Гараев Тимур Кавасович. Методы и устройства повышения эффективности СВЧ комплексов обработки нефтепродуктов

Краткое описание

Гараев Тимур Кавасович. Методы и устройства повышения эффективности СВЧ комплексов обработки нефтепродуктов : Дис. ... канд. техн. наук : 05.13.05 : Казань, 2004 144 c. РГБ ОД, 61:04-5/3885

КАЗАНСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им А.Н. ТУПОЛЕВА

На правах рукописи УДК 681.325

Гараев Тимур Кавасович
МЕТОДЫ И УСТРОЙСТВА ПОВЫШЕНИЯ ЭФ<
СВЧ КОМПЛЕКСОВ ОБРАБОТКИ НЕФТЕПРОДУКТОВ
Специальность - 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники
и систем управления
Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Морозов Г. А.
Казань 2004 
СОДЕРЖАНИЕ
Введение 6
Глава 1. Сверхвысокочастотный нагрев диэлектрических сред 11
1.1. Области применения СВЧ нагрева 11
1.2. Установки СВЧ нагрева 22
1.3. Проблемы практической реализации СВЧ комплексов 27
1.3.1. Процессы СВЧ обработки 30
1.3.2. Реализация СВЧ обработки и управления в технологических установках обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред 34
1.4. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева...44 Выводы 49
Глава 2. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева
диэлектрических сред 51
2.1. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева полубесконечных диэлектрических сред 53
2.1.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на полубесконечную диэлектрическую среду (модель 1) 53
2.1.1.1. Сравнительный расчёт СВЧ нагрева по модели Рикенглаза Л.Э. и новому полученному решению....56
2.1.1.2. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева при разном времени нагрева 57
2.1.1.3. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды на разных частотах и при разной мощности источника 58
з
2.2. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических сред конечной толщины 60
2.2.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы (модель 2) 61
2.2.1.1. Повышение равномерности нагрева среды за счёт выбора частоты излучателя. Численный расчет 64
2.2.2. Модель сверхвысокочастотного нагрева при падении плоской электромагнитной волны на диэлектрическую среду конечной толщины с отражением от противоположной границы с поворотом плоскости поляризации (модель 3) 65
2.3. Математическое моделирование сверхвысокочастотного нагрева диэлектрических сред конечной толщины с встречным возбуждением 68
2.3.1. Модель сверхвысокочастотного нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых некогерентными источниками (модель 4) 68
2.3.2. Модель сверхвысокочастотного нагрева при встречном падении плоских электромагнитных волн на диэлектрическую среду конечной толщины, возбуждаемых когерентными источниками (модель 5) 70
2.3.3. Сравнительный анализ результатов численного моделирования сверхвысокочастотного нагрева при разных способах возбуждения электромагнитного поля 72
2.4. Двумерная модель сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды с известными поверхностными распределениями плотности мощности источника (модель 6) 74
2.4.1 .Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева древесины..76
2.4.2. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии (ВНЭ) движущимся излучателем..80
2.5. Трёхмерная модель сверхвысокочастотного нагрева диэлектрической среды (модель 7) 82
Выводы 84
Глава 3. Экспериментальное исследование сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии 86
3.1. Экспериментальное исследование зависимости комплексной диэлектрической проницаемости водонефтяной эмульсии от температуры 87
3.1.1. Численный расчёт сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии с учетом экспериментальных данных 89
3.2. Проверка адекватности математических моделей
сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии 92
3.2.1. Проверка адекватности трёхмерной математической модели сверхвысокочастотного нагрева водонефтяной эмульсии ....92
3.2.2. Проверка адекватности математической модели сверхвысокочастотного нагрева полубесконечной среды 95
Выводы 96
Глава 4. Разработка комплексов сверхвысокочастотного нагрева нефтепродуктов 98
4.1. Исследование режимов воздействия сверхвысокочастотных электромагнитных полей на водонефтяную эмульсию 99
4.2. Пилотный образец технологического модуля сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии в канале концевого делителя фаз 107
4.3. Промысловый модуль сверхвысокочастотной обработки водонефтяной эмульсии (ПМВК-400) 115
4.3.1. Разработка камеры электродинамической обработки водонефтяной эмульсии 118
4.4. Сверхвысокочастотные устройства по переработке водомасляной эмульсии 120
4.5. Устройство термообработки сыпучих и жидких диэлектрических материалов в электромагнитном поле сверхвысокой частоты 124
Выводы 126
Приложение 127
Основные результаты и выводы 128
Литература 130
ВВЕДЕНИЕ
В последние десятилетия в России широко развиваются и используются технологические процессы, основанные на использовании эффекта воздействия электромагнитной энергии СВЧ и КВЧ диапазонов длин волн. Области использования энергии СВЧ возрастает с каждым годом, к ним относится сушка различных материалов, обеззараживание отходов, стерилизация, пастеризация, размораживание пищевых продуктов, приготовление пищи и переработка сельскохозяйственной продукции, в том числе кормов, утилизация пищевых и животноводческих отходов, производство строительных материалов, производство и переработка продуктов нефтехимической промышленности и т.д.
