高石油污水处理效率，也可作为辅助的物理处理方法。孙宝江等＿１用超声波处理石油污水，发现用超声波处理后的石油污水含油率明显下降，在***条件下，除油率接近９８％，石油污水中的含油量为４０ｍｇ／Ｌ。而在同样条件下，自然沉降分离后石油污水中的含油量为２００ｍｇ／Ｌ左右。相比之下，超声波除油的效果非常明显。张玉梅等］对中国石化扬子分公司炼油厂的脱水乳化污油用超声波处理，在同等条件下，经超声波处理后污油脱水量可提高２倍左右，表明超声波对污油脱水有相当明显的促进作用。李书光等＿２探讨了超声波作用时间、功率等对石油污水化学耗氧量降低作用的影响。结果表明石油污水化学耗氧量的降低率，随超声波作用时间增大而增大，超过***时间后，作用效果趋于平缓；随超声波功率的增加，先增加，然后减小，并逐步趋于平缓。

４问题及发展趋势

４．１面临的问题

（１）目前对超声波作用机理的认识还较为肤浅，迄今尚未形成一个完善的理论体系，这限制了超声波在工业上的广泛应用。

（２）超声波发生器的设计及实施工艺技术还存在一些不足，未能满足各种不同应用的需求。

４．２发展趋势

（１）继续深入探索和完善超声波的微观作用机理，为超声波广泛应用提供理论依据。

(２）开发设计***、节能的超声波发生器，充分利用炼厂现有设备，在原有设备上直接进行改装、安装超声波发生器。

（３）积极探索超声波与其它处理方法的结合，充分发挥超声波作用迅速、直接、工艺简单和不引入污染物等优势。总之，超声波技术正处于不断探索和完善之中，随着现场经验的不断丰富和总结提炼，超声波技术在石油化工行业中将发挥更大的作用。从数据对比可以看出，当回炼油的掺混比例为１０％时，与催化回炼油直接回炼相比，催化回炼油与直馏ＶＧＯ一起经加氢处理后再进行催化裂化，催化裂化转化率提高９．０４个百分点，液化气收率提高５．６７个百分点（其中丙烯收率提高１．８０个百分点），＜１８０ｏＣ汽油馏分收率提高３．２２个百分点，１８０～３５０ｏＣ柴油馏分收率降低２．１０个百分点，＞３５０ｏ重油收率降低６．９４个百分点，焦碳产率降低０．０８个百分点，干气产率提高０．２３个百分点，轻质油收率提高了１．１２个百分点。催化回炼油经加氢处理后，其催化裂化反应性能显著改善。从表５数据可以看出，当回炼油的掺混比例为１０％时，与催化回炼油直接回炼相比，催化回炼油与直馏ＶＧＯ一起经加氢处理后再进行催化裂化，主要目的产品＜１８０ｏＣ汽油馏分硫含量由３７．１ｔｃ，ｇ降低至１６．２ｔｃ，ｇ，研究法辛烷值９１７，可用于调合生产满足国４排放标准要求的清洁车用汽油；１８０３５０ｏ柴油馏分硫含量也大幅降低，因而作为柴油生产组分，其性质也有所改善。

３结论（１）在直馏蜡油原料中掺入１０％催化裂化回炼油，加氢脱硫难度有所增加但仍在可接受范围之内，而经加氢处理后的生成油多环芳烃含量和胶质含量显著降低，使其催化裂解反应性能大为改善。（２）将催化回炼油加氢处理后再进行催化裂化，可以使目的产品收率大幅提升，目的产品质量也有大幅改善，对催化裂化装置生产运行操作来说是极为有利的，可以为企业带来显著的经济效益。