Нефть представляет сложную смесь углеводородов с различными молекулярными массами и другими химическими соединениями. При извлечении из пласта она содержит воду, что нежелательно для дальнейшей обработки, поэтому важно разделять эти жидкости. Для решения этой проблемы в том числе используют методы, основанные на действии электрического поля. Нефть и содержащиеся в ней примеси обычно слабо проводят ток. Ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН нашли способ повысить эффективность очистки нефти от воды и других примесей. Математическая модель позволит изучить физические процессы на молекулярном уровне, которые происходят под влиянием электрического поля.
Результаты одного из этапов исследования разработчики представили в журнале «Вычислительная механика сплошных сред» (2022). Оно выполнено при паритетной финансовой поддержке РФФИ и Министерства образования и науки Пермского края в рамках работы Пермского НОЦ мирового уровня «Рациональное недропользование». Основной целью проекта является создание методов очистки нефти от примесей и воды.
— Среди проблем, с которыми сталкиваются специалисты при добыче и первичной переработке «черного золота», особенно актуальна очистка нефти от воды. Вода содержится в добываемой смеси в виде эмульсии, и ее сложно отделить от нефтяных масел. Для разделения диэлектрических жидкостей эффективны способы, которые основаны на применении электрического поля. Капли смеси под действием неоднородного электрического поля отклоняются от направления общего потока эмульсии. Это приводит к слиянию микроскопических капель воды в более крупные, затем их извлекают из нефти. Сила возникает из-за неоднородного электрического поля. При этом переменное электрическое поле работает не менее эффективно, чем постоянное, — рассказывает один из разработчиков, доцент кафедры «Прикладная физика», кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник Рамиль Сираев.
Однако в переменном электрическом поле этому процессу могут сопутствовать другие физические процессы и явления. Некоторые из них снижают эффективность разделения смеси. Одной из причин, которая мешает каплям воды сливаться, является электроконвекция. Электрическое поле может вызывать в нефти различные электрогидродинамические течения. Основной механизм неустойчивости связан с накоплением заряда. В слабопроводящей жидкости он возникает за счет разложения молекул на ионы или введения ионов с электродов. Ранее считалось, что замена постоянного электрического поля переменным препятствует возникновению неустойчивости. Но, по словам ученых, она может возникать из-за резонансных явлений при колебаниях поля.
Ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН провели экспериментальные исследования поведения смеси бензола и хлорбензола, которая имитировала свойства нефти. Ее подвергли воздействию колеблющегося неоднородного электрического поля с частотой 50 Гц. Разработчики выявили, что в смеси образуется конвекция, а неустойчивость обеспечивается за счет доли хлорбензола выше 0,4.
— Мы разработали математическую модель конвекции, которая позволяет рассчитывать перемещение электронов и концентрацию ионов в жидкости. Для ее возникновения необходим заряд в толще среды, который попадает туда с помощью электронов. Также мы провели численное моделирование, которое демонстрирует структуру конвективного течения. Она согласуется с данными, полученными в ходе экспериментов. Кроме того, мы предложили оригинальную физическую модель возникновения электроконвекции в диэлектрической жидкости в переменном электрическом поле, — объясняет исследователь. Результаты работы пермских ученых можно использовать в процессе добычи и первичной обработки нефти. Это позволит более эффективно очищать ее от воды и других примесей.
