Том 7 Выпуск 4 Удк 001.8(082)

Том 7 Выпуск 4 УДК 001.8(082)

ББК 1 Н 34

Периодичность – четыре раза в год Свидетельство ПИ № ФС 77-48432

ISSN 2226-5694

Cостав ред. коллегии и сведения об учредителе приведены на сайте http://na-journal.ru

НАУЧНЫЙ АСПЕКТ № 4 2018. – Самара: Изд-во ООО «Аспект», 2018 . – Н 34 Т7 . – 132 с.

Журнал «Научный аспект» является научным изданием и отражает результаты научной деятельности авторов по различным дисциплинам в области гуманитарных, естественных и технических наук.

УДК 001.8(082) ББК 1

Почтовый адрес: 443068 г. Самара, а/я 1674 Официальный сайт: http://na-journal.ru Электронная почта: [email protected] Подписано к печати 14.01.2019.

Бумага ксероксная. Печать оперативная. Заказ № . Формат 60×84 1/16. Объем 7,92 усл. печ. л. Тираж 100 экз.

Отпечатано в типографии ООО «Инсома-пресс» 443080, г. Самара, ул. Санфировой, 110 А; тел.: (846) 222-92-40 Содержание

Технические науки

Аджемов С. С., Репинский В. Н. Повышение эффективности разделения одночастотных сигналов с эллиптической поляризацией с помощью управления фазированной антенной решеткой 763 Трекин Н. Н., Крылов В. В. К вопросу о несущей способности железобетонных плит на продавливание при динамическом нагружении на объектах наземной космической инфраструктуры 771 Разин А. Ю., Разин Ю. А., Головин С. В. 4D сейсмический мониторинг нефтегазовых шельфовых месторождений акваторий северных морей с помощью донных регистрирующих систем 779 Ромашев А. О., Калмыкова Т. Д., Управителева А. А. К вопросу о инициализации кинетических моделей флотационного обогащения черносланцевого сырья 798 Крижановская Д. И., Ковалева А. А. Исследование методов неразрушающего контроля для определения прочности и абразивности на примере полиметаллической руды 806 Потемкин В. А., Хасенов А. М., Потапов С. Д. Применение методов вычислительной гидродинамики при моделировании реологических свойств суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья 811 Корчевенков С. А., Афанасова А. В., Управителева А. А., Калмыкова Т. Д. Обзор воздействий для управления реологическими свойствами суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья 819 Кириенко Д. А., Березина О. Я. Влияние деформации на эффект электрического переключения в нановолокнах оксида ванадия 826 Демин В. Ф., Стефлюк Ю. М., Мусин Р. А., Халикова Э. Р. Исследование параметров применения анкерной крепи 836 Риставлетов Р. А., Сулейменов У. С., Камбаров М. А., Кудабаев Р. Б., Абшенов Х. А. Влияние теплоотражающих покрытий на процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях зданий 842 Садуллаев Д. Н., Исабаев И. Б., Тиллоев Л. И., Отабоев А. Х. Восстановления отработанных масел 850 Хужжиев М. Я., Хакимов Ш. Р. Изучение методов конверсии метана в синтез-газ 852 Ямалетдинова А. А., Уроков А. У. Изучение метода осушки и очистки газов растворами гликолей 854 Нуруллаева З. В. Экологические аспекты применения биоэтанола в автомобильных топливах 856 Бакиева Ш. К. Выбор адсорбента для селективного выделения ароматических углеводородов 858 Тошбоев С. У., Сатторов М. О. Влияние солей на использование нефти и нефтяного сырья 860 Ризаев Д. Б., Шабонов М. Б., Сатторов М. О. Особенности образования газоводонефтяной эмульсии в системах сбора 862 Ходжамов У. А., Комилов М. З. Особенности применения консервационных, консервационно- рабочих и рабоче-консервационных масел 864 Жалилов Б. А., Сатторов М. О. Применение водных растворов метилдиэтаноламина для очистки газов 866 Сафаров Б. Ж., Худойбердиев С. А., Тошев М. С., Курбонов М. Т. Процесс ароматизации фракции легких парафинов пропана и бутана 868 Курбонов М. Т., Тажимова Г. Р., Очилов А. А. Исследование метода защелечивания обессоленной нефти 871 Ямалетдинова А. А., Шадиева Н. Т. Определение влажности углеводородных газов методом «точки росы» 873 Абдуллаева Ш. Ш. Сопоставительный анализ способов борьбы с разлившейся нефтью 875 Ахроров А. А., Комилов М. З., Тиллоев Л. И., Кобилов А. Б. Эффективность протекания процесса каталитического риформинга 877 Шарипов К. К., Шарифова Н. А. Производство бензина из газового конденсата на основе процесса цеоформинга 879 Шарипов К. К., Шарифова Н. А. Изучение физико-химических свойств газоконденсата Бухарского-Хивинского региона 884

Технические науки

УДК 621.39 Повышение эффективности разделения одночастотных сигналов с эллиптической поляризацией с помощью управления фазированной антенной решеткой

Аджемов Сергей Сергеевич доктор технических наук, профессор факультета Радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ)

Репинский Владимир Николаевич кандидат технических наук, доцент факультета Радио и телевидения Московского технического университета связи и информатики (МТУСИ)

Аннотация: Представлены результаты дальнейшего развития теории приема различно поляризованных волн на антенну представляющую собой фазированную решетку с управ- ляемой поляризационной характеристикой. Показано, что возможно существенное по- вышение помехоустойчивости сигналов с поляризационной манипуляцией при примене- нии гармонического пилот-сигнала, расположенного на краю полосы спектра сигнала. Abstract: The paper presents the results of further development of the theory of reception of differently-polarized waves using antenna which is a smart antenna with controllable polarization characteristics. The authors show that there is a possibility of significant increase in interference capacity with polarization manipulation when using a pilot-signal on the edge of the signal spectrum. Ключевые слова: Обыкновенная волна, необыкновенная волна, поляризация эллипти- ческая и круговая, плоскость поляризации, пилот-сигнал, интерференция, помехоу- стойчивость. Keywords: Ordinary wave, extraordinary wave, elliptical and circular polarization, polarization plane, pilot signal, interference, noise immunity.

Поляризационные различия, по-видимому последняя возможность уплот- нения пространства сигналов, не могут быть столь же эффективными как частотные или временные из-за эффектов деполяризации, вызванного интерференционными механизмами многолучевого распространения волн. Однако распознавание сигналов при приеме можно существенно

г. Самара 763 Научный аспект №4 2018 том 7

улучшить, применив управление поляризационной характеристикой ан- тенны для различения волн с круговой или эллиптической поляризацией противоположного вращения электрического вектора. Использование поляризационной модуляции в космической связи впервые упоминается в [1]. Практические разработки в этом направлении идут и в настоящее время, в основном, в направлении развития многопо- зиционных систем и совершенствования приемных антенн [2]. При распространении волн между подвижными объектами, в откры- том космосе в том числе, меняется угол между плоскостью падения волны и плоскостью расположения ортогональных антенн для приема компонент с правым и левым вращением. Это изменение приводит к появлению пере- ходных помех, переходу энергии правой и левой составляющих на вибра- торы соседних антенн. Если информация, передаваемая обеими волнами одинакова, то такое несоответствие принципиального значения не имеет, однако в противном случае приводит к ухудшению помехоустойчивости. Аналогичная проблема имеет место и в случае применения вращаю- щейся приемной антенны [3,4], используемой для частотного разнесения волн с правым и левым вращением электрического вектора. Подстройка антенных систем изменением плоскости их расположе- ния — обязательное условие эффективного использования сигналов с по- ляризационной модуляцией. Для реализации системы автоматической коррекции положения плоскости расположения приемной антенны не- обходима минимизация сигнала ошибки. Выделить этот сигнал и исполь- зовать его можно лишь в системах передачи, в которых волны с правым и левым вращениями электрического вектора имеют значимые различия. Эта задача представляет наибольшую трудность в системах декаметровой ионосферной радиосвязи, где такие волны образуются в результате двой- ного лучепреломления и в системах с двухпозиционной поляризационной модуляцией, где содержательное различение невозможно. В таких случа- ях можно воспользоваться методом минимизации суммарных мощностей в каналах разделения волн с прямым и обратным вращением вектора Е. Модель системы приема на вращающуюся антенну двух волн с противо- положными вращениями вектора Е предложена в [3]. Выражение для на- пряжения на выходе вращающейся антенны (вращение может быть как

764 na-journal.ru Технические науки

механическим, так и электронным, путем периодического переключения нескольких вибраторов), приведено ниже. В [3]: Ψ — угол между плоско-

стями падения волны и антенной системы приемника, Ω a - угловая часто-

та вращения антенны; Aa и Ba — большая и малая полуоси эллипса враще- ния антенной системы, если они равны — антенная система вращается по кругу. Здесь следует отметить, что вращение антенны по эллипсу осущест- вляется путем кругового вращения и синхронной электронной регулиров-

кой коэффициента усиления антенны. a+ , a− и b+ ,b− большая и малая по- луоси эллипсов поляризации волны с правым (+) и левым (–) вращением вектора Е; — угловая частота модуляции сигнала (при использовании Ω M угловой модуляции); — угловая частота несущего колебания волны. ΩV

   coscψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  − at++cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aa()   ()()+  ut2KE()=   U +t  − sincψ ⋅ Atos Ω−− Btsin Ω      () aa()aa()   −b+ sin ΩV 1+ ∆Ω+ sin M tt    ()()+     sincψ ⋅ Atos Ω + B sin Ω t  + aat++cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aaa()   ()()+  −  U +t  + (1) coscψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa()   ++bt++sinsΩ∆VM1 inΩ t    ()()+     coscψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  − a−−cossΩ∆V 1+ inΩM tt () aa()aa()   ()()−  +  U −t  − ssincψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa()   ++bt−−sinsΩ∆VM1 inΩ t    ()()−     sinncψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  + at−−cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aa()   ()()−  −  U −t  coscψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa(()   −+b−−sinsΩ∆VM1 inΩ tt    ()()− 

При гармонической модуляции сигнала по частоте или фазе, спектры поляризационно-ортогональных сигналов, принятых на вращающуюся (также по кругу) антенну, перемещаются, в соответствии с квазидоплеров- ским эффектом [1] переноса частоты Ω ± Ω (рис. 2). V M ± Если же в процессе передачи из-за свойств среды (анизотропность ионос- феры) или переотражений каких-либо объектов на трассе распространения происходит изменение поляризации с круговой на эллиптическую, то энер- гия волны переносится не только на разностную, но частично и на суммар- ную частоту (для волны с противоположным вращением вектора Е наоборот).

г. Самара 765 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис. 1

Рис. 2

766 na-journal.ru Технические науки

Если поляризация одной из волн круговая, а другой эллиптическая, то при круговой поляризации антенны перенос спектров на нижнюю и верх- нюю частоты происходит, но возникают переходные помехи. Представляет практический интерес эффект несимметричности такого перехода: от вол- ны с поляризацией такой же, как у антенны, переходной помехи на волну с другой поляризацией нет. А от второй (эллиптической) есть (рис. 2). Аналогичная картина наблюдается, если поляризации антенны совпа- дает по параметрам и ориентации с эллипсом поляризации одной из волн таким образом, что проекция траектории электрического вектора волны на плоскость траектории вращающейся антенны круг — тогда именно от этой волны нет переходных искажений на вторую волну. Это позволяет осуществлять поляризационную селекцию волн, имеющих одну частоту, но распространяющихся по разным путям. Реализация такого способа селекции волн предполагает настройку при- емной антенны изменением расположения плоскости поляризации: то есть подмтройка производится таким образом, чтобы траектория одной из волн проецировалась на плоскость поляризации антенны окружностью (рис. 3).

Рис. 3

г. Самара 767 Научный аспект №4 2018 том 7

Получить сигнал ошибки, по которому можно произвести подстройку положения антенной системы (совмещение проекции на апертуру антен- ны эллипса поляризации волны — рис. 3), как это видно из рисунка 2, не- возможно ввиду совмещения спектров волн с левым и правым направле- нием вращения электрического вектора. В системах, когда каждая из них несет свою информационную нагрузку и принимается отдельно, в одну из них можно добавить пилотный узкополосный сигнал, уровень нелиней- ного продукта которого, возникающего из-за вращения приемной антен- ны, можно минимизировать изменяя параметры апертуры антенны в трех измерениях. Математическая модель системы с пилотным гармоническим сигна- лом имеет вид:

   coscψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  − at++cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aa()   ()()+  utвых ()=   U +t  − sincψ ⋅ Atos Ω−− Btsin Ω      () aa()aa()   −b+ sin ΩV 1+ ∆Ω+ sin M tt    ()()+     sincψ ⋅ Atos Ω + B sin Ω t  + aat++cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aaa()   ()()+  −  U +t  + (2) coscψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa()   ++bt++sinsΩ∆VM1 inΩ t    ()()+     coscψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  − a−−cossΩ∆V 1+ inΩM tt () aa()aa()   ()()−  +  U −t  − ssincψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa()   ++bt−−sinsΩ∆VM1 inΩ t    ()()−     sinncψ ⋅ Atos ΩΩ+ Btsin  + at−−cossΩ∆VM1+ inΩ t () aa()aa()   ()()−  −  U −t  + coscψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin      () aa()aa(()   −+b−−sinsΩ∆VM1 inΩ tt    ()()−   AtBt  atcos  cosc()ψΩ⋅  aaos()+ aasin()Ω  −  pp()Ω    U p   − sincψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin   −bbtsin Ω   () aa()aa()    pp()  AtBt  atcos  sinc()ψ ⋅  aaos()ΩΩ+ aasin( ) +  pp(Ω )  −  U p   coscψ ⋅ Atos ΩΩ− Btsin   +btsin Ω   () aa()aa()    pp()

Здесь U p — амплитуда пилотного гармонического колебания, Ω p —

его частота, a p и bp — большая и малая полуоси эллипса поляризации пи- лотного волнового колебания. Важно, чтобы величины полуосей пилот-

768 na-journal.ru Технические науки

ного сигнала с точностью до постоянного множителя соответствовали полуосям одной из волн, относительно которой минимизируется величи- на невязки (амплитуда нелинейного продукта преобразования пилот- сигнала). На рисунке 4 показаны спектры преобразованных вращающейся ан- тенной волн при неоптимальном положении поляризационных эллипсов волны (4а) и оптимальном (4б). Как видно, измеряя в узкой полосе мощ- ность нелинейного продукта преобразования пилот-сигнала, можно по- добрать оптимальное положение антенны и минимизировать взпимное влияние волн, обеспечивая тем самым эффективную частотную фильтра- цию поляризационно-ортогональных сигналов. Выигрыш от применения пилот-сигнала заключается в том, что бла- годаря частотному разнесению можно измерять уровень продуктов нели- нейного преобразования в приемной антенне и принимать соответствую- щие меры для его минимизации.

Рис. 4, а

г. Самара 769 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис. 4, б

Список литературы

1. Камнев Е.Ф., Петрович Н.Т. Вопросы космической радиосвязи. М., «Сов. Радио», 1965. 2. Пустовойтов Е.Л. (RU) Способ многополяризационного уплотнения радиочастотного спектра в радиосистеме.: Авторское свидетельство // 2609595 3. Аджемов С.С., Репинский В.Н.Селекция расщепленной ионосферной волны с помощью вращения поляризации приемной антенны. // Теле- коммуникации и транспорт.— 2018. — Т. 12 — № 1. — С. 4–8. 4. Аджемов С.С., Репинский В.Н. Локация деполяризованной волны. // Телекоммуникации и транспорт.— 2018. — Т. 12 — № 6. — С. 4–8.

770 na-journal.ru Технические науки

УДК 531 К вопросу о несущей способности железобетонных плит на продавливание при динамическом нагружении на объектах наземной космической инфраструктуры

Трекин Николай Николаевич доктор технических наук, профессор Национального исследовательского Московского государственного строительного университета

Крылов Владимир Владимирович аспирант Национального исследовательского Московского государственного строительного университета

Аннотация: В данной статье приведены описания конструктивных систем объектов наземной космической инфраструктуры, указаны пути совершенствования плани- ровочных и конструктивных решений. Представлен вариант возможного перспек- тивного объемно-планировочного, конструктивного решения объекта космической инфраструктуры. Указан важный узел, отвечающий за механическую безопасность конструктивной системы. Дано предложение по расчету на продавливание плоских плит при динамическом воздействии. Abstract: This paper presents descriptions of structural system of objects of ground-based space infrastructure. The ways to improve planning and constructive solutions are given. The authors present an option of potential spatial planning constructive solution of a space infrastructure object. An important node responsible for mechanical security of the constructive system is named. The authors propose the calculation for punching shear strength of flat slabs under dynamic force. Ключевые слова: Динамическая нагрузка, железобетонные конструкции, продавлива- ние, плоская плита, динамическая прочность, коэффициент динамичности. Keywords: Dynamic load, reinforced concrete structures, pushing, flat plate, dynamic strength, dynamic coefficient.

