Математическую модель, которая позволяет изучать на молекулярном уровне физические процессы, происходящие под влиянием электрического поля при очистке нефти от воды и других примесей, разработали ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) и Института механики сплошных сред УрО РАН, 16 ноября сообщает пресс-служба ПНИПУ.

Нефть является сложной смесью углеводородов, имеющих различные молекулярные массы, и другими химическими соединениями. Извлеченная из пласта нефть содержит воду, которую для дальнейшей переработки нефти необходимо от нее отделить.

Одним из методов решения этой проблемы является применение электрического поля. Математическая модель физических процессов, которые происходят в смеси нефти с водой под влиянием электрического поля, созданная учеными ПНИПУ, позволит изучать эти процессы на молекулярном уровне и определить оптимальные условия для разделения смесей.

Один из этапов исследований ученых был представлен ими в журнале «Вычислительная механика сплошных сред» (2022). Исследование проведено в рамках работы Пермского НОЦ мирового уровня «Рациональное недропользование». Его основной целью является совершенствование методов очистки нефти от примесей и воды.

Один из разработчиков, старший научный сотрудник, доцент кафедры «Прикладная физика», кандидат физико-математических наук Рамиль Сираев поясняет: «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».

Воздействие неоднородного электрического поля (как постоянного, так и переменного) отклоняет капли смеси от направления общего потока эмульсии, что вызывает слияние микроскопических капель воды в более крупные и так далее. После чего вода извлекается из нефти.

Сила воздействия возникает из-за неоднородного электрического поля, но когда оно является переменным, процесс разделения может сопровождаться рядом других процессов, некоторые из которых снижают эффективность отделения воды.

Одной из причин, мешающих каплям воды сливаться, является возникающая электроконвекция различных электрогидродинамических течений в нефти, которая связана с накоплением заряда. В слабопроводящей жидкости заряд возникает за счет разложения молекул на ионы или введения ионов с электродов.

Ранее ученые полагали, что возникновению неустойчивости препятствует замена постоянного электрического поля переменным. Но, по предположению исследователей, такая неустойчивость может возникать из-за резонансных явлений при колебаниях поля.

Чтобы доказать это, ученые Пермского Политеха и Института механики сплошных сред УрО РАН провели экспериментальные исследования процесса разделения смесей, в которых свойства нефти имитировала смесь бензола и хлорбензола.

Смесь подвергли воздействию неоднородного переменного электрического поля с частотой 50 Гц. Эксперимент показал, что в смеси образуется конвекция, причем неустойчивость разделения возникает при доле 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», — рассказал о проделанной работе Рамиль Сираев.

Полученные результаты исследований пермских ученых позволят более эффективно очищать нефть от воды и других примесей.