Интерес к научным исследованиям и внедрению их в промышленность объясняется рядом преимуществ СВЧ технологий, некоторые из которых невозможно реализовать, применяя традиционные способы обработки материала. СВЧ технологии реализуют экологически чистые процессы, быстродейственны и энергоэкономичны, предоставляется возможность локального воздействия на материал.
Первыми областями применения СВЧТК следует считать радиолокацию. Использование СВЧ колебаний в радиолокации к настоящему времени подробно изучено, и по этому вопросу имеется большое количество публикаций [1-5].
Одним из важнейших показателей эффективности использования энергоносителей являются энергозатраты на выработку единицы продукта. К сожалению, по этому параметру Россия сильно отстает от передовых промышленных стран. СВЧ комплексы относятся к числу энергосберегающих, и их внедрение способствует уменьшению энергозатрат на единицу продукта.
Для оценки эффективности внедрения СВЧТК необходимо изучить структуру энергетики [6]. Электроэнергия СВЧТ для нашей страны составила 20% всего энергопотребления. Необходимо отметить, что эта структура не является оптимальной и в развитых странах доля электроэнергии СВЧТ значительно выше [6]. Поэтому можно сделать заключение, что если значительная часть электроэнергии будет использоваться в виде СВЧ энергии, то СВЧТ могут внести существенный вклад в программу энергосбережения вообще.
В настоящее время актуальным вопросом в нефтегазодобывающей промышленности является подготовка нефти к транспортировке. Одним из этапом обработки водонефтяной эмульсии (ВНЭ) является её нагрев. СВЧ нагрев имеет значительные преимущества перед традиционными способами, поэтому проектирование и создание СВЧК обработки ВНЭ является актуальной научно-технической задачей.
Несмотря на целесообразность развития многофункциональных, автоматизированных СВЧК, основанных на унификации используемой элементной базы и вспомогательного оборудования, основные вопросы, такие как определение требуемых режимов обработки, формирование требуемого распределения температурного поля в СВЧ камере и управление им ещё не рассмотрены в должной мере.
Целью диссертационной работы является разработка методов и устройств, способствующих улучшению технико-экономических показателей СВЧ комплексов обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред.
Достижение поставленной цели требует решения следующих основных задач:
• разработки новых математических моделей СВЧ нагрева;
• исследование физических режимов обработки энергией электромагнитных полей (ЭМП) СВЧ диэлектрических сред;
• разработка практических рекомендаций и исходных данных для проектирования и создания СВЧТК.
Научная новизна результатов исследований состоит в следующем:
• впервые для повышения эффективности СВЧТК использовано новое аналитическое решение математической модели СВЧ нагрева;
• получены новые аналитические решения математических моделей СВЧ нагрева одномерных, двухмерных и трёхмерных задач, как для полубесконечных сред, так и для сред конечных размеров, для разных способов возбуждения электромагнитного поля;
• разработанные математические модели использованы при решении задач СВЧ нагрева диэлектрических сред, а также при проектировании и разработке практических вариантов СВЧ установок с целью повышения их эффективности;
• предложены новые устройства СВЧ обработки нефтепродуктов и других диэлектрических сред.