В соответствии со статьей 48.1 Градостроительного кодекса Российской Федерации (1) объекты космической инфраструктуры относятся к особо опасным и технически сложным объектам капитального строительства, являясь объектами повышенного уровня ответственности (класс КС‑3).

г. Самара 771 Научный аспект №4 2018 том 7

Объекты наземной космической инфраструктуры подлежат идентифи- кации в соответствии с требованиями статьи 4 «Технического регламента о безопасности зданий и сооружений» ФЗ‑384 от 30.12.2009 (2). Сооружения объектов космической инфраструктуры рассчитываются на основные и особые сочетания нагрузок. К основным сочетаниям от- носятся нагрузки, принятые в соответствии с СП 20.13330.2016 (3) (соб- ственный вес, снеговые, ветровые, вес грунта и т.д.). В качестве особых сочетаний принимаются нагрузки (особые воз- действия) от воздушно-ударной волны при аварии на старте, падение осколка, аварийное выключение двигателей, воздушно-ударная волна от косвенного действия ядерных средств поражения (СП 88.13330.2014) (4), сейсмические нагрузки (СП 14.13330.2014) (5). В расчетах строительных конструкций и оснований объектов космиче- ской инфраструктуры должны учитываются все виды нагрузок, соответ- ствующих функциональному назначению и конструктивному решению зданий и сооружений, климатические, а в необходимых случаях техноло- гические воздействия, а также усилия, вызываемые деформацией строи- тельных конструкций и оснований, включая технологические требования по взаимному расположению блоков стартового сооружения. Объемно-планировочные и конструктивные решения объектов косми- ческой инфраструктуры зависят от возможности строительных конструк- ций воспринимать особые воздействия и всвязи с этим критерием делятся на две группы: – сооружения, обеспечивающие сохранность внутреннего объема; – сооружения, не обеспечивающие сохранность внутреннего объема. На фотографии 1 представлен общий вид стартового комплекса космо- дрома «Восточный» РН «Союз». Для зданий и сооружений, обеспечивающих сохранность внутреннего объема при особых воздействиях, для которых предусматриваются режи- мы изоляции от внешней среды (командный пункт, укрытия, центрально- распределительный пункт, насосная станция пожаротушения), в качестве конструктивного решения используются стеновые конструктивные систе- мы, (СП 52–103–2007) (6) выполняемые из монолитного железобетона, с размерами в свету между несущими стенами до 7,2м.

772 na-journal.ru Технические науки

Фото 1. Общий вид стартового комплекса космодрома «Восточный» РН «Союз»

Сооружения, в которых устанавливается технологическое оборудова- ние, требующее больших пролетов и высот этажей, выполняются с несу- щим полным каркасом, а в качестве ограждающих конструкций приме- няются навесные панели. Данные сооружения в таком конструктивном исполнении не обладают необходимой несущей способностью для воспри- ятия всех особых воздействий. Следовательно, при аварийной ситуации данные сооружения будут повреждены и работоспособность космодрома в целом снижена до нуля, при этом восстановление работоспособности потребует значительных материальных затрат, сопоставимых и возможно превышающих затраты на строительство объекта. На фотографии 2 представлен вид основного помещения технологиче- ского сооружения с размещенным оборудованием. В связи с чем вполне целесообразно выглядит возможность оптими- зации конструктивных решений для вновь создаваемых объектов косми- ческой инфраструктуры, позволяющих реализовывать объемно-планиро- вочные решения для размещения сложных технологических процессов, требующих «гибких» планировочных решений, а также наличия возмож- ности модернизации и развития объекта без реконструкции.

г. Самара 773 Научный аспект №4 2018 том 7

Фото 2. Основное помещение технологического сооружения космодрома «Восточный» РН «Союз»

Оптимизация объёмно-планировочных и конструктивных решений представляет собой совокупность следующих мероприятий: – выбор конструктивных решений, обеспечивающих механическую без- опасность зданий и сооружений, подбор сечений элементов, выбор ма- териала несущих конструкций; – компоновка помещений внутри зданий и сооружений, а также подбор материалов несущих и ограждающих конструкций для обеспечения по- жарной безопасности; – учет опасных природных процессов и явления при формировании объ- ёмно-планировочных и конструктивных решений; – повышение безопасности для пользователей зданиями и сооружениями; – учет в объёмно-планировочных решениях мероприятий по улучшению энергетической эффективности; – повышение безопасности воздействия на окружающую среду.

774 na-journal.ru Технические науки

Рис. 1. Пример плана объекта космической инфраструктуры с перспективным объемно-планировочным и конструктивным решением

На рис. 1 представлен пример плана объекта космической инфраструк- туры с перспективным объемно-планировочным и конструктивным ре- шением, позволяющимперейти от стеновой конструктивной системы со- оружения к комбинированной и включающей в себя: – устройство колонн вместо стен во внутреннем объеме; – введение дополнительных диафрагм жесткости, обеспечивающих про- странственную работу конструкций при особых воздействиях; – сохранение наружной стены, обеспечивающей сохранность внутрен- него объема, – использование безбалочного покрытия. Данное решение позволяет формировать «гибкое» планировочное ре- шение, способное: – размещать любой технологический процесс; – обеспечить возможность модернизации объекта как в рамках уже име- ющегося строительного объема, так и в рамках присоединения нового независимого блока; – обеспечить сохранность внутреннего объема при особых воздействиях; – обеспечить возможность усиления существующих конструкции при увеличении особых воздействий. При этом необходимо отметить, что основным узлом в данном пер- спективном конструктивном решении, обеспечивающим надежность, живучесть, безопасность, является соединение колонны с фундаментной

г. Самара 775 Научный аспект №4 2018 том 7

плитой, а также колонны с плитой покрытия, работающий на продавлива- ние в месте соединения с колонной под действием особых, динамических нагрузок. Современные нормы проектирования развитых стран имеют суще- ственные различия в расчетных положениях по определению несущей способности монолитных железобетонных плит на продавливание. Дан- ные расчетные положения выполнены для статической работы конструк- ций и не учитывают особенности динамического воздействия и характера работы конструкций. Отечественные нормы проектирования СП 63.13330.2012 (7) расчет на продавливание производят для плоских железобетонных элементов (плит) при действии на них местных, концентрированно приложенных усилий — сосредоточенных сил и изгибающих моментов при условии статического приложения нагрузок (рис. 2). Требования по расчету с учетом динамических нагрузок представлены в СП 88.13330.2014 (4) при этом динамические нагрузкидопускается сво-

дить к эквивалентным статическим нагрузкам Fэс с учетом коэффициента динамичности kд. Можно предположить, для расчета плоской железобетонной плиты без поперечной арматуры на продавливание при действии сосредоточен- ной приложенной силы при динамическом воздействии следующие за- висимости:

Рис. 2. Расчетная модель для расчета на продавливание

776 na-journal.ru Технические науки

д Fэс

где Fэс– эквивалентная статическая сосредоточенная сила от внешней динамической нагрузки, которую можно представить в виде:

Fэс= kд·Fд, (2) kд — коэффициент динамичности, который в соответствии с (8) зави- сит от восстанавливающей силы и для линейно-деформируемых систем определяется как отношение максимального перемещения системы при

динамической нагрузке yмах к перемещению системы yst, вызванному ста- тической нагрузкой, равной по величине максимальному значению дина- мической нагрузки:

kд= yмах/yst;

Fд — сосредоточенная сила от внешней динамически приложенной нагрузки. д Fb, ult — предельное усилие, воспринимаемое бетоном при динамиче- ском воздействии. д Усилие Fb, ult определяют по формуле: д д Fb, ult = Rbt ·Аb, (3)

где Аb — площадь расчетного поперечного сечения, д Rbt — расчетное динамическое сопротивление бетона растяжению. Подставив в формулу (1) значения (2) и (3) получим: д kд×Fд £Rbt ×Аb (4) Полученное условие (4) требует теоретического и экспериментального подтверждения. Выводы: 1. Изучение несущей способности железобетонных плит на продавлива- ние при динамическом нагружении является важным и необходимым шагом на пути к формированию перспективных объемно-планиро- вочных, конструктивных решений как объектов космической инфра- структуры, специальных сооружений, так и гражданских и промыш- ленных зданий. 2. Предложенная методика для расчета плоской железобетонной плиты без поперечной арматуры на продавливание при действии сосредото- ченной приложенной силы при динамическом воздействии требует те- оретического и экспериментального подтверждения.

г. Самара 777 Научный аспект №4 2018 том 7

3. Актуальность вопроса данного исследования подтверждается требо- ваниями действующих государственных стандартов (9), предписыва- ющих для оценки реакции строительного объекта при динамических воздействиях использовать соответствующие динамические модели.

Список литературы

1. Градостроительный кодекс Российской Федерации; 2. «Технического регламента о безопасности зданий и сооружений» ФЗ‑384 от 30.12.2009; 3. СП 20.13330.2016«Нагрузки и воздействия». Актуализированная ре- дакция СНиП 2.01.07–85* 4. СП 88.13330.2014«Защитные сооружения гражданской обороны». Ак- туализированная редакция СНиП II‑11–77*; 5. СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах». Актуали- зированная редакция СНиП II‑7–81*; 6. СП 52–103–2007 «Железобетонные монолитные конструкции зданий»; 7. СП 63.13330.2012«Бетонные и железобетонные конструкции. Основ- ные положения». Актуализированная редакция СНиП 52–01–2003; 8. Расчет конструкций на динамические специальные нагрузки. Н.Н. По- пов, Б.С. Расторгуев, А.В. Забегаев. 9. ГОСТ 27751–2014 «Надежность строительных конструкций и основа- ний. Основные положения».

778 na-journal.ru Технические науки

УДК 553.9 4D сейсмический мониторинг нефтегазовых шельфовых месторождений акваторий северных морей с помощью донных регистрирующих систем Разин Андрей Юрьевич один из ведущих российских специалистов по сейсморазведке в «транзитных» зонах, главный конструктор, инженер-геофизик морских геофизических работ Научно-технологического центра морской геофизики Института Арктических технологий Московского физико-технического института

Разин Юрий Андреевич главный инженер, инженер-геофизик морских геофизических работ, ведущий специалист по маркетингу и новым проектам Научно-технологического центра морской геофизики Института Арктических технологий Московского физико-технического института, АО «Южморгеология».

Головин Сергей Владимирович кандидат технических наук, старший научный сотрудник Научно-технологического центра морской геофизики Института Арктических технологий Московского физико-технического института.

Аннотация: В статье приведена аналитика соотношения мировых запасов, общемиро- вого потребления и прогноз возникновения дефицита углеводородного сырья. Описаны 4D сейсмические исследования как инструмент оптимизации эксплуатации место- рождения. Рассмотрены основные типы сейсмических систем для морской 4D сейс- моразведки. В хронологическом порядке приведена статистика иностранных компа- ний по проведению 4D сейсмических исследований на месторождениях северных морей с результатами оптимизации добычи — повышение извлекаемости запасов, продление жизни месторождений. Описан российский опыт 4D сейсмических исследований. На- мечена задача по созданию на базе МФТИ отечественных донных кабельных регистри- рующих систем для проведения 4D сейсмического мониторинга месторождений на Ар- ктическом шельфе РФ. Abstract: The paper provides an analytics of the ratio of global reserves, global consumption and a forecast of a shortage of hydrocarbons. 4D seismic surveys are described as a tool to optimize field exploitation. The main types of seismic systems for marine 4D seismic survey are

г. Самара 779 Научный аспект №4 2018 том 7 considered. In chronological order, the statistics for foreign companies on 4D seismic surveys in the northern seas fields is given with the results of production optimization — increasing the recoverability of reserves, extending the life of deposits. The Russian experience in 4D seismic surveys is described. The task for creating cable-based recording systems for 4D seismic monitoring of deposits on the Arctic shelf of the Russian Federation at MFTI was outlined. Ключевые слова: сейсморазведка 4D, мониторинг месторождения, шельфовые место- рождения, извлекаемость запасов, экономическая эффективность. Keywords: 4D seismic, time-lapse seismic, field monitoring, shelf deposits, recovery factor, economic efficiency.

Мировые запасы нефти на конец 2017 года оценивались в объеме 1,696 трлн баррелей при динамике роста общемирового потребления до 100 млн баррелей в день. При таком темпе роста потребления, нынешних запасов нефти миру хватит только на ближайшие 30–35 лет. Перспекти- ва истощения запасов и появления дефицита углеводородного сырья ста- вит перед нефтедобывающими компаниями задачу применения наиболее эффективных стратегий эксплуатации разрабатываемых месторождений, способствующих повышению производительности нефтедобычи и коэф- фициента извлекаемости запасов. Одной из решений такой задачи являет- ся 4D сейсмический мониторинг (Time-Lapse Seismic), позволяющий от- слеживать изменения пластовых параметров. Своевременная реакция на изменения состояния резервуара делает разработку месторождения кон- тролируемой и экономически более эффективной. Сравнительный анализ сейсмических технологий показал наибольшую эффективность донных кабельных систем перманентной установки, отличающихся низкими рас- ходами на проведение повторных съемок, а также высоким качеством ре- зультатов мониторинга. По опыту ряда иностранных нефтедобывающих компаний, применение 4D сейсмического мониторинга позволило пере- смотреть стратегию эксплуатации месторождений, а результаты предпри- нятых мер превысили прогнозы ожидаемого объема извлекаемых запа- сов. В России полноценный 4D сейсмический мониторинг был проведен только на Пильтун-Астохском месторождении континентального шельфа Северо-Восточного Сахалина, где анализ данных мониторинга позволил выработать рекомендации по оптимизации разработки месторождения.

780 na-journal.ru Технические науки

Изучив успешный зарубежный опыт, специалисты Московского Физико- Технического Института (МФТИ) приступили к разработке отечествен- ной системы мониторинга месторождений для использования в шельфо- вых акваториях Арктической зоны РФ, где применение подобной системы видится максимально целесообразным. В начале 2018 года ведущие отечественные нефтяные компании ПАО НК «Роснефть» и ПАО «ЛУКОЙЛ» отчитались, что их обеспеченность запасами углеводородного сырья (на 31.12.2017 г.) достигла уровня 20 и 19 лет соответственно [1, 2]. В то же время, мировые запасы нефти на конец 2017 года оценивались в объеме 1,696 трлн баррелей при общемиро- вом потреблении в 90,5 млн баррелей нефти в день (табл. 1) [3]. По прогнозам аналитиков потребление нефти будет стабильно расти и превысит отметку в 100 млн баррелей в день уже к началу 2019 года [4].

Таблица 1. Мировые лидеры по запасам и потреблению нефти на 31.12.2018 г. (по данным аналитического отчета BP Statistical Review, June 2018)

Запасы Потребление Общие, Доля от Общие, Доля Страна в млн общемирового Страна в млн в общемировом баррелей запаса,% баррелей потреблении,% Венесуэла 303200 17,9 США 7256,20 20,10 Саудовская 266500 15,7 Китай 4671,64 13 Аравия Канада 168900 10,0 Индия 1711,85 4,70 Иран 157200 9,3 Япония 1455,62 4,10 Саудовская Ирак 148800 8,8 1430,07 4,0 Аравия Россия 106200 6,3 Россия 1176,76 3,30 Кувейт 101500 6,0 Бразилия 893,155 3,10 Южная ОАЭ 97800 5,8 1020,54 2,80 Корея США 50000 2,9 Германия 893,16 2,50 Ливия 48400 2,8 Канада 886,22 2,50 Остальной Остальной 248100 14,5 14442,69 39,90 мир мир

г. Самара 781 Научный аспект №4 2018 том 7

При таком темпе роста потребления, нынешних запасов нефти миру хватит только на ближайшие 30–35 лет. Перспектива истощения запасов и появле- ния дефицита углеводородного сырья ставит перед компаниями нефтяного сектора новые задачи, среди которых не только стимулирование геолого- разведочной отрасли и разработка методологической базы по освоению трудноизвлекаемых запасов, о чем говорил в ходе форума «Российская Энергетическая Неделя — 2018» первый заместитель Министра природ- ных ресурсов и экологии РФ Денис Храмов [5], но и применение наиболее эффективных стратегий эксплуатации разрабатываемых месторождений, способствующих повышению производительности нефтедобычи и ко- эффициента извлекаемости запасов. Наиболее остро эта задача стоит для шельфовых месторождений, особенно — для расположенных в Арктиче- ских регионах, поскольку в столь тяжелых условиях факторы сокращения расходов на бурение и общее увеличение темпов добычи существенно по- вышают экономическую эффективность эксплуатации месторождений.