Практическая ценность результатов диссертации определяется:
• возможностью использования моделей СВЧ нагрева для оценки качества работы СВЧ установок в процессе проектирования;
• возможностью использования разработанных моделей и методик, способствующих улучшению технико-экономических показателей при разработке СВЧТК с автоматизированным управлением.
Методы исследований. При решении основных задач в диссертации
использованы следующие методы:
• аналитические и численные методы решения дифференциальных уравнений в частных производных;
• методы конечномерной оптимизации.
При решении задач использованы современные программные средства
ЭВМ, например Microsoft Excel.
Достоверность основных результатов диссертации определяется:
• корректным использованием математического аппарата;
• хорошим совпадением результатов моделирования СВЧ нагрева с результатами других авторов;
• совпадением результатов численного моделирования с экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту:
• одномерные, двумерные, трёхмерные математические модели СВЧ нагрева диэлектрических сред;
• методики решения задач оптимизации СВЧ нагрева;
• комплекс программных средств моделирования СВЧ нагрева сред;
• сравнительный анализ результатов СВЧ нагрева при различных способах возбуждения электромагнитного поля;
• сравнительный анализ экспериментальных и теоретических результатов;
• функциональная схема СВЧК обработки ВНЭ с автоматизированным управлением технологического процесса;
• камера электродинамической обработки (КЭО);
• СВЧ устройства обработки нефти и других диэлектрических сред. Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих форумах: IX Всероссийские Туполевские чтения памяти В.И. Поповкина (Казань, 2001г.); IV Республиканская научно¬практическая конференция молодых учёных и специалистов (Казань, 2002г.); VII Четаевская международная конференция "Аналитическая механика, устойчивость и управление движением" (Казань, 2002г.); Республиканский конкурс научных работ среди студентов и аспирантов на соискание премии имени Н.И. Лобачевского (Казань, 2002г.); конкурс на соискание стипендии главы администрации г. Казани (Казань 2002г.); конференция «Современные методы теории функций (Воронеж, 2003г.), 13-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии». (Севастополь, 2003г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, включая 4 статьи, 8 тезисов докладов и патент РФ на полезную модель, а также получено положительное решение на изобретение.
Практическое использование результатов диссертации. Материалы диссертационных исследований использованы в организациях: НГДУ «Лениногорскнефть» в ходе выполнения работ по исследованию возможностей использования СВЧ установок на предприятиях нефтедобывающего комплекса, в НИЦ ПРЭ КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) при разработке опытной установки для обработки водонефтяной эмульсии, в КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) в учебном процессе курсового и дипломного проектирования.
Автор выражает благодарность доценту кафедры специальной математики КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ), к.т.н. Анфиногентову В. И. за научные консультации, а также коллективу НИЦ ПРЭ КГТУ им. А.Н. Туполева (КАИ) за помощь в работе.

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Основной результат диссертации можно сформулировать как разработка методов моделирования и устройств, позволяющих осуществлять разработку и эксплуатацию СВЧ установок с улучшенными технико-экономическими показателями.
• Показана актуальность, новизна и практическая ценность результатов диссертации.
• Предложена схема иерархических уровней создания СВЧК и функциональная схема полнопоточного СВЧТК обработки ВНЭ из нескольких СВЧ модулей с автоматизированной системой управления, основанной на моделировании СВЧ нагрева ВНЭ.
• В диссертации получены новые аналитические решения математических моделей СВЧ нагрева одномерных, двухмерных и трёхмерных задач, как для полубесконечных сред, так для сред конечных размеров, с разными способами возбуждения электромагнитного поля. Разработан комплекс программ на ЭВМ моделирования СВЧ нагрева диэлектриков. На основе результатов численного моделирования СВЧ нагрева для камер открытого типа установлено, что наиболее равномерное распределение температуры достигается при некогерентном возбуждении ЭМП. Обоснована целесообразность использования движущегося СВЧ источника, предложен критерий оценки эффективности равномерного распределения температуры в диэлектрических средах.