4D сейсмические исследования как инструмент оптимизации эксплуатации месторождения

Одной из мер, позволяющей оптимизировать эксплуатацию месторожде- ния, является использование 4D сейсмических исследований, также на- зываемых сейсмическим мониторингом (на Западе также употребляется название Time-Lapse Seismic). В общем виде, данные исследования пред- ставляют собой проведение 3D сейсморазведочных работ на участке разра- батываемого месторождения, повторяющихся с периодичностью от полу- года до нескольких лет, в идеале — без изменения параметров и геометрии расстановки регистрирующей системы и пунктов возбуждения. Метод ос- нован на том, у пластовых пород при замене нефте-газонасыщенности на водонасыщенность изменяются их упругие свойства. Использование этой особенности позволяет отслеживать миграцию флюида, контролировать изменения пластовых параметров и, основываясь на полученной инфор- мации, корректировать стратегию разработки месторождения, к примеру, корректируя количество и изменяя расположение нагнетательных сква- жин. Своевременная реакция на изменения состояния резервуара, в ко-

782 na-journal.ru Технические науки

нечном итоге, делает разработку месторождения более контролируемой и экономически эффективной. Такой метод далеко не является новинкой, особенно для западных компаний, которые впервые начали экспериментировать с подобными исследованиями еще в конце 80-х годов прошлого века на месторожде- ниях Мексиканского Залива (блоки Eugene Island 330/338 и месторожде- ние South Timbailer 295) [6]. В России же первые подобные исследования были проведены норвежской геофизической компанией PGS на Пильтун- Астохском месторождении на шельфе Сахалина [7]. Ниже рассмотрим наиболее значимые проекты.

Типы сейсмических систем, используемых при проведении морской 4D сейсморазведки

В начале своего развития наиболее популярной и единственной приме- няемой технологией было проведение сейсморазведки с использованием судов с буксируемыми приёмными устройствами — сейсмокосами. Эта технология позволяла проводить повторные 3D сейсмические съемки на интересуемых участках, однако, даже при использовании идентичного комплекта оборудования, не позволяла добиться идеальной повторяе- мости. Несмотря на это, она все же являлась эффективным и, что самое главное, экономически целесообразным (cost-efficient) инструментом по- вышения эффективности разработки месторождений. С развитием технологий в области геофизического оборудования ак- цент в 4D сейсморазведке сместился в сторону донных систем перма- нентной установки. Несмотря на то, что первоначальная установка такой системы требовала значительно больших финансовых затрат по сравне- нию с сейсморазведкой буксируемыми сейсмокосами, в дальнейшем эти затраты окупались за счёт снижения расходов на проведение повторных съемок — отпадала необходимость привлечения дорогостоящих полнораз- мерных многокосовых сейсмических судов, их заменили более доступные небольшие суда-источники, а также в виде повышения общего качества результатов мониторинга за счет бóльшей повторяемости съемок и воз- можности более частого их проведения.

г. Самара 783 Научный аспект №4 2018 том 7

До недавнего времени донные системы мониторинга были основаны на кабельной телеметрии, однако, вслед за общим трендом в сейсморазве- дочной отрасли, стали активно предлагаться системы на основе автоном- ных сейсмических модулей — нодов. При текущем уровне технологий нодальные системы мониторинга уступают системам с кабельной телеметрией по двум важным параметрам: отсутствию возможности контроля качества регистрируемой информации в режиме реального времени (или близком к реальному времени), а также автономности, поскольку требуют перезарядки элементов питания, что существенно увеличивает стоимость их эксплуатации за счёт операций по их подъему, регенерации и обратной постановке. По авторитетному мнению, одного из ведущих ученых в области мор- ской сейсморазведки профессора Ю.П. Ампилова, в настоящий момент лучшим решением для 4D морского сейсмического мониторинга являют- ся оптоволоконные кабельные системы с регистрирующими 4-компонен- тыми оптоволоконными датчиками [8]. Именно такие системы широко применяются за рубежом ведущими нефтяными компаниями на своих месторождениях.

Месторождение Draugen, Cеверное Море

Открыто в 1984 году в районе, который изначально большинством гео- логов считался малоперспективным [9]. Начало активно разрабатываться в 1993 году Norskoe Shell (26,2%), BP Norge AS (18,36%) и Chevron Texaco Norge AS (7,56%) [10]. Уникальной особенностью данного месторождения является одноименная буровая платформа, стоящая на бетонном основа- нии высотой более 250 метров, а с учетом надводных строений почти до- стигающей отметки в 300 метров [11]. Месторождение имеет весьма скромное число добывающих скважин — всего 11, но на некоторых из них была достигнута производительность в 150 млн баррелей, что является довольно высоким показателем и может превышать производительность всех добывающих скважин на некоторых небольших месторождения. В начале 2000-х годов Shell поставило цель поддерживать производительность месторождения на высоком уровне

784 na-journal.ru Технические науки

до 2013 года и одним из главных инструментов для достижения этой цели было проведение 4D сейсмических исследований с целью картирования движения флюида и обнаружения областей концентрации нефти. Первые выводы были сделаны на основании данных, полученных в результате трех сейсмических исследований — первоначальной съемки 1990 года и последующих съёмок 1998 и 2001 гг. [12]. После анализа по- лученной информации и построения динамической модели резервуара специалисты пришли к выводу, что водонефтяной контакт смещается быстрее, чем изначально предполагалось. Пробуренные дополнительные инжекторные скважины способствовали смещению углеводородов к до- бывающим скважинам, что существенно сказалось на объёме извлекаемых запасов и позволило достичь рекордной производительности для морских нефтяных скважин — 78000 баррелей в сутки. Всего на месторождении Draugen было проведено 6 сейсмических съемок (рис. 1).

Рис. 1. Диаграмма ежегодной производительности месторождения Draugen

Негативные тенденции на мировом нефтяном рынке заставили компа- нию Shell остановить добычу и задуматься о продаже своей доли более мел- ким игрокам нефтяного рынка [13]. По оценкам некоторых аналитиков, добыча нефти на данном месторождении может быть продолжена вплоть до 2040 года. Все это является результатом ответственного подхода к раз- работке месторождения и нацеленности на постоянную оптимизацию до-

г. Самара 785 Научный аспект №4 2018 том 7

бычи, которая во многом ориентировалась на результаты проведенных 4D сейсмических исследований.

Месторождение Gullfaks, Северное Море

Месторождение Gullfaks, расположенное в Норвежском секторе Северно- го моря на блоке 34/10, было открыто в 1978 году и находится под управле- нием оператора — норвежской компании Statoil. Глубины в районе место- рождения составляют порядка 130–230 метров. Первоначальная оценка извлекаемых запасов была установлена в объеме 2,1 млрд баррелей, а пи- ковая производительность месторождения была достигнута в 2001 году в объеме 180 000 баррелей в день (рис. 2). Месторождение разрабатывается при помощи трех платформ, установленных в 1986, 1988 и 1989 годах. Сейсмический мониторинг на месторождении Gullfaks успешно при- менялся, начиная с 1995 года. Именно в этом году была выполнена по- вторная 3D сейсмическая съемка, данные от которой были сопостав- лены с данными, полученными в 1985 году. Исследования, проводимые в 1995 году, имели научную направленность, однако, сделанные на их ос- новании выводы дали толчок развитию полноценного 4D сейсмического мониторинга на данном месторождении и следующие 3D сейсмические исследования были проведены всего год спустя, уже в 1996 году.

Рис. 2. Ежегодная производительность месторождения Gullfaks

786 na-journal.ru Технические науки

С тех пор было проведено еще 6 полноценных 3D сейсмических иссле- дований — в 1999, 2002, 2005, 2008, 2011 и 2016 годах. Вслед за развитием геофизической отрасли менялась и методика проводимых работ, а также алгоритмы последующей обработки данных. И если в 1985 году приёмная система состояла из двух буксируемых кос, то в 2011 и 2016 году их число возросло до 17, что позволило выполнить работы с высокой плотностью наблюдений (HD3D-High Density 3D). Проводимые 3D исследования можно разделить на три фазы — 1995/1996, 1999/2002/2005, 2008/2011/2016 годы — в рамках каждой из которых геофизики старались добиться макси- мальной повторяемости параметров и методик [14]. Проводимый мониторинг позволил эффективно оптимизировать про- цесс добычи на месторождении. По оценкам, которые дал ведущий гео- физик компании Statolil (ныне Equinor) Тор Вегар Мэрдален, половина добытой нефти с конца 1990-х годов стала результатом оптимизации, про- веденной на основании полученных при помощи 4D сейсмического мо- ниторинга данных. В финансовом эквиваленте положительный эффект от таких исследований оценивается, примерно, в размере 6 млрд норвежских крон. Equinor рассчитывает, что дальнейшее применение данной техно- логии для контроля разработки месторождения, поможет в ближайшие 15 лет удвоить полученный экономический эффект [15].

Месторождение Ekofisk, Северное Море

Ekofisk — месторождение-гигант, расположенное на Юго-Востоке нор- вежского сектора Северного моря, приблизительно в 300 км от Ставангера. Лицензию на разработку месторождения имеют несколько круп- ных компаний, среди которых такие крупные компании как Total, ConocoPhillips, Eni, Statoil (Equinor). Оператором месторождения являет- ся ConocoPhillips Skandinavia AS [16]. Глубина моря в районе месторожде- ния достигает 70 метров. По объему извлекаемых запасов Ekofisk считает- ся третьим месторождением Северного Моря — суммарный объем запасов составляет 3,6 млрд баррелей. 4D сейсмический мониторинг на месторождении Ekofisk проводится с 1999 года. Именно тогда была проведена морская сейсмическая съем-

г. Самара 787 Научный аспект №4 2018 том 7

ка 3D с использованием судна, оборудованного четырьмя буксируемыми косами, которая стала первой повторной 3D съемкой с момента прове- дения первоначального сейсмического исследования в 1989 году (перво- начальная сейсмическая съемка производилась с использованием судна, оборудованного всего лишь двумя буксируемыми косами). Последующие съемки были проведены в 2003, 2006 и 2008 годах — с использованием 8-косовой конфигурации. Несмотря на тщательный анализ и проведенные меры по оптимизации добычи, такие как ввод в эксплуатацию более 80 скважин, специалисты от- метили, что для максимально эффективного управления месторождением интервал между проводимыми сейсмическими исследованиями должен быть существенно уменьшен. Это позволило бы максимально оперативно реагировать на динамику изменения характеристик резервуара в процессе его разработки (рис. 3). Сравнение показателей разработки с другими сопоставимыми место- рождениями Северного моря, такими как Statfjord и Gullfaks, показало, что последние имеют более высокие показатели производительности. Это указывало на то, что меры по улучшению производительности на ме- сторождении Ekofisk должны включать в себя разнообразный набор ин- струментов, каждый из которых должен быть использован своевременно и в соответствии с общей стратегией развития месторождения. Планируе-

Рис. 3. Диаграмма ежегодной производительности месторождения Ekofisk

788 na-journal.ru Технические науки

мый коэффициент извлекаемости запасов был сопоставим с другими ме- сторождениями, но расчеты показывали, что значительная часть запасов останется неизвлечённой. В то же время, данные говорили о том, что даже небольшое повышение коэффициента извлекаемости имело бы значи- тельный экономический эффект [17]. Проведенное в 2011 году исследование заключило, что использование донной кабельной системы мониторинга постоянной установки станет го- раздо более эффективным инструментом, чем сейсмическая съемка с бук- сируемыми косами. Данная система требовала больших первоначальных вложений, однако, несла в себе значительное количество плюсов, которые должны были способствовать существенному уменьшению расходов в даль- нейшем и увеличению доходов, за счет повышения извлекаемости запасов. Среди таких плюсов, в первую очередь, стоит отметить лучшую повторяе- мость, обусловленную неизменным положением приемных устройств. В качестве такой донной системы была выбрана оптоволоконная си- стема норвежской компании Optoplan, подразделения всемирно извест- ного производителя сейсморазведочного оборудования компании Sercel. Система получила название Ekofisk LoFS (Life-of-Field-Seismic) и состо- яла из 24 донных приемных кабелей общей длиной свыше 200 км, с ис- пользованием порядка 3966 4-х компонентных (3 геофона + гидрофон) сейсмических датчиков. При установке системы кабели укладывались в траншеи, глубиной до 1,5 метров при помощи телеуправляемых подво- дных аппаратов. Необходимо также отметить высокую плотность пунктов возбуждения: 25 метров между точками возбуждения и 50 метров между линиями возбуждения. Была предусмотрена передача полученных данных, практически в режиме реального времени, в береговой центр обработки и контроля качества полевого материала ConocoPhillips, расположенный в 300 километрах от месторождения (рис. 4). Данная передача реализована при помощи гигабитных оптоволоконных линий [18]. Первая сейсмическая съемка, с использованием системы LoFS на месторождении Ekofisk, стартовала в ноябре 2010 года, а всего с тех пор (по данным на конец 2016 года) было проведено 10 сейсмических съемок. Система LoFS стала эффективным инструментом контроля месторожде- ния Ekofisk, разработка которого планируется до 2050 года.

г. Самара 789 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис. 4. Схема развёртывания системы 4D сейсмического мониторинга Ekofisk LoFS

Месторождение Valhal, Северное Море Valhall — огромное нефтяное месторождение на юге норвежского сектора Северного Моря. Открытое в 1975 году, оно начало активно разрабаты- ваться в 1982 году. Оператором месторождения является компания AKER BP, которой принадлежит мажоритарный пакет акций месторождения. В январе 2017 года компания отчиталась, что месторождение Valhall перешагнуло отметку в 1 млрд баррелей добытых запасов, что в три раза превысило прогнозы ожидаемого объема извлекаемых запасов, подсчи- танных в 1982 году (рис. 5). При помощи комплексной системы управления месторождением, в ко- торую в числе прочих инструментов входит система сейсмического мони- торинга Life-of-Field-Seismic, Aker BP планирует к 2040 году добыть еще более полумиллиарда баррелей [19]. Valhall стало первым месторождени-

790 na-journal.ru Технические науки

Рис. 5. Диаграмма ежегодной производительности месторождения Valhal

ем, на котором была установлена перманентная система 4D сейсмическо- го мониторинга. Введенная в эксплуатацию в 2003 году регистрирующая сейсмическая система на основе 13 донных кабелей, уложенных в тран- шеи глубиной более 1 метра, включала в себя 2414 сейсмоприемников и покрывала площадь, приблизительно равную 45 км2. Система позволяла за счёт неизменной геометрии обеспечить великолепную повторяемость сейсмических исследований, необходимую для принятия оперативных ре- шений по управлению инжекторными скважинами [20]. С момента начала 4D мониторинга, сейсмические съемки проводились раз в полгода, что, по оценкам специалистов, в результате позволило продлить срок эксплуата- ции месторождения более чем на 40 лет [21].

Месторождение Johan Sverdrup, Северное море

Открытое в 2010 году месторождение, расположенное в Северном море в 140 километрах западнее Ставангера, считается специалистами одним из пяти наиболее крупных нефтяных месторождений норвежского сек- тора (рис. 6). Общий объем запасов оценивается в 2,1–3,1 млрд баррелей и будет уточняться в дальнейшем на основании последующих геолого-ге- офизических исследований. Компания Equinor планирует начать добычу в четвертом квартале 2019 года с планируемым горизонтом в 50 лет [22].

г. Самара 791 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис. 6. Схема развернутой системы 4D сейсмического мониторинга месторождения Johan Sverdrup

Месторождение Johan Sverdrup станет первым месторождением, 4D сейсмический мониторинг которого начнется параллельно с началом процесса разработки. Специалисты компании Equinor уверены, что это поможет поднять коэффициент извлекаемости до рекордных 70% за счет улучшенной визуализации и постоянного мониторинга резервуаров и ос- нованных на данном анализе превентивных корректирующих мер [23]. В качестве системы мониторинга выбрана оптоволоконная донная си- стема перманентной установки, выпускаемая компанией Alcatel Submarine Networks. Установка системы пройдет в два этапа. В рамках первого эта- па, который будет завершен до конца 2019 года, на участке морского дна площадью 120 км2 будет проложено 380 км донного сейсмического кабе- ля, соединяющего между собой более 6500 сейсмических датчиков. Это уже сделает данную систему одной из самых масштабных в истории 4D сейсмического мониторинга. Второй этап, завершение которого планиру- ется к концу 2022 года, увеличит общую протяженность донного кабеля до 600 км, а количество установленных сейсмических датчиков до 10300 штук. При помощи данной системы компания Equinor планирует достичь максимальной эффективности в управлении месторождением и поднять планку дневной производительности до 660 000 баррелей нефти в день [24].

792 na-journal.ru Технические науки

Российский опыт, Пильтун-Астохское месторождение

На текущий момент полноценный 4D сейсмический мониторинг был проведен только лишь на одном месторождение — Пильтун-Астохском, расположенном на континентальном шельфе Северо-Восточного Сахали- на. Открытое в 1986 году, месторождение относится к крупным — по оцен- кам специалистов запасы составляют 150 млн тонн нефти и 500 млрд тонн газа. Помимо этого, месторождение имеет сложное строение, что поспо- собствовало проведению первых в России работ по сейсмическому мони- торингу. Работы проводились в полевой сезон 2010 года с общим объемом 170 км2. Полученные результаты сравнивались с данными, полученными по итогам 3D сейсморазведочных работ 1997 года. Анализ данных позво- лил определить динамику фронта нагнетаемой воды и выработать реко- мендации по оптимизации разработки месторождения. На сегодняшний день, этот проект так и остался единичным в истории отечественной 4D морской сейсморазведки.

Отечественные разработки в области оборудования 4D сейсмического мониторинга

Изучив успешный зарубежный опыт сейсмического мониторинга, в связи с полным отсутствием аналогичных систем отечественного производства, специалисты научно-технологического центра Московского Физико-Тех- нического Института (МФТИ) приступили к разработке геофизической распределенной информационно-измерительной системы постоянной ин- сталляции с целью пассивного и активного мониторинга разрабатываемых месторождений углеводородов, способствующей оптимизации разработки. Система разрабатывается с учетом возможности её использования в шель- фовых акваториях Арктической зоны РФ, где применение подобной си- стемы видится чрезвычайно актуальным и максимально целесообразным. Разрабатываемая система состоит из регистрирующего, кабельного, управляющего оборудования, оборудования энергообеспечения и аппа- ратного интерфейса. Подводная часть системы — регистрирующие сейс- мические модули — размещается на дне и волоконно-оптическим кабелем

г. Самара 793 Научный аспект №4 2018 том 7

через аппаратный интерфейс соединяется с береговой частью системы — управляющим оборудованием и оборудованием энергообеспечения. Создаваемая система включает в себя 100 регистрирующих донных модулей, объединённых в сеть топологии «звезда», организованных по 50 модулей соосно «в линию» с шагом 25 метров и конструктивно собранных с помощью кабельного оборудования в 2 донные косы длиной по 1000 ме- тров каждая. Для проведения опытных работ, запланированных на одной из участков российского Арктического шельфа, донные косы будут разме- щены на дне параллельными линиями на расстоянии 100–200 метров, для обеспечения необходимого площадного покрытия. Следуя тенденциям мировой сейсморазведки, регистрирующие сейсмиче- ские модули являются 4-компонентными: в их состав входит высокочувстви- тельный трехкомпонентный (X, Y, Z) широкополосный сейсмометр и низ- кочастотный гидрофон. Сейсмические датчики и управляющая электроника размещаются в герметичном корпусе цилиндрической формы, рассчитанном для работы на глубинах до 500 метров. Применяемые в составе сейсмических датчиков чувствительные элементы также являются разработкой специалистов МФТИ. Они созданы на принципах молекулярно-электронного переноса ипо - зволяют достичь технических характеристик (табл. 2), не уступающих зарубеж- ным аналогам и превосходящих их по ряду параметров. Волоконно-оптический кабель подводного защищённого исполнения с 50 герметичными оптическими муфтами в местах присоединения регистрирующих

Таблица 2. Технические характеристики системы сейсмического мониторинга

Рабочая полоса частот 1÷500 Гц Чувствительность геофона не менее 250 В/м/с Разрядность АЦП не хуже 24 разряда Эффективный динамический диапазон АЦП не ниже 120 дБ Максимальная частота регистрации сигнала не ниже 500 Гц Полоса регистрации сигналов гидрофона 1÷500 Гц Чувствительность гидрофона, не менее 500 мкВ/Па Допустимое гидростатическое давление, не менее 1 атм. Уровень чувствительности на частоте 20 Гц относительно 54 дБ 1 мкВ/Па, не менее

794 na-journal.ru Технические науки

модулей соединяет через аппаратный интерфейс регистрирующее оборудование с управляющим оборудованием и оборудованием энергообеспечения и состоит из подводной части — донной косы (~1км), участка погружения (~500 м) ибере - говой части — наземного участка соединения сбереговой частью системы (100– 500 м). Для системы разрабатывается программное обеспечение, отвечающее за управление работой и визуализацию данных. Контроль качества получаемого материала будет осуществляться с помощью специализированного программно- го пакета российских разработчиков.

Заключение Разработчики отечественной системы надеются, что результаты полевых испытаний, намеченных на 2020 год, в совокупности с накопленным об- ширным мировым опытом успешного использования сейсмического 4D мониторинга, будут способствовать внедрению этих технологий на место- рождениях российского шельфа. Уже сейчас специалисты отмечают, что в России существует ряд месторождений — Лунское, Пильтун-Асхотское, Киринское и, в особенности, Приразломное, где применение сейсмиче- ского 4D мониторинга способно вызвать существенный положительный экономический эффект за счет оптимизации процесса разработки и повы- шения коэффициента извлекаемости запасов.

Список литературы

1. Пресс-релиз НК Роснефть от 09.02.2018 г. Available at: [электронный ресурс] https://www.rosneft.ru/press/releases/item/189713/ (дата обраще- ния 06.11.2018). 2. Пресс-релиз ПАО НК Лукойл. Available at: [электронный ресурс] http:// www.lukoil.ru/Business/Upstream/Reserves (дата обращения 06.11.2018) 3. Kimberly Amadeo. Oil reserves, their categories and the World’s largest. Портал TheBalance.com. Available at [электронный ресурс]: https://www. thebalance.com/oil-reserves-definition-categories-world-s-largest‑3305873 (дата обращения 04.11.2018). 4. Максим Ступов. Мировое потребление нефти к концу года достигнет рекордных 100 млн баррелей в сутки. Газета «Ведомости», 14.09.2018.

г. Самара 795 Научный аспект №4 2018 том 7

Available at [электронный ресурс]: https://www.vedomosti.ru/business/ articles/2018/09/14/780842-k#%2Fgalleries%2F140737494181317%2Ffulls creen%2F1 (дата обращения 06.11.2018). 5. Пресс-релиз РЭН‑2018. Повышение эффективности добычи неф- ти: отвечая на вызовы. 04.10.2018 Available at [электронный ресурс]: https://rusenergyweek.com/news/povyshenie-effektivnosti-dobychi-nefti- otvechaja-na-vyzovy/ (дата обращения 04.11.2018). 6. John R. Fanchi, Theodore A. Pagano, Thomas L. Davis. Oil & Gas Journal. State of the art of 4D seismic monitoring: the technique, the record, and the future. 31.05.1999. Available at [электронный ресурс]: https://www.ogj. com/articles/print/volume‑97/issue‑22/in-this-issue/general-interest/state- of-the-art-of‑4d-seismic-monitoring-the-technique-the-record-and-the- future.html (дата обращения 01.11.2018). 7. Юрий Ампилов. Портал Neftegaz.ru. Контроль в четырех измерениях. 07.12.2003. Available at [электронный ресурс]: https://neftegaz.ru/science/ view/883-Kontrol-v-chetyreh-izmereniya (дата обращения 02.11.2018). 8. Юрий Ампилов. Оборудование для морской сейсморазведки // Журнал Offshore Russia, август 2017, С. 28‒33. 9. Odin Estensen. Портал Offshore Engineer. «Draugen: exceeding expectations», 01.06.2013. Available at [электронный ресурс]: https://www. oedigital.com/people/item/3211-draugen-exceeding-expectations (дата об- ращения 07.11.2018). 10. Сергей Никитин. В тридевятом королевстве // Журнал «Нефтегазовая Вертикаль», № 15–16/2012. 11. Портал Norwegian Petroleum. Available at [электронный ресурс]: https://www.norskpetroleum.no/en/facts/field/draugen/ (дата обращения 02.11.2018). 12. Портал Offshore Magazine. «Norway: Shell aiming for 75% recovery from Draugen through lateral thinking, 4D seismic». Available at [электронный ресурс]: https://www.offshore-mag.com/articles/print/volume‑62/issue‑8/ news/norway-shell-aiming-for‑75-recovery-from-draugen-through-lateral- thinking‑4d-seismic.html (дата обращения 01.11.2018). 13. Пресс-релиз компании Shell «Shell to sell Draugen and Gjoa interests to OKEA AS», 20.06.2018. Available at [электронный ресурс]: https://www.

796 na-journal.ru Технические науки

shell.com/media/news-and-media-releases/2018/shell-to-sell-draugen- and-gjoa-interests-to-okea-as.html (дата обращения 05.11.2018). 14. D.J. Anderson (PGS), M. Wierzchowska (PGS), J. Oukili (PGS), D. Eckert (Statoil ASA), E. Sadikov (Statoil ASA). Optimising 4D Seismic with Evolving Technology over 20 Years of Reservoir Monitoring of the Gullfaks Field, North Sea. 15. Astri Sivertsen. Big pay-off from 4D, Norwegian Petroleum Directorate, 06.01.2015. Available at [электронный ресурс]: http://www.npd.no/en/ Publications/Norwegian-Continental-Shelf/No1–2014/Big-pay-off- from‑4D/ (дата обращения 07.11.2018). 16. Портал Bartleby.com. «The discovery of Ekofisk oil field», 06.01.2015. Available at [электронный ресурс]: https://www.bartleby.com/essay/The-Discovery- Of-Ekofisk-Oil-Field-PK8EBRWXGK8X (дата обращения 03.11.2018). 17. Hakon Huagvaldstad, Bjarne Lyngnes, Patrick Smith, Andrew Thompson. Ekofisk time-lapse seismic — a continuous process of improvement // жур- нал «First Break» Ассоциации SEG, № 29 (сентябрь) 2011, С. 113–120. 18. A. Bertrand, P. G. Folstad, B. Lyngnes, S. BuizArd, H. Hoeber, N. Pham, S. de Pierrepont, J. Schultzen, A. Grandi. Ekofisk life-of-field seismic: Operations and 4D processing // Журнал «The leading Edge», февраль 2014. 19. Пресс-релиз компании AkerBP, 2017. Available at [электронный ресурс]: https://www.akerbp.com/en/our-assets/production/valhall/ (дата обраще- ния 01.11.2018). 20. Портал Offhore Technology. «Valhall Oilfield, North Sea». Available at [электронный ресурс]: https://www.offshore-technology.com/projects/ valhall_flank/ (дата обращения 06.11.2018). 21. J. van Gestel, K.D. Best, O.I. Barkved, J.H. Kommedal. Life-of-field seismic system adds value to reservoir simulation of Valhall field. Портал «Offhore Magazine», 01.02.2009. Available at [электронный ресурс]: https://www. offshore-mag.com/articles/print/volume‑69/issue‑2/geology-geophysics/ life-of-field-seismic-system-adds-value-to-reservoir-simulation-of-valhall- field.html (дата обращения 06.11.2018). 22. Пресс-релиз компании Equinor. Available at [электронный ресурс]: https://www.equinor.com/en/what-we-do/johan-sverdrup.html (дата обра- щения 08.11.2018).

г. Самара 797 Научный аспект №4 2018 том 7

23. Портал «Offhore Magazine». 17.01.2018. Available at [электронный ресурс]: https://www.offshore-mag.com/articles/2018/01/sverdrup-field-to-feature- permanent-reservoir-monitoring-from-start-up.html (дата обращения 03.11.2018). 24. Портал «Offhore Magazine». 02.10.2018. Available at [электронный ре- сурс]: https://www.offshore-mag.com/articles/2018/10/equinor-expands- north-sea-sverdrup-monitoring-system.html (дата обращения 06.11.2018).

УДК 622.7 К вопросу о инициализации кинетических моделей флотационного обогащения черносланцевого сырья

Ромашев Артём Олегович кандидат технических наук, доцент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета

Калмыкова Татьяна Дмитриевна студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Управителева Анна Андреевна студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: Данная научная работа посвящена систематизации и обобщению су- ществующих подходов к моделированию кинетики флотации и инициализации вида функции полученной при сепарации полиминерального сырья. В ходе выполнения ра- боты были проведены: литературный обзор по теме исследования, опыты флотации черносланцевого сырья, статистическая обработка полученных результатов, расчет коэффициентов и сравнительный анализ полученных моделей. В результате литературного обзора было установлено, что все предлагаемые модели могут быть разделены на две группы, отличающиеся подходом к созданию моделей. Модели первой группы основываются на физико-химических аспектах протекания флотационного акта. Модели второй группы являются эмпирическими и, как прави- ло, учитывают только время протекания процесса. Для инициализации вида модели,

798 na-journal.ru Технические науки

были проведены опыты флотационного обогащения черносланцевого сырья. Опыты флотации проводились в лабораторной флотомашине с отбором концентратного про- дукта через пять временных интервалов. Полученные данные по извлечению зольного продукта подвергались статистической обработки с целью нахождения неизвестных коэффициентов модели К.Ф. Белоглазова и уравнений интегрального метода с поряд- ками от 0,5 до 2. Так же исследовалась возможность подбора регрессионной модели с использованием специализированных компьютерных пакетов. В качестве крите- рия отбора наиболее оптимальной функции был выбран коэффициент детерминации и значения стандартной ошибки. При близких значениях показателей статистиче- ские модели сравнивались по информационному критерию Акаике. Abstract: This research paper is devoted to systematization and generalization of existing approaches to modeling the flotation kinetics and initializing the type of function obtained during the separation of polymineral raw materials. The authors conducted a literature review, carried out experiments on flotation of black shale raw materials, statistical processing of the results, calculated coefficients and carried out a comparative analysis of the obtained models. As a result of the literature review, it was found that all the proposed models can be divided into two groups, differ in their approaches to the creation of models. Models of the first group are based on the physical and chemical aspects of the flotation act. Models of the second group are empirical and generally consider only the time of the process. To initialize the type of the model, experiments of flotation of black shale raw materials were carried out. Flotation experiments were carried out in a laboratory flotation machine with the selection of the concentrate product at five time intervals. The data obtained by extracting the ash of the product were subjected to statistical treatment with the aim of finding the unknown coefficients of the K. F. Beloglazov model and equations of integral method with the orders from 0.5 to 2. The possibility of regression model selection using specialized computer packages was also investigated. As a criterion of selection of the optimal features have been selected the determination coefficient and values of standard errors. At close values of indicators, statistical models were compared according to the Akaike information criterion. Ключевые слова: Черные сланцы, кинетика флотации, моделирование, регрессия, уравнение Белоглазова. Keywords: Black shale, flotation kinetics, modeling, regression, Beloglazov equation.

Введение Исследование кинетики флотации является одной из главных задач в тео- рии и практике современного обогащения, которой посвящено множество работ как отечественных, так и зарубежных исследователей [1–4], пред-

г. Самара 799 Научный аспект №4 2018 том 7

лагающих теоретические и эмпирические зависимости для определения качественно-количественных характеристик флотационного разделения. На данный момент универсальной модели, удовлетворительно описываю- щей протекание процесса не существует, ввиду наличия многих влияющих факторов [5]. Обзор материалов по тематике исследований позволил условно вы- делить две группы моделей: фундаментальные (основанные на физико- химических аспектах протекания флотационного акта); эмпирические (полученные для конкретных данных путем регрессионной обработки). Модели первой группы часто требуют определения одного (модель Бело- глазова [6] и др.), двух (модели Klimpel, Kelsall [7–8] и др) и более (Гамма модель [9]) дополнительных параметров процесса, что вызывает трудности при расчетах. Модели второй группы удобны для практического примене- ния, так как не требуют проведения дополнительных замеров, но коэффи- циенты в данных уравнениях лишены какого-либо физического смысла. Одним из основных законов, применяемых при выводе уравнения ки- нетики флотации, является закон действия масс. На основе этого закона К.Ф. Белоглазовым была предложена модель, представляющая собой экс- поненциальную функцию и с порядком равным единице [6]: ε= −e−kt где k — константа, учитывающая свойства аппарата, концентрацию флотореагента, характер движения частиц и пузырьков (константа скоро- сти); ε — выход минерала в концентрат (извлечение). Из достоинств данной модели следуют отметить легкость нахождения константы k путем линеаризации полученных зависимостей. Недостатком данного уравнения является то, что оно было выведено для мономине- ральной и монодисперсной суспензии при условии постоянности ее фло- тируемости, что приводит к существенному различию между эксперимен- тальной и теоретической кривыми. Среди альтернативных подходов хорошие результаты сходимости по- казывает т.н. интегральный метод обработки экспериментальных данных. Этот метод предусматривает определение вида кинетических уравнений в форме зависимости извлечения от времени, по аналогии с кинетикой химической реакции [10].

800 na-journal.ru Технические науки

Построение эмпирических моделей удобно осуществлять в специали- зированных программах (CurveExpert, DataFit, Minitab и т.д. [11]). Такие программы, как правило, содержат базу моделей, что позволяет осущест- влять быструю автоматическую обработку опытных данных. Как правило наиболее точными, со статистической точки зрения, являются полиномы высоких порядков, но они не отражают физическую сущность моделируе- мого процесса и их использование для прогнозирования результатов, даже внутри рассматриваемого диапазона может привести к существенным ошибкам. Целью данной работы являлась попытка обобщения существующих подходов и инициализация вида функции кинетики флотации. При этом последовательно решались следующие задачи: литературный обзор по теме исследования, проведение опытов флотации, статистическая обра- ботка полученных результатов, расчет коэффициентов и сравнительный анализ полученных моделей.