• Исследована экспериментальная зависимость диэлектрической проницаемости от температуры, на этой основе проведён сравнительный анализ численных расчётов с постоянными параметрами ВНЭ и с учётом измеренной зависимости диэлектрической проницаемости от температуры. Путём сравнения экспериментальных результатов с расчётными показана удовлетворительная адекватность математических моделей к физическому процессу СВЧ нагрева ВНЭ.
Исследованы физические режимы СВЧ обработки ВНЭ и выбран наиболее эффективный, при котором происходит быстрое и качественное отделение воды от ВНЭ с наименьшими энергозатратами.
На основе полученных экспериментальных данных, с использованием результатов измерения диэлектрической проницаемости и моделирования разработана камера электродинамической обработки. КЭО создана и включена в промысловый модуль СВЧ обработки ВНЭ (ПМВК-400), испытанного на Горкинском технологическом участке подготовки нефти НГДУ Лениногорскнефть. СВЧ обработка ВНЭ позволила повысить эффективность технологии подготовки нефти к транспортировке, исключить значительную часть дорогостоящего оборудования, такого как, печи нагрева, сферические и часть цилиндрических отстойников, упростить установки окончательной очистки воды, значительно повысить автоматизацию технологического процесса. Новая технология является экологически чистой и энергосберегающей.
На основе полученных экспериментальных и теоретических данных разработаны СВЧ устройства равномерного нагрева нефтепродуктов и других диэлектрических сред. На одно из них получен патент РФ и решение на способ и устройство.
ЛИТЕРАТУРА
1. Диденко А.Н., Григорьев В.П., Усов Ю.П. Мощные электронные пучки и их применение. М.: Атомиздат, 1977.277 с.
2. Диденко А.Н., СеврюковаЛ.М., ЯтисА.А. Сверхпроводящие ускоряющие СВЧ-структуры. М.: Энергоатомиздат, 1981. 208 с.
3. Капчинский И.М. Теория линейных резонансных ускорителей. М.:Энергоатомиздат, 1983. 239 с.
4. Лебедев А.Н., Шальнов А.В. Основы физики и техники ускорителей. М.: 1981. 176с.
5. Современные проблемы антенно-волноводной техники / Под ред. А.А. Пистолькорса. М.: Наука, 1967. 215 с.
6. Волынский Б.А., Зейн Е.Н., Шатерников В.Е. Электротехника. М.: Энергоатомиздат, 1987.525 с.
7. Рогов И.А. Электрофизические методы обработки пищевых продуктов. М.: Агропромиздат, 1988.
8. Долгополов Н.Н. Электрофизические методы в технологии строительных материалов. М.: Изд-во литературы по строительству, 1971.
9. Лыков А.В. Тепло- и массообмен в процессе сушки. М.; Л.:Госэнергоиздат, 1956.
Ю.Кришне О. Научные основы теории сушки. М.: Иностранная литература, 1961.
11. Лыков А.В. Теория сушки. М.: Энергия, 1968.
12. Нетушил А.В. и др. Высокочастотный нагрев диэлектриков и полупроводников. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1959.
13. Нетушил А.В. и др. Высокочастотный нагрев в электрическом поле. М.: Высшая школа, 1961.
14. Дебай П., Закк Г. Теория электрических свойств молекул. М.; Л.: ОНТИ, 1935.
15. Дебай П. Полярные молекулы. М.; JL: ОНТИ, 1931.
16. Вайнштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: Советское радио, 1957.
17. Новожилов Ю.В., Яппа Ю.А. Электродинамика. М.: Наука, 1978.
18. John М. Osepchuk. A History of Microwave Heating Applications // IEEE Transcription On Microwave Theory and Techniques. Vol. MTT-32. September 1984. №9, P. 1200-1223.
19. Низкоинтенсивные СВЧ технологии. Под. ред. Г.А. Морозова и Ю.Е. Седельников. М.: Радиотехника. 2003г.