Методы В качестве объекта исследования были отобраны две представительные пробы диктионемовых сланцев (Ленинградская обл.). Выбор сланцев, как объекта исследований обусловлен важность данного объекта, как источ- ника стратегических металлов, таких как благородные, редкие, рассеян- ные и цветные металлы [12–14]. Схема проведения исследования приведена на рис. 1. Опыты прово- дились на лабораторной флотомашине. В качестве флотационных реа-

гентов использовались: Na2CO3, Na2SiO3, керосин, МИБК. Временные промежутки контрольных отборов составили 1, 3, 7, 12 и 30 мин от начала процесса.

Результаты и обсуждения По форме полученных кинетических зависимостей, сложно сделать вы- вод о виде кинетической зависимости. Для инициализации вида модели по полученным данным последовательно определялись константы для уравнения К.Ф. Белоглазова, константы моделей при интегральном ме- тоде обработки, а также применялось специализированное программное

г. Самара 801 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис. 1. Схема проведения опыта по кинетике флотации черносланцевого сырья

обеспечение для подбора регрессионной зависимости. В качестве крите- рия отбора оптимальной функции был выбран коэффициент детермина- ции — R2. Использование данного параметра в качестве критерия отбора допустимо, ввиду наличия в рассматриваемых функциях только одного предиктора — времени флотации t. Опытные и смоделированные данные представлены в таблице 1 и на рисунке 2.

Таблица1. Результаты опытов и расчета по кинетическим моделям

Кинетические модели t, № ε,% Интегральный метод: порядок сек Модель Кривая К.Ф. Белоглазова Hoerl 0,5 1 1,5 2 1 60 13,58 4,32 14,07 19,48 15,26 13,74 13,48 2 180 28,08 12,40 27,25 26,30 25,88 27,39 29,39 3 420 42,47 26,58 43,10 36,24 38,88 42,20 44,35 4 720 55,07 41,13 54,85 46,49 50,38 53,04 52,74 5 1800 67,90 73,40 67,91 77,13 78,25 72,37 62,71 R2 0,809 0,999 0,886 0,965 0,997 0,998 Стандартная 10,842 0,08 0,7 0,14 0,03 0,01 ошибка

802 na-journal.ru Технические науки

Рис. 2. Результаты проведенных опытов и смоделированные зависимости

По данным таблицы 1 видно, что уравнение Белоглазова не удовлет- ворительно описывает зависимость извлечения и непригодно для прогно- зирования показателей. Стоит отметить, что значения R2=0,809 удалось добиться путем минимизации квадратов отклонений с использованием симплекс-метода поиска решений. Определение коэффициента k, как тангенса угла наклона линеаризованной зависимости приводило к умень- шению точности и ухудшению статистических показателей, что свидетель- ствует об отклонении экспериментальной зависимости от формы кривой предполагаемой моделью. Применение интегрального метода обработки данных позволило уве- личить точность прогнозирования по сравнению с «классической» мо- делью. Рост порядка кинетического уравнения приводит к возрастанию коэффициента детерминации на 0,112 с одновременным уменьшением стандартной ошибки до 0,01, но как видно из рис. 2 при увеличении вре- мени флотирования разница между экспериментальными данными и ре- грессионной кривой возрастает, а погрешность превышает уровень в 5%

г. Самара 803 Научный аспект №4 2018 том 7

(время t=1800 сек), что может привести к ошибкам прогнозирования и за- нижению извлечения ценного компонента. Наилучшие результаты были достигнуты при использовании специ- ализированных пакетов, осуществляющих регрессионную обработку. При анализе данных из перебора были исключены полиномы высоких степе- ней (более 2), так как несмотря на высокий коэффициент детерминации таких моделей, кривая имеет «синусоидальный» вид на и не может быть использована для прогнозирования. Для подбора наиболее подходящего уравнения были проанализированы более 67 моделей. Отбор моделей про- исходил по величине коэффициента детерминации и стандартной ошиб- ке. При близких значениях показателей статистические модели сравнива- лись по информационному критерию Акаике. Из рассмотренных моделей наибольшую точность показала модель Hoerl: ε=ab ⋅tc ⋅ t Коэффициенты найденной модели a=1,05; b=0,9996; с= 0,6389. Коэф- фициент детерминации — 0,99; стандартная ошибка — 0,833. Форма кри- вой не имеет ярко выраженных перегибов и изломов между точками и со- ответствует физической сущности протекания реального процесса.

Заключение В результате выполненного исследования были инициализированы ки- нетические кривые флотационного разделения черносланцевого сырья. Установлено, что несмотря на высокий коэффициент детерминации (по шкале Чеддока) использование модели Белоглазова плохо пригодно для точного прогнозирования флотации полиминерального сырья. Весьма высокие показатели дало использование интегрального метода обработки. Метод позволяет существенно повысить точность моделирования исполь- зуя при этом сравнительно простую методику расчета. Наиболее точную модель удалось получить при использовании специализированного про- граммного обеспечения и перебора возможных моделей по базе данных. С практической точки зрения наиболее «удобным» следует признать ин- тегральный метод, точность которого может быть повышена разбитием полученной кривой на участки, каждый из которых может быть описан своей зависимостью.

804 na-journal.ru Технические науки

Благодарности Работа выполнена под руководством зав. каф. ОПИ Горного Университе- та, д.т.н., проф. Александровой Татьяны Николаевны. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект№ 16–05–00460 А).

Список литературы

1. Белоглазов И. Н. Уравнение кинетики флотационного процесса // За- писки горного института.— 2008 — № 177 — c. 129–132. 2. Vinnett, L., Alvarez-Silva, M., Jaques, A., Hinojosa, F., Yianatos, J. Batch flotation kinetics: Fractional calculus approach // Minerals Engineering, 2015, 77, pp. 167–171. DOI: 10.1016/j.mineng.2015.03.020. 3. Albijanic, B., Subasinghe, N., Park, C.H. Flotation kinetic models for fixed and variable pulp chemical conditions // Minerals Engineering, 2015, 78, pp. 66–68. DOI: 10.1016/j.mineng.2015.04.010. 4. Bu, X., Xie, G., Peng, Y., Ge, L., Ni, C. Kinetics of flotation. Order of process, rate constant distribution and ultimate recovery // Physicochemical Problems of Mineral Processing, 53 (1), 2017, pp. 342–365. DOI: 10.5277/ ppmp170128. 5. Рубинштейн Ю.Б. Кинетика флотации / Ю.Б. Рубинштейн, Ю.А. Фи- липов // М.: Недра, 1980.3. 6. Белоглазов К. Ф. Кинетика флотационного процесса //Тезисы докла- дов сессии по физико-химическим проблемам обогащения. М.: Метал- лургиздат, 1938. 7. Kelsall, D. F. Application of probability assessment of flotation systems // Transactions, American Society of Mining and Metallurgical Engineers, 1961, 70, pp. 191–204. 8. Klimpel, R. R., 1980. Selection of chemical reagents for flotation. In: A. Mular, R. Bhappu Eds.., Mineral Processing Plant Design, 2nd edition. SME, Littleton, CO, pp. 907–934. 9. Loveday, B.K., 1966. Analysis of froth flotation kinetics // Transactions, American Society of Mining and Metallurgical Engineers, 1966, 75, pp. C219-C225.

г. Самара 805 Научный аспект №4 2018 том 7

10. Amelunxen, P., Runge, K. Innovations in froth flotation modeling // Mineral Processing and Extractive Metallurgy: 100 Years of Innovation, 2014, pp. 177–192. 11. Александрова Т. Н., Арустамян К. М., Романенко С. А. Применение математических методов анализа при оценке мировой практики селек- тивной флотации медно-цинковых и колчеданно-полиметаллических руд //Обогащение руд.— 2017.— № . 5. — С. 21–27. 12. Александрова Т. Н., Панова Е.Г. Технологические аспекты извлечения благородных и редких металлов из углеродсодержащих пород //Запи- ски Горного института.— 2016. — Т. 217. — С. 72–79. 13. Aleksandrova, T.N., Nikolaeva, N.V., Potemkin, V.A. Beneficiation of carbonaceous rocks: New methods and materials // (2019) Innovation-Based Development of the Mineral Resources Sector: Challenges and Prospects — 11th conference of the Russian-German Raw Materials, 2018, pp. 391–398. 14. Гурман М. А., Щербак Л. И. Флотационное обогащение бедной золото-и углеродсодержащей руды //Горный журнал.— 2017.— № . 2. — С. 70–74.

УДК 622.7 Исследование методов неразрушающего контроля для определения прочности и абразивности на примере полиметаллической руды

Крижановская Дарья Игоревна студентка Санкт-Петербургского горного университета

Ковалева Александра Александровна студентка Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: В статье приведены исследования по анализу и выявлению математиче- ских зависимостей между величиной звукового индекса и показателем абразивности материала. На основании этих данных были выполнены статистические анализы, по-

806 na-journal.ru Технические науки

строены графики и получены уравнения зависимостей, которые показывают хорошую сходимость между параметрами. Abstract: This paper discusses analysis and detection of mathematical relations between the sound index and abrasive ability of the material. Based on the data statistical analyses were conducted. The authors built diagrams and obtained equations of dependence which show good matching between the parameters. Ключевые слова: Рудоподготовка, золотосодержащие руды, полусамоизмельчение, моделирование, компьютерный пакет JKSimMet, математические модели, физико- механические свойства. Keywords: Ore preparation, gold-bearing ores, semi-autogenous grinding, modeling, JKSimMet, mathematical models, physicomechanical properties. Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской федерации № МК‑ 1253.2017.5.

В связи с необходимостью повышения эффективности рудоподготовки для вновь строящихся и модернизирующихся обогатительных фабрик увеличивается потребность в быстром и достоверном анализе физико- механических свойств руд полезных ископаемых [1–3]. Для максимально близкого (точного) расчёта оборудования недостаточно только теоретиче- ских исследований, необходимо проведение лабораторных, полупромыш- ленных и промышленных исследований. Хотя, необходимо отметить, что ценность теоретических исследований заключается в том, что они указы- вают как влияют отдельные условия на работу аппарата [2–5]. Для оптимального выбора дробилок и мельниц проводится целая серия лабораторных опытов: определение плотности, ударный тест Бонда, тест на абразивность руды и т.д. Данные методы определения физико- меха- нических свойств материалов являются наиболее распространенными как в России, так и за рубежом [6]. Методика исполнения опытов проста, од- нако трудоемка. Следовательно, применение экспресс — методов оценки разрушаемости материала позволяют повысить скорость проведения ис- следований и повысить их точность. Использование приборов неразруша- ющего контроля прочности или дефектоскопов в качестве экспресс-мето- да оценки разрушаемости материала является достаточно перспективным.

г. Самара 807 Научный аспект №4 2018 том 7

В рамках данной работы были проведены исследования для установле- ния зависимости между индексом абразивности (AI) и звуковым индек- сом. В качестве объекта исследования была взята медно- порфировая руда (рис. 1). В таблице 1 представлены основные качественные свойства, ха- рактерные для данного типа руды.

Рис. 1. Богатый образец медно-порфировой руды

Таблица 1. Основные свойства руды

Свойство Характеристика Плотность (г/см3) 2,77 Главные минералы пирит, халькопирит, халькозин, борнит, молибденит Текстура прожилково-вкрапленная Структура штокверки изометричной, удлинённой или сложной формы

Исследования физико-механических свойств проводились на уста- новке для определения индекса абразивности в соответствии со стандар- том Ф.C. Бонда LM-BAT1000 и с применением ультразвукового прибора «Пульсар 2.1».

808 na-journal.ru Технические науки

Необходимо отметить, что скорость распространения ультразвуковой волны в материале зависит от его плотности и упругости, от наличия де- фектов (трещин и пустот), определяющих прочность. Для того, чтобы настроить прибор для работы с медно-порфировой ру- дой, проведены испытания образцов породы. При измерении звукового индекса необходимо задавать коэффициент в соответствии с формулой:

V ЗИ =⋅K 100 где ЗИ — звуковой индекс; V — числовое значение скорости ультразвука; K — безразмерный коэффициент Для нахождения корреляции между данными абразивного теста и по- казаниями прибора «Пульсар 2.1» образцы были разбиты на три группы: с высоким, средним и низким значением звукового индекса абразивно- сти. В таблицу 2 внесены результаты прозвучивания образцов прибором «Пульсар 2.1»

Таблица 2. Данные AI и прозвучивания на звуковой индекс.

Показатель AI C, звуковой индекс Номер группы I 0,066917 41,77 II 0,24395 51,93 III 0,261783 62,10

На рисунке 2 показана зависимость между величиной звукового индек- са и показателем абразивности материала. Выполненные исследования показали, что результаты абразивного те- ста и результаты ультразвукового прозвучивания имеют высокую степень корреляции, что, в свою очередь, может говорить о корректном перехо- де от результатов одного теста к результатам другого без дополнительных исследований, затрат времени, а также сократить финансовые издержки,

г. Самара 809 Научный аспект №4 2018 том 7

Рисунок 2. Зависимость между величиной звукового индекса и показателем абразивности для медно-порфировой руды

а также позволит получить более детальную и подробную информацию о прочностных свойствах руды на этапе изучения и проектирования ци- клов рудоподготовки. Стоит отметить, что полученные с использованием прибора «Пуль- сар 2.1» данные с помощью математико-статистического моделирования (корреляционный, факторный анализы и т.д.) возможно в дальнейшем использовать для прогнозирования физико-механических свойств горных пород, а также свойствами продуктов дробления.

Список литературы

1. Линч А. Дж. Циклы дробления и измельчения. Моделирование, опти- мизация, проектирование и управление: пер. с англ. — М.: Недра, 1981. C. 19–22. 2. Мельникова Т.Н., Ятлукова Н.Г., Литвинова Н.М. К вопросу оптимиза- ции процесса измельчения руд. Обогащение руд. 2006. № 4. С. 5–7. 3. Таранов В.А., Николаева Н.В. Систематизация прочностных свойств руды для обоснования рациональных параметров процесса измельче- ния. Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-тех- нический журнал). 2015. № S1–4. С. 254–262.

810 na-journal.ru Технические науки

4. Литвинцев В. С., Мельникова Т.Н., Ятлукова Н.Г., Литвинова Н.М. Механоактивация в процессах рудоподготовки. Горный журнал. 2006. № 6. С. 95–96. 5. Таранов В.А., Баранов В.Ф., Александрова Т.Н. Обзор программ по мо- делированию и расчету технологических схем рудоподготовки. Обога- щение руд. 2013. № 5 (347). С. 3–7. 6. Николаева Н.В., Таранов В.А., Афанасова А.В. Исследование проч- ностных свойств руды при проектировании циклов рудоподготовки. Горный журнал. 2015. № 12. С. 9–13.

УДК 004.4 Применение методов вычислительной гидродинамики при моделировании реологических свойств суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья

Потемкин Вадим Александрович аспирант кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета

Хасенов Асхат Маратович студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Потапов Сергей Дмитриевич студент кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: В статье представлен краткий обзор основных пакетов для модели- рования реологических свойств суспензий процессов переработки минеральных руд и углеводородного сырья. Рассмотрены пакеты вычислительного гидродинамического моделирования среди которых программные комплексы: COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM +, NeiNastran.

г. Самара 811 Научный аспект №4 2018 том 7

Abstract: The paper provides a brief overview of the main packages for modeling rheological properties of suspensions after mineral ore and hydrocarbons processing. The computational hydrodynamic modeling packages, including software packages COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM +, NeiNastran are described. Ключевые слова: Моделирование, программное обеспечение, вычисления, гидродина- мика, реология, суспензия, обогащение, углеводородное сырье, COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM +, NeiNastran. Keywords: modeling, software, calculations, hydrodynamics, rheology, suspension, mineral processing, hydrocarbon raw materials, COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM +, NeiNastran.

В настоящее время инновационное развитие техники и технологии в об- ласти обогащения невозможно представить без применения методов вы- числительной гидродинамики. Методы вычислительной гидродинамики (далее CFD от англ. Computational fluid dynamics), известны довольно дав- но, но ввиду сложности математического аппарата, до последнего време- ни широко не применялись в горно-перерабатывающей области. В насто- ящее время, благодаря стремительному развитию цифровых технологий СFD, постепенно, становится все более доступным инструментом для ши- рокого круга исследователей, о чем свидетельствует рост количества науч- ных работ по применению данных методов для исследований и разработок [1,2]. Возможность «заглянуть» внутрь аппарата или процесса и непосред- ственно наблюдать за распределением сред внутри объема, возможности в широких пределах оптимизировать процесс варьируя множественные факторы все это делает программное обеспечение, реализующее методы CFD незаменимым инструментом в руках исследователя. Программное обеспечение CFD для промышленного применения су- ществует уже более 30 лет. Первые попытки создания программных ко- дов, базирующихся на методах CFD были в 70-х годах, когда профессор Брайан Сполдинг основал консалтинговую компанию Concentration, Heat&Momentum Limited (CHAM Ltd). Компанией CHAM в 1981 году был разработан один из первых коммерческихпакетов CFD под названием PHOENICS. Чуть позже компанией Fluid Dynamics International (США) был выпущен пакет FIDAP (1982 год), на основе метода конечных элемен-

812 na-journal.ru Технические науки

тов (FEM), а CreateInc (США) выпустила программное обеспечение CFD на основе метода конечных объемов (FVM) Fluent в 1983 году. В 1980 году доктор CW (Тони) Хирт основал FlowScience (США) как филиал Нацио- нальной лаборатории Лос-Аламоса, а в 1985 году выпустил программное обеспечение для моделирования течений со свободной поверхностью, ис- пользуя метод конечных объёмов — Flow‑3D [2]. Основными особенностями первого программного обеспечения CFD были примитивный пользовательский интерфейс для ввода данных, нека- чественная графика и низкие вычислительные ресурсы. Эти ограничения привели к очень высоким требованиям для пользователя при моделирова- нии геометрии и физики. Однако в начале 1990-х условия для CFD и про- граммного обеспечения для моделирования изменились довольно быстро. Вычислительные методы, такие как многосеточные методы, динами- ческие сетки стали доступными для использования, а также более надеж- ными, гибкими и широко применимыми для моделирования физических процессов. В результате появились такие новые области применения CFD как химическая и горно-перерабатывающая промышленность. Обогаще- ние полезных ископаемых охватывает широкий спектр деятельностии многиевключают сложный поток жидкости, тепло и массообмен внутри различных сред. CFD моделирование и оптимизация процессов класси- фикации, сепарации и фильтрация позволяет с большей эффективностью и значительной экономией времени производить отладку режимов работы обогатительного оборудования и производить управляемое перераспреде- ление потоков в зависимости от требований производства, а также моде- лировать реологические параметры пульп с учетом минералого-техноло- гических свойств материала. Обзор публикаций в области моделирования реологических свойств пульп показал, что наибольшее распространение, среди современных ре- шенийимеют программные комплексы: COMSOL Multiphysics, ANSYS Fluent, OpenFOAM, STAR-CCM +, NeiNastran. Ниже будут рассмотрены основные преимущества данных программ. COMSOL Multiphysics — это универсальная программная платформа для моделирования различных физических процессов. [1]. Это программ- ное обеспечение позволяет решать системы нелинейных дифференци-

г. Самара 813 Научный аспект №4 2018 том 7

альных уравнений в частных производных методом конечных элементов в одном, двух и трех измерениях. Наибольший интерес, с точки зрения обогатительных процессов представляют возможности программы в об- ластях: расчета межфазной поверхности при изучении флотационных свойств (рис. 1), течения в пористых средах при изучении, например, про- цесса фильтрации и моделирование теченияпри перекачке центробежны- ми насосами.

Рис 1. Модель трехфазной системы, построенная с помощью интерфейса Three- Phase Flow, Phase Field (Трехфазная система, метод фазового поля)

OpenFOAM — это бесплатное программное обеспечение CFD с откры- тым исходным кодом, которое обладает широким спектром возможностей для решения любых задач — от моделирования сложных потоков жидкости (рисунок 3), связанных с химическими реакциями, турбулентностью и те- плопередачей, до механики твердого тела и электромагнетизма. [4]. Явля- ясь бесплатным решением OpenFOAM используется как база для вычис- ления с помощью других инструментов, например таких как CFDTool™. CFDTool ™ — это набор инструментов MATLAB® Computational Fluid Dynamics (CFD) для моделирования и симуляции потоков жидкости с со- пряженным теплообменом (рис. 2) [4].

814 na-journal.ru Технические науки

Основанный на FEA Tool Multiphysics ™, CFDTool специально разра- ботан для того, чтобы максимально облегчить моделирование динамики жидкости и теплообмена. Набор инструментов CFDTool MATLAB вклю- чает в себя следующие функции: автоматическая генерация сетки и сет- ки, моделирование потоков вязкой несжимаемой жидкости (уравнения Навье-Стокса); сжимаемые невязкие потоки (уравнения Эйлера); моде- лирование ламинарных и турбулентных течений (модели турбулентности k-эпсилон и k-омега); постобработка и визуализация полученных данных.

Рис 2. Моделирование реологических свойств потока в CFDTool™[4]

Эффективным инструментом для моделирования гетерогенных сред с применением методов вычислительной гидродинамики является широ- ко распространенный программный комплекс ANSYS Fluent. Это мощ- ный решатель задач для объектов, представляющих собой области, в ко- торых протекают гидродинамические и обменные процессы (рис. 3) [5]. Программное обеспечение ANSYS Fluent содержит широкие возможности физического моделирования, необходимые для моделирования потока, турбулентности, теплообмена и реакций.

г. Самара 815 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 3. Изоповерхности газовой дисперсной фазы в камере флотомашины

Пакет обладает следующими возможностями: 2D осесимметричное мо- делирование с вихрями и трехмерными потоками; использование неструкту- рированной сетки; моделирование стационарных или переходных течений; симуляция всех скоростных режимов; моделирование невязких, ламинар- ных и турбулентных течений; моделирование течения ньютоновской и не- ньютоновской жидкости. Среди перечисленных программных продуктов программный модуль ANSYS Fluent обладает самым широким спектром воз- можностей моделирования потока жидкости и газа для промышленного при- менения с учетом турбулентности, теплообмена, химических реакций. Было доказано, что при правильных действиях пользователя в процессе модели- рования использование коммерческого программного обеспечения ANSYS Fluent может привести к экономии времени и затрат при проектировании [5]. Значительные успехи в области виртуальных технологий и электронных отчетов позволяют инженерам делать необходимые оценки и суждения по данному инженерному замыслу. В ближайшем будущем в промышленности CFD проектирование выйдет на одну из ведущих позиций позволяя реали- зовывать принцип «разработки с нулевым прототипом». Дальнейшее разви- тие CFD программ будет направлено на объединение множество различных

816 na-journal.ru Технические науки

моделей, описывающих тот или иной аспект процесса, в одну комплексную модель, а также в сокращении времени расчета. Несмотря на преимущества моделирования методами CFD, следует помнить и об погрешностях в вы- числениях. Визуализация численных решений с использованием векторов, контуров или анимационных фильмов нестационарных потоков — безус- ловно, самый эффективный способ интерпретации огромного количества данных, полученных в результате численного расчета [6–10]. Однако, любые полученные числовые результаты всегда должны быть тщательно изучены, прежде чем будут использоваться на практике. Следовательно, пользователь CFD должен, прежде всего, изучить теоретические аспекты и зависимости изучаемого процесса, а также научиться правильно анализировать получен- ные данные и делать критические суждения о вычисленных результатах.

Благодарности Авторы выражают благодарность зав. каф. ОПИ Горного Университета, д.т.н., проф. Александровой Татьяны Николаевны, а также руководите- лю гранта доц. каф. ОПИ Горного Университета, к.т.н., Ромашеву Артёму Олеговичу. Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Фе- дерации МК МК‑5915.2018.5.

Список литературы

1. Tu J., Yeoh G. H., Liu C. Computational fluid dynamics: a practical approach. — Butterworth-Heinemann, 2018. 2. Александрова Т. Н., Арустамян К. М., Романенко С. А. Применение математических методов анализа при оценке мировой практики селек- тивной флотации медно-цинковых и колчеданно-полиметаллических руд //Обогащение руд.— 2017.— № . 5. — С. 21–27. 3. Weinhold I., Parry J. The third wave of CFD //2013 NAFEMS World Congress, Salzburg, Austria.— 2013. 4. CFDTool™ — An Easy to Use CFD Toolbox for MATLAB® // GitHubURL: https://github.com/precise-simulation/cfdtool/blob/master/README.md (дата обращения: 17.12.2018)

г. Самара 817 Научный аспект №4 2018 том 7

5. Скороходов В. Ф. и др. Применение методов вычислительной гидроди- намики к исследованию и анализу процессов разделения минералов // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых.— 2013.— № . 3. — С. 179–187. 6. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry.— 2016. — Т. 5. — С. 68–70. 7. Александрова Т. Н., Панова Е.Г. Технологические аспекты извлечения благородных и редких металлов из углеродсодержащих пород //Запи- ски Горного института.— 2016. — Т. 217. — С. 72–79. 8. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry.— 2016. — Т. 5. — С. 68–70. 9. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Semenikhin D. N. Mineral and technological aspects and promising methods for intensifying enrichment of sulfide gold-bearing ore //Metallurgist.— 2015. — Т. 59.— № . 3–4. — С. 330–338. 10. Андреев Е. Е., Львов В. В., Ромашев А. О. Влияние реологии пульпы на показатели работы гидроциклонов в циклах мокрого замкнутого из- мельчения //Горный журнал.— 2011.— № . 2. — С. 42.

818 na-journal.ru Технические науки

УДК 544

Обзор воздействий для управления реологическими свойствами суспензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья

Корчевенков Степан Алексеевич кандидат технических наук, заведующий лабораторией кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета

Афанасова Анастасия Валерьевна аспирант кафедры Обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета.

Аннотация: Данная научная работа посвящена обзору физико-химических воздей- ствий для управления структурообразованием и реологическими свойствами су- спензий в процессах переработки минерального и углеводородного сырья. На сновании проведенного литературного обзора было установлено, что наиболее эффективными способами изменения реологических свойств пульпы являются температурные, уль- тразвуковые, ультрафиолетовые, магнитные и механохимические воздействия. Abstract: This paper reviews physical and chemical effects for managing structure formation and rheological properties of suspension in the processing of minerals and hydrocarbons. The results of the literature review showed that the most effective way to change rheological properties of pulp is temperature, ultrasound, ultraviolet, magnetic, and mechanical and chemical exposure. Ключевые слова: Вязкость, реологические свойства, воздействия, пульпа. Keywords: Viscosity, rheological properties, impacts, pulp.

г. Самара 819 Научный аспект №4 2018 том 7

Важность реологии в горнодобывающей промышленности обусловлена тем, что все перерабатываемые материалы представляют собой суспензии, то есть смеси твердых частиц и жидкостей, как правило, в воде. На обо- гатительных фабриках, вода смешивается с рудой до образования пульпы, которая является питанием мельницы. Слив мельницы снова смешивает- ся с водой для того, чтобы отрегулировать содержание твердогодля эффек- тивного классифицирования в гидроциклоне. При классификации в ги- дроциклоне, с увеличением вязкости среды общая производительность гидроциклона возрастает. Например, для гидроциклона диаметром 15 мм при одинаковом напоре повышение вязкости с 0,95 до 4,15 сП вызыва- ет увеличение производительности в 1,18 раза [5]. Вязкость среды влияет также и на распределение объемов жидкости (или суспензии), уходящих через песковое или сливное отверстие. Важную роль вязкостные свойства играют и в основных процессах обогащения полезных ископаемых. Например, одна из главных проблем в тяжелосредной сепарации — прогнозирование поведения рудной части- цы в суспензии. Как правило, измеряют кажущуюся вязкость суспензии и рассчитывают конечную скорость рудной частицы из этого значения вязкости. Однако это может быть неправильным для неньютоновских жидкостей, для которых вязкость не является простой функцией[2].Уста- новлено, что выше значений вязкости 3,2–3,4 Н/м2 находится область пластической вязкости, при которой разделение в суспензии частиц по плотности резко ухудшается. В работах [9–11] получено, что при увели- чении вязкости пульпы, для углеводородов, имеющих различный состав, структуру и величину молекул, характерно усиление гидрофобизирующих свойств. Все вышеперечисленное указывает на то, что управление реологиче- скими свойствами в значительной мере позволяет интенсифицировать процессы сепарации и рудоподготовки. Эйнштейном, а впоследствии Вандом были предложены формулы для расчета вязкости бесструктурных суспензий в зависимости от объемной концентрации утяжелителя в суспензии. Вязкость суспензий при низкой концентрации может быть смоделирована полиномиальным расширени- ем уравнения Эйнштейна [7]:

820 na-journal.ru Технические науки

Формула Эйнштейна справедлива для VТ ≤÷35%:

µ=µ0 (1 − 15 ,VT ),

где µ0 – коэффициент вязкости воды ( µ0 = 0,001 Па·с), Vt — объемная концентрация утяжелителя в суспензии.

Формула Ванда справедлива дляVТ ≤ 40( 50 )%: 23 µ=µ0 (1 − 2 , 5VT + 7 , 349 VV TT + 16 , 2 ). При более высоких концентрациях суспензии имеют Неньютоновское поведение. Несколько уравнений описывают это поведение; одним из наиболее часто используемых является уравнение Кригера Догерти (1972), в котором вязкость зависит от максимальной размера частиц:

V T aV+ Tvax µ=µ0 (1 + ), VT max

где Vtмакс — максимальная концентрация частиц в суспензии. Недостатком данных формул является то, что вних учитывается только содержание твердых частиц в пульпе, а влияние других факторов компен- сируется вводом коэффициентов. В последние годы обширные исследования проводятся по использова- нию энергетических воздействий (рис. 1) таких как: температурные, уль-

Рис 1. Влияние факторов на изменение вязкости пульпы

г. Самара 821 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 2. Лабораторная установка ультрафиолетового облученияв лаборатории кафедры обогащения полезных ископаемых Санкт-Петербургского горного университета

тразвуковые (рис. 3), ультрафиолетовые (рис. 2), механохимические, маг- нитные и др. [1]. Одним из наиболее часто используемых способов изменения вязкости является температурное воздействие. Экспериментально установлено, что с увеличением содержания твердого в питании гидроциклона и понижени- ем температуры вязкость пульпы постепенно возрастет. В ходе проведения экспериментов установлено, что вязкость жидкости меняется в пределах от 0,70 мПа при температуре 55,1 градус до 1,92 мПа при температуре 17,3 мПа. Одним из эффективных способов интенсификации технологических процессов в жидкой среде является ультразвуковое воздействие на нее. Положительное влияние ультразвукового воздействия на пульпу в основ- ном сводится к двум процессам — очистке поверхности и разрушению сростков и частиц с дефектами на более мелкие. Оба эффекта способству- ют повышению эффективности флотационного разделения различных минералов, что может также снизить расход реагентов. Также кавитация может оказывать и специфическое воздействие на минералы и реагенты,

822 na-journal.ru Технические науки

Рис. 3. Лабораторная установка ультразвука ИНЛАБ И100-6/1-1 в лаборатории кафедры обогащения полезных ископаемых Горного университета

что иногда способно привести к синергетическим эффектам при прохож- дении химических реакций [6]. Исследования проводились на модельной смеси, состоящей из воды. Наложение ультразвукового воздействия осуществлялось на УЗ уста- новке ИНЛАБ И100–6/1–1 в течении различных промежутков времени с последующей фиксацией коэффициента вязкости на вискозиметре SV 10 производства компании A&D (Япония). Результаты приведены на ри- сунках 3–4. На основании полученных результатов можно сделать выводы о нали- чии некой функциональной зависимости, связывающей как временные так реологические параметры. Максимально возможное воздействие УЗ при данных параметров наступает после 15 минут обработки. Дальнейшая обработка практически не меняет значение вязкости. Данные представ- ленные на рис. 4 показывают, что с увеличением времени обработки УЗ разрушает внутренние связи в различной степени и после прекращения воздействия структура восстанавливается с различной скоростью[4,6,8].

г. Самара 823 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 4. Результаты обработки образцов

Воздействие магнитными полями для повышения эффективности процесса флотации минералов пристально изучается многими специали- стами в различных странах, в том числе и в России. Такой интерес обу- словлен очевидными плюсами такого рода воздействия. Во-первых, это технологическая простота и безопасность данного метода, во‑вторых, это экономичность его интегрирования в существующие технологии [8]. Суть магнитной обработки заключается в пропускании воды или водных систем (пульпы, растворов реагентов) через наведенные магнитные поля, которые создаются электромагнитами, питаемые постоянным или пере- менным током. При этом напряженность магнитного поля колеблется от десятков до 2–3 тыс. Э. Обрабатываемый материал пропускают по трубе из диамагнитного материала (стекло, пластмасса, асбоцемент и др.), с уста- новленной оптимальной скорость течения [12]. В результате выполненного исследования было изучено влияние раз- личных факторов на изменение вязкости пульпы. В широких пределахиз- менение вязкости удалось достичь, направляя на объекты исследования температурное и ультразвуковое воздействия. Исследования в данной области продолжаются и, в перспективе, могут быть применены в одной

824 na-journal.ru Технические науки

из ключевых областей, обеспечивающих экономическую и сырьевую без- опасность Российской Федерации, а именно при добыче и переработке сырья. Полученные новые знания могут стать предпосылкой к созданию технологий, являющиеся основой инновационного развития России и устойчивого положения на внешнем и внутреннем рынке, а также под- толкнут к переходу к экологически чистой и ресурсосберегающей энерге- тике, повышение эффективности добычи и глубокой переработки углево- дородного сырья.

Благодарности Авторы выражают благодарность зав. каф. ОПИ Горного Университета, д.т.н., проф. Александровой Татьяне Николаевне, а также руководителю гранта доц. каф. ОПИ Горного Университета, к.т.н., Ромашеву Артёму Олеговичу. Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Фе- дерации МК МК‑5915.2018.5.

Список литературы

1. Андреев Е. Е., Львов В. В., Ромашев А. О. Влияние реологии пульпы на показатели работы гидроциклонов в циклах мокрого замкнутого из- мельчения //Горный журнал.— 2011.— № . 2. — С. 42 2. Берт Р. О. Технология гравитационного обогащения. — Рипол Клас- сик, 1990. 3. Вертухов М.В. Гравитационные методы обогащения: учеб для вузов — М.: МАКС Пресс, 2006.— 352с. 4. Першина А. В., Ромашев А. О. Влияние физических свойств железоруд- ной пульпы и геометрических параметров гидроциклона на показатели работы операции гидроциклонирования //Горный информационно- аналитический бюллетень (научно-технический журнал).— 2015.— № . S12. — С. 3–9. 5. Поваров А.И. Гидроциклоны на обогатительных фабриках. -М.: Недра, 1978. 267с. 6. Хмелев В. Н., Цыганок С. Н., Хмелев С. С. Ультразвуковое оборудо- вание для интенсификации технологических процессов в дисперсных

г. Самара 825 Научный аспект №4 2018 том 7

системах с жидкой фазой //Н 766 Новые достижения в химии и хими- ческой технологии растительного сырья.— 2014. — С. 400. 7. Шохин В.Н., Лопатин А.Г. Гравитационные методы обогащения. Учеб- ник для вузов. М., Недра, 1980. 400с. 8. Черных С. И. К вопросу изучения влияния ультразвука, магнитных полей и электрического тока на флотацию золота / С. И. Черных, О. И. Рыбако- ва, Н. M. Лебедев, Т. И. Жирнова // Цветная металлургия № 6, 2003 г., с. 15 9. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry.— 2016. — Т. 5. — С. 68–70. 10. Aleksandrova T., Aleksandrov A., Nikolaeva N. An Investigation of the Possibility of Extraction of Metals from Heavy Oil //Mineral Processing and Extractive Metallurgy Review.— 2017. — Т. 38.— № . 2. — С. 92–95. 11. Aleksandrova T. N., Romashev A. O., Aleksandrov A. V. About modeling of rheological properties of heavy oil suspensions //Oil Industry.— 2016. — Т. 5. — С. 68–70. 12. F. Concha, Solid — Liquid Separation in the Mining Industry, Fluid Mechanics and Its Application 105, DOI: 10.1007/978–3–319–02484–4_10, Springer International Publishing Switzerland 2014.

УДК 537 Влияние деформации на эффект электрического переключения в нановолокнах оксида ванадия

Кириенко Дмитрий Александрович кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник Петрозаводского государственного университета

Березина Ольга Яковлевна кандидат физико-математических наук, доцент кафедры Общей физики Петрозаводского государственного университета.

Аннотация: В представленной работе рассмотрено влияние деформации изгиба на вольтамперные характеристики электрического переключателя на основе наново-

826 na-journal.ru Технические науки

локон оксида ванадия на полимерной подложке. Показано, что при деформации на- новолокон изменяются температуры прямого и обратного фазового перехода диэлек- трик-металл в диоксиде ванадия, что приводит к уширению петли гистерезиса ВАХ переключателя. Abstract: In the present work, the effect of bending deformation on the current-voltage characteristics of an electric switch based on vanadium oxide nanofibers on a polymer substrate is considered. It is shown that during the deformation of nanofibers, the temperature of the direct and reverse phase transitions of the insulator-metal in vanadium dioxide changes, which leads to the broadening of the hysteresis loop of the IVC switch. Ключевые слова: Диоксид ванадия, фазовый переход металл-диоэлектрик, деформа- ция, электроспиннинг. Keywords: Vanadium dioxide, metal-insulator phase transition, strain, electrospinning.

Диоксид ванадия (VO2), как представитель класса оксидов переходных металлов (ОПМ), находит широкое применение в электронике и других областях техники [1–3]. Фазовый переход металл-диэлектрик (ФПМД)

в VO2 и обусловленный им эффект электрического переключения могут быть использованы для создания сенсорных и запоминающих устройств, транзисторов, мемристоров и др. ФПМД в диоксиде ванадия является фа- зовым переходом первого рода, который сопровождается скачкообразным

изменением электрических и оптических свойств при температуре (Tc)

67 °C (для монокристалла VO2). При данной температуре диоксид ванадия переходит из диэлектрической фазы с моноклинной симметрией решет- ки в металлическую с тетрагональной симметрией. В макроскопических

образцах VO2 объемные изменения в процессе ФПМД сопровождаются возникновением упругих напряжений, которые вызывают разрушение об- разца [4]. В связи с этим на практике используются нано- и микроразмер- ные структуры на основе диоксида ванадия, в частности пленки и наново- локна. Полученные низкотемпературными методами нановолокна оксида ванадия, сформированные на полимерных подложках, весьма перспек- тивны для использования в активно развивающемся направлении гибкой электроники. Эффектом электрического переключения (ЭЭП) называют резкое, значительное и обратимое изменение величины проводимости под дей-

г. Самара 827 Научный аспект №4 2018 том 7

ствием протекающего тока. Эффект переключения в диоксиде ванадия хорошо описывается моделью критической температуры [5,6]. Согласно

этой модели, при достижении критического тока Iп, проходящего через

структуру на основе VO2, происходит джоулев разогрев до температуры

прямого фазового перехода (Tп ~Тс) диэлектрик-металл, вследствие чего сопротивление структуры резко падает, а величина установившегося тока I определяется источником напряжения и ограничительным сопротивле-

нием. При снижении значения I до тока поддержания Io, структура осты-

вает до температуры обратного фазового перехода металл-диэлектрик (To),

и сопротивление возрастает. Таким образом значения Iп и Io напрямую за-

висят от Tп и To. При этом Tо меньше Tп из-за наличия гистерезиса зависи- мости сопротивления от температуры в области фазового перехода. Форма и температурное положение петли гистерезиса зависят от условий синтеза, размера структуры, наличия примесей, отклонения состава структуры от стехиометрического. Помимо этого, здесь не малую роль играют и вну- тренние упругие напряжения, возникающие в процессе синтеза и при де- формации оксидных структур, и приводящие к изменению электрофизи- ческих свойств диоксида ванадия. В представленной работе рассмотрено влияние деформации изгиба на температуры прямого и обратного фазо- вого перехода, индуцированного протеканием электрического тока, в на- новолокнах оксида ванадия на полимерных подложках. В работе использованы нановолокна пентаоксида ванадия, получен- ные методом электроспиннинга [7]. Для этого готовился раствор ацети-

лацетонат ванадила VO(acac)2 в метаноле с концентрацией 0.125 моль/л. В полученный раствор добавлялся поливинилпирролидон (PVP, молярная

масса 100000 г/моль) в массовом соотношении PVP: VO(acac)2–3:1. Схема установки для электроспиннинга представлена на рис. 1. Синтез наново- локон производился с помощью шприцевого насоса NE‑300. Параметры синтеза: диаметр иглы — 0.7 мм, расстояние от иглы до коллектора — 15 см, разность потенциалов — 15 кВ, скорость подачи раствора — 0.25 мл/ч. После электроспиннинга для удаления полимера производился от- жиг нановолокон на ситаловой подложке в атмосфере влажного азота при температуре 500 °C в течение 60 минут с последующим нагревом до 600 °C в течение 10 минут. Затем остывшие отожженные нановолокна отделялись

828 na-journal.ru Технические науки

от ситала методом сухого электростатического переноса на положительно электризованную с помощью трения полимерную подложку из каптона размерами 20x20 мм толщиной 300 мкм. Диаметр отожженных волокон, измеренный с помощью сканирующего электронного микроскопа Hitachi SU1510, составлял 180–230 нм.

Рис 1. Схема установки для электроспиннинга. J — шприц, S — алюминиевая подложка-коллектор, d — расстояние между шприцом и подложкой, V– разность потенциалов между шприцом и подложкой, Q — скорость подачи жидкости из шприца

Для формирования подводящих омических контактов поверх нано- волокон через маску были нанесены методом магнетронного напыления золотые электроды. Расстояние между электродами — 10 мкм. Анализ фазового состава отожженных волокон (рис. 2), проведенный методом рентгеновской спектроскопии на дифрактометре Siemens D5000 (СuKα- излучение), свидетельствует об удалении полимера и образовании фаз

пентаоксида ванадия (V2O5). Непосредственно в V2O5 фазовый переход металл-диэлектрик не наблюдается [9]. Для того чтобы сформировать ка- нал в нановолокнах, состоящий из двуокиси ванадия, необходима предва- рительная электроформовка. Процесс электроформования производился путем подачи электрических импульсов прямоугольной формы на золотые контакты образцов. При этом предполагается, что разогрев нановолокон, вызванный протекающим электрическим током, приводит к частичному

восстановлению V2O5 до VO2 в канале протекания тока. Частота (f), скваж-

ность (p) и амплитуда (Ua) импульсов определялись эмпирическим путем

и составили f = 1 кГц, p = 25%, Ua = 110 В.

г. Самара 829 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 2. Дифрактограмма отожженных нановолокон оксида ванадия.

Штрихами показаны Брегговские позиции для V2O5 с параметрами решетки a = 11,48Å, b = 4,36Å, c = 3,55Å.

Схема установки для исследования влияния деформации изгиба на температуры прямого и обратного фазового перехода, индуцированного протеканием электрического тока, в нановолокнах оксида ванадия пред- ставлена на рис. 3а. Каптоновая пленка с нановолокнами и золотыми контактами жестко закреплялась с двух сторон. Изгиб образца осущест- влялся путем сведения концов друг к другу. При условии малой толщи- ны волокон предполагалось, что нановолокна испытывают сжатие, когда центр изгиба находился со стороны контактов, и растяжение, когда центр изгиба — со стороны подложки (рис. 3б). К золотым контактам образ- ца подключали мультиметр KEITHLEY 2410, который выполнял роль источника тока и измерителя разности потенциалов, установившейся на контактах образца. Скорость нарастания тока 2 мкА/с. Изменение температуры образца под действием протекающего тока фиксировалось с помощью устройства на базе пирометра OMRON ES1C-A40, сфокуси- рованного и настроенного для работы с микроразмерными объектами. Погрешность пирометра ±0.5 °C, фиксация температуры производилась каждые 100 мс. Измерения проводились при комнатной температуре 23 °C, с шагом прогиба (D) середины образца относительно недеформи- рованного состояния 2 мм.

830 na-journal.ru Технические науки

Рис 3. Схема установки a) для исследования влияния деформации сжатия (c) и растяжения (t). 1 — Источник тока и измеритель напряжения, 2 — пирометр, 3 — золотые контакты, 4 — нановолокна оксида ванадия, 5 — подложка из каптона, 6 — фиксаторы образца На рис. 4 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) недефор- мированного образца. Наблюдаемые температуры структуры в моменты прямого и обратного переключения сравнимы с температурой, характер- ной для фазового перехода в диоксиде ванадия, что подтверждает факт

восстановления V2O5 до VO2 после электроформования. После ~10 циклов знакопеременных изгибов ветви петли ВАХ образца в неизогнутом со- стоянии становятся более симметричными, а петля чуть более широкой. Можно предположить, что после деформирования образца внутренние напряжения, возникшие при его изготовлении, релаксируют путем обра- зования дислокаций несоответствия и микротрещин, а также путем пла- стической деформации.

Рис 4. Вольтамперная характеристика недеформированного образца. Стрелками показано увеличение и уменьшение величины тока

г. Самара 831 Научный аспект №4 2018 том 7

На рис 5. представлены зависимости температуры прямого и обратного фазовых переходов от величины прогиба (D) середины образца относи- тельно недеформированного состояния, после 10 циклов знакоперемен- ного изгиба. На рис. 6 представлены ВАХ при величинах прогиба, отме- ченных вертикальными линиями на рис. 5. В ходе работы показано, что при дальнейших знакопеременных изгибах образца вплоть до его разру-

шения зависимости Tп(D), То(D) и ВАХ практически не изменяются.

Рис 5. Зависимости температур прямого (Тп) и обратного перехода (То) от величины прогиба (D) образца. При D < 0 растяжение, при D > 0 — сжатие

Из графиков видно, что при сжатии образцов (D>0, рис. 5) температу- ра прямого перехода диэлектрик-металл Тп резко растет, температура об- ратного перехода металл-диэлектрик То резко падает, а петля гистерезиса на ВАХ расширяется (рис. 6c). При растяжении происходят аналогичные изменения, но более плавно (D<0, рис. 5, рис. 6а, b). Видимо, упругие на- пряжения при небольшом растяжении образца компенсируются противо- положными по знаку напряжениями, возникающими из-за разницы мо- дулей упругости между диоксидом и пентаоксидом ванадия, из которых состоят волокна.

832 na-journal.ru Технические науки

Металлическая фаза VO2 имеет тетрагональную структуру рутила, каждый атом ванадия расположен в центре кислородного октаэдра. При

температуре ниже То происходит искажение решётки от тетрагональной к моноклинной симметрии. Отличительной чертой моноклинной фазы является спаривание атомов ванадия вдоль оси с: наблюдаются попере- менно короткие (2,65 Å) и длинные (3,12 Å) расстояния между атомами ванадия вместо постоянного (2,88 Å) в высокотемпературной фазе. Такое искажение решётки можно рассматривать как удвоение размера элемен- тарной ячейки вдоль оси с. Таким образом происходит изменение объема, и преимущественно в одном направлении c (анизотропия). Ранее в работах [9–11] сообщалось, что в поликристаллических плен- ках оксида при одноосном сжатии или растяжении наблюдается сдвиг

температурной области фазового перехода (т.е. и Тп и То) в сторону высо- ких или низких температур соответственно. В нашем случае вне зависимо- сти от направления изгиба наблюдается уширение температурной области

фазового перехода, т.е. увеличивается Тп и уменьшается То.

Канал из VO2 в наших нановолокнах находится в окружении кри-

сталлитов V2O5. Как при прямом переходе диэлектрик- металл, так и при обратном металл-диэлектрик должен меняться объем кристал- литов диоксида ванадия. Этому изменению препятствует трение о кри- сталлиты пентаоксида ванадия — фазовый переход затрудняется, темпе- ратура прямого перехода растет, а обратного уменьшается. При изгибе образца в любую сторону трение кристаллитов друг об друга увеличи- вается, фазовый переход еще более затрудняется, и петля гистерезиса расширяется. ВАХ образца практически не изменяются после многократных измере- ний при сгибании в ту или иную сторону. Также отмечено, что измеренные

значения Tп и То при варьировании скорости нарастания тока и шага про- гиба D (в том числе и последовательные измерения при D разных знаков)

не отклоняются от представленных зависимостей Tп(D) и То(D) более, чем на 2%. Данные факты говорят о том, что в процессе сгибания, деформации, возникающие в нановолокнах, являются преимущественно упругими. Проведенные исследования показали, что в нановолокнах пентаокси- да ванадия, полученных методом электроспиннинга, после электрофор-

г. Самара 833 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 6. Вольтамперные характеристики образца при различных степенях изгиба: а), b) — растяжение, c) — сжатие (см. рис. 5). Тонкие линии — ВАХ недеформированного образца

мовки образуются каналы из диоксида ванадия, в которых наблюдается эффект переключения и ВАХ с петлей гистерезиса. На ширину петли ока- зывает существенное влияние деформация изгиба: температура фазового перехода диэлектрик-металл увеличивается, а обратного — уменьшается. Переключатель демонстрирует устойчивые характеристики и может быть перспективен для разработки функциональных устройств гибкой оксид- ной электроники. Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаменталь- ных исследований (проект № 16–32–60090).

834 na-journal.ru Технические науки

Список литературы

1. Shao Z., Cao X. Recent progress in the phase-transition mechanism and modulation of vanadium dioxide materials // NPG Asia Materials. 2018. V. 10. pp. 581–605. 2. Takagi H., Hwang H. An emergent change of phase for electronics // Science. 2010. V. 327. pp. 1601–1602. 3. Saeli M., Piccirillo C., Parkin I.P, Ridley I., Binions R. Nano-composite thermochromic thin films and their application in energy-efficient glazing // Sol. Energy Mater. Sol. Cells. 2010. V. 94. pp. 141–151. 4. Mott N. F. Metal-Insulator Transitions. New York: Taylor & Francis, 1974. 5. Jeong J., Yong Z., Joushaghani A., Tsukernik A., Paradis S., Alian D., Poon J. Current induced polycrystalline-to-crystalline transformation in vanadium dioxide nanowires // Scientific reports. 2016. V. 6. 6. Strukov D. B., Kohlstedt H. Resistive switching phenomena in thin films // Materials, devices, and applications. 2012. V. 37. pp. 108–117. 7. Березина О.Я., Кириенко Д.А., Маркова Н.П., Пергамент А.Л. Синтез микро- и нанонитей пентаоксида ванадия методом электроспиннинга // Журнал технической физики. 2015. Т. 85. № 9. С. 105–110 8. Pergament A.L., Stefanovich G.B., Kuldin N.A., Velichko A.A. On the problem of metal-insulator transitions in vanadium oxides // Condensed Matter Physics. 2013. V. 2013. 9. Андреев В.Н., Климов В.А. Влияние деформации на фазовый переход металл-полупроводник в тонких пленках диоксида ванадия // Физика твердого тела. 2011. Т. 52. № 3. С. 538–543 10. Chen C., Zhao Y., Pan X., Kuryatkov V., Bernussi A., Holtz M., Fan Z. Influence of defects on structural and electrical properties of VO2 thin films // Journal of applied physics. 2011. V. 110. № 2. 11. Liao. F., Yan. Z., Liang. W., Yao. G., Huang. Z., Gao. M., Pan T., Zhang Y., Lin Y. Tuning the metal-insulator transition of vanadium dioxide thin films using a stretchable structure // Journal of Alloys and Compounds. 2017. V. 705. pp. 468–474.

г. Самара 835 Научный аспект №4 2018 том 7

УДК 622.281(574.32) Исследование параметров применения анкерной крепи

Демин Владимир Федорович доктор технических наук, профессор Карагандинского государственного технического университета

Стефлюк Юрий Михайлович кандидат технических наук, старший преподаватель Карагандинского государственного технического университета

Мусин Равиль Альтавович магистр Карагандинского государственного технического университета

Халикова Эльвира Равиловна магистр Карагандинского государственного технического университета

Аннотация: В данной статье рассмотрено применение анкерной крепи в подземных горных выработках. Особое внимание авторы уделили преимуществам данного крепле- ния. Рассмотрена технология поддержания выработок для повторного использования, показана схема крепления выработки различными системами анкерной крепи. Abstract: This paper examines the use of roof bolting in underground mining workings. The authors pay special attention to the advantages of this support system. They also examined technology of support of workings for re-use and showed the scheme of roadway supports with the help of different roof bolting systems. Ключевые слова: анкерная крепь, крепление, горные породы, трещиноватость. Keywords: anchorage, fastening, rocks, fracturing.

Для начала необходимо проанализировать модель горно-подготовитель- ных работ. На рисунке 1 показана данная модель с учетом комплекса вли- яющих факторов. Изучение мирового опыта по применению анкерного крепления по- казывает, что Соединенные Штаты в 95% случаев крепления подземных

836 na-journal.ru Технические науки

Рис 1. Модель горно-подготовительных работ с учетом комплекса влияющих факторов

горных выработок применяют анкера, Австралия 90%, в России примерно 80%. Металл имеет высокую стоимость и снижение количества металлы, в нашем случае переход на анкерную крепь, приводит к снижению затрат в 5–7 раз. Высокая механизация, простота в установке, так же имеет важ- ное значение — увеличение скорости проходки горных выработок, что так же способствует поднятию экономики. Учитывая все положительные фак- торы не удивительно, что с каждым годом, объёмы применения анкерного крепления растут. Наука не стоит на месте, и на данном этапе сталеполи- мерные анкера имеют большую популярность. Они имеют очень высокую скорость установки, не превышающую 2 минут. Важными моментами определяющими возможность применения ан- керной крепи в подготовительных горных выработках, являются: усилие закрепления анкерных стержней в шпурах; области деформации, трещи- новатости горных пород вокруг контуров горной выработки; смещения пород кровли и боков горной выработки за весь срок службы выработки, а так же величина смещения. В основном на данной информации базиру- ется определение возможности применения данного видакрепления каж- дой конкретной выработке и расчет ее параметров — прочность закрепле- ния, длина и плотность установки анкеров. На рисунке 2 показана схема крепления выработки различными систе- мами анкерной крепи с наиболее часто встречающими размерами прямо- угольного поперечного сечения [1–2].

г. Самара 837 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 2. Схема крепления выработки различными системами анкерной крепи

При разработке паспортов крепления подземных горных выработок, необходимо обращать внимание и на элементы залегания пласта отно- сительно проводимой горной выработки: угол падения, крепость пород в непосредственной кровле, возможность построения эпюры зон форми- рования трещиноватости и расслоения, свода естественного обрушения и параметров массива боковых стенок подверженные сползанию. Соблюдая расстояние между анкерами и рядами, при полном заполне- нии шпура связующим составом ампул происходит качественное закре- пление с получением зон — свода укрепления горного массива при при- менении анкерной крепи — рисунок 3. Поджатие опорных планок к кровле массива позволяет снизить разме- ры формируемых между анкерами треугольников, а укладываемая затяжка способствует недопущению просыпаний. Применение штрипсов в слож- ных горно-геологических условиях (зоны ПГД, геологические нарушения) в значительной степени повышают уровень качества крепления.

838 na-journal.ru Технические науки

Рис 3. Получение зон — свода укрепления горного массива при применении анкерной крепи

Анкера за пределами свода естественного равновесия должны быть бо- лее длинными исходя из возможности их расположения вне зоны форми- рования трещиноватости на расстоянии не менее 0,5 м для формирования усилия закрепления анкера на величину не менее разрывного усилия ан- керного стержня — рисунок 4. Согласно британского стандарта на 0,3 м закрепления должно быть создано усилие закрепления не менее 13 т, а на 0,5 м оно будет составлять в пределах 22–24 т [3–4]. В выработках примыкающих к линии очистного забоя должны уста- навливаться стеклопластиковые анкера, которые по техническим характе- ристикам не уступают металлическим и имеют преимущества, связанные на обеспечением безопасности труда и снижения аварийности. Крепление анкерами боков выработки позволяет также значительно снизить подду- тие почвы, уменьшить газовыделение в проводимых выработках. Неполное заполнение пространства шпура связующими составом по- лимерных ампул при длине анкера в 2,4 м для крепления горных выра-

г. Самара 839 Научный аспект №4 2018 том 7

Рис 4. Формирование свода обрушения а — пример правильного расположения анкеров (1–6); б — пример неправильного расположения анкеров (боковые анкера установлены по плоскости скольжения)

боток с крепостью пород 20 МПа является недостаточным. Необходимо производить полное полное заполнение шпура связующим составом. При этом, усилие натяжения анкера производится за счет применения полимерных ампул с разным временем схватывания. а наличие срезного калиброванного штифта на гайке способствует натяжению анкера при остановке его вращения за счет применения ускоренной ампулы. Смесь замедленных ампул затвердевает уже при натянутом анкере за счет распо- ра планки. В подготовительных забоях целесообразно применение ампул с разным временем схватывания, что будет способствовать повышению качества крепления горных выработок. При поддержании выработок, пройденных с анкерной крепью, для повторного использования необходимо впереди лавы на расстоянии 100– 150 м в сторону выработанного пространства производить установку более длинных анкеров (металлических, составных и канатных) — рисунок 5. Главной особенностью анкерной крепи является широкий диапазон ее применения, а именно горное выработки практически всех горнотехни- ческих условиях на весь срок службы, в том числе в зонах горно-геоло-

840 na-journal.ru Технические науки

Рис 5. Технология поддержания выработок для повторного использования, в т.ч. на границе с выработанным пространством, пройденных с анкерной крепью

гических нарушениях. Данный подход позволит разработать и усовершен- ствовать существующие на сегодняшний день технологии эффективного и безопасного крепления массива горных пород вокруг контуров горной выработки. Данная технология справедлива как на пологих так и наклон- ных угольных пластах.

Список литературы

1. Демин В.Ф., Алиев С.Б., Кушеков К.К. и др. Исследование характера деформирования боковых пород вокруг горной выработки с анкерным креплением в зависимости от угла падения и глубины анкерирования приконтурного массива // Горный информационный аналитический бюллетень. «Перспективы горно-транспортного оборудования».— № 2. МГГУ, «Горная книга». — М.— 2012. — С. 191–203. 2. Демин В.Ф., Яворский В.В., Демина Т.В. и др. Влияние угла наклона на на- пряженно-деформированное состояние массива горных пород вокруг вы- работки // ООО «Редакция журнала »Уголь».— № 11.— 2012. — С. 66–69. 3. Алиев С.Б., Демин В.Ф., Демина Т.В. и др. Установление параметров анкерного крепления в зависимости от горно-технологических усло- вий эксплуатации выработок // ООО «Редакция журнала »Уголь».— № 1.— 2013. — С. 69–72.

г. Самара 841 Научный аспект №4 2018 том 7

4. Демин В.Ф., Бахтыбаев Н.Б., Демина Т.В. и др. Прогнозирование сме- щений приконтурного массива пород горных выработок // Горный информационно-аналитический бюллетень (научно-технический жур- нал). Современные технологии на горнодобывающих предприятиях. — Отдельный выпуск 7.— 2012. — С. 9–21.

УДК 536.2 Влияние теплоотражающих покрытий на процесс теплопередачи в наружных ограждающих конструкциях зданий

Риставлетов Раимберди Аманович кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова

Сулейменов Улан Сейтказиевич доктор технических наук, профессор Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова

Камбаров Медетбек Абильдаевич кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова

Кудабаев Руслан Бактиярович докторант Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова

Абшенов Хасен Асанбекович кандидат технических наук, доцент Южно-Казахстанского государственного университета им. М. Ауэзова

Аннотация: Повышение теплозащитных характеристик ограждения использовани- ем традиционных теплоизоляционных материалов не всегда является экономически выгодным решением и может существенно увеличить стоимость ограждающих кон- струкций.

842 na-journal.ru Технические науки

В связи с этим, в настоящей работе рассматривается конструктивное решение ограждающих конструкций зданий, повышающее теплозащитные свойства и увели- чивающее сопротивление теплопередаче ограждения. Abstract: Increase of thermal performance of the cladding using traditional heat-insulation materials is not always economically beneficial and may significantly increase the cost of cladding structures. Due to this fact, this paper examines a structural solution for cladding structures which improves its heat-insulating properties and increases heat transfer resistance. Ключевые слова: Ограждающие конструкции, теплозащитные свойства, сопротив- ление теплопередаче. Keywords: Enclosing structures, heat-shielding properties, heat transfer resistance.

Реализация мер по повышению энергоэффективности зданий в рамках го- сударственной программы «Энергосбережение — 2020» связана с повыше- нием теплозащитных характеристик ограждающих конструкций зданий [1, с. 48; 2, с. 26; 3, с. 50]. Одним из перспективных способов повышения теплозащитных свойств и сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций является при- менение экранной изоляции или теплоотражающих покрытий, в качестве дополнительного слоя, способного отражать тепловое излучение [4, с. 97; 5, с. 100; 6, с. 12]. Известно, что основным преимуществом использования теплоотража- ющего покрытия в ограждениях зданий является возможность повышения сопротивления теплопередаче за счет уменьшения интенсивности про- цесса теплопередачи через ограждение. В качестве теплоотражающего покрытия традиционно используется алюминиевая фольга, различные лакокрасочные композиции, содержа- щие алюминиевый пигмент, а также вязкожидкие композиции белого цве- та на основе полимеров и стеклянных микросфер. Однако следует отметить, что, применительно к ограждающим кон- струкциям возникает необходимость исследования эффективности ис- пользования теплоотражающего покрытия для повышения тепловой защиты ограждения, изучение влияния места расположения покрытия

г. Самара 843 Научный аспект №4 2018 том 7

в многослойной конструкции на энергоэффективность ограждения и раз- работке на их основе инженерной методики теплотехнического расчета подобной конструкции. В ограждающих конструкциях, как правило, теплоотражающие покры- тия целесообразно использовать в виде многослойного пакета, представ- ляющего собой совокупность материалов с малой поглощательной спо- собностью материалов с малой поглощательной и большой отражательной способностями поверхностей дополнительных теплоотражающих покры- тий совместно с невентилируемыми воздушными прослойками. В связи с этим, а также учитывая, что эффективность использования теплоотражающего покрытия в ограждениях зданий зависит от конструк- тивного решения самого ограждения, в работе рассматривается фасадная система с невентилируемой воздушной прослойкой и различным распо- ложением теплоотражающего слоя, в соответствии с рисунком 1. Ввиду того, что воздушная прослойка в схеме рисунка 1 представля- ется относительно малой толщины, то вследствие влияния друг другу по- граничных тепловых и гидродинамических слоев ограждения в прослойке возникают циркуляционные контуры.

Рис 1. Фрагменты наружной ограждающей конструкции с вентилируемой прослойкой и теплоотражающим покрытием 1 — облицовка наружная; 2 — воздушная прослойка; 3 — основная стена; 4 — теплоотражающее покрытие

844 na-journal.ru Технические науки

Очевидно, что в рассматриваемых вариантах конструкции ограждения с теплоотражающим покрытием необходимо учесть отражательную спо- собность самого покрытия, которая позволяет значительно снизить лучи- стую составляющую в общем процессе теплопередачи через ограждение.

Методы исследования Рассмотрим некоторый порядок проведения инженерного расчета тепло- передачи через ограждение с теплоотражающим покрытием и оценки вли- яния теплоотражающих покрытий на процесс теплопередачи в воздушной прослойке ограждения. Учитывая малую толщину воздушной прослойки и существенность пе- реноса теплоты излучением по отношению к теплопроводности огражде- ния, величину общего теплового потока передаваемого излучением и те- плопроводностью выразим в виде уравнения:

2 qq=+ q, Вт/м2 (1) qq=+K qЛ , Вт/м (1) qq=+K qЛ , Вт/м (1) Тепловой поток q через воздушную прослойку теплопроводностью Тепловой поток qK через воздушную прослойку теплопроводностью Тепловой поток qK через воздушную прослойку теплопроводностью можно определить из известного выражения [7, с.256]: можно определить из известного выражения [7, с.256]: λ λВ qR= ⋅ τ −τ +λВ τ −τ , (2) qRK =ВП ⋅( τ12 ВП −τ ВП ) +( τ 12ВП −τ ВП ) , (2) qRK =ВП ⋅( τ12 ВП −τ ВП ) +δ ( τ 12ВП −τ ВП ) , (2) δВП δВП где R – расчетное сопротивление теплопередаче воздушной про- где RВП – расчетное сопротивление теплопередаче воздушной про- где RВП – расчетное сопротивление теплопередаче воздушной про- 2 слойки, (м2·°С)/Вт; λ — коэффициент теплопроводности неподвижного слойки, (м ·°С)/Вт; λВ — коэффициент теплопроводности неподвижного слойки, (м ·°С)/Вт; λВ — коэффициент теплопроводности неподвижного 2 воздуха, Вт/(м2·°С); δ — толщина воздушной прослойки, м; воздуха, Вт/(м ·°С); δВП — толщина воздушной прослойки, м; воздуха, Вт/(м ·°С); δВП — толщина воздушной прослойки, м; ° ττ, — температуры поверхностей воздушной прослойки, °С, при- ττ12ВП, ВП — температуры поверхностей воздушной прослойки, С, при- ττ12ВП, ВП — температуры поверхностей воздушной прослойки, С, при- чем τ <τ . чем τ21ВП <τ ВП . чем τ21ВП <τ ВП . Тепловой поток через воздушную прослойку излучением q определя- Тепловой поток через воздушную прослойку излучением qЛ определя- Тепловой поток через воздушную прослойку излучением qЛ определя- ется из эмпирической формулы ется из эмпирической формулы 2 q =α ⋅ τ −τ , Вт/м2 (3) qЛ=α Л ⋅( τ12 ВП −τ ВП ), Вт/м (3) qЛ=α Л ⋅( τ12 ВП −τ ВП ), Вт/м (3) Коэффициент лучистого теплообмена α выводится из уравнения Коэффициент лучистого теплообмена αЛ выводится из уравнения Коэффициент лучистого теплообмена αЛ выводится из уравнения теплового излучения и вычисляется из выражения: теплового излучения и вычисляется из выражения: 44 ττ44 ττ12ВП ВП  C ττ12ВП − ВП  CПР  −  ПР 100 − 100  α= 100  100  (4) α=Л  (4) α=Л τ −τ (4) τ12ВП −τ ВП τ12ВП −τ ВП При малых значениях толщин воздушной прослойки перепад темпе- При малых значениях толщин воздушной прослойки перепад темпе- ратур поверхностей τ и τ незначителен, в связи с этим α можно ратур поверхностей τ1ВП и τ2ВП незначителен, в связи с этим αЛ можно ратур поверхностей τ1ВП и τ2ВП незначителен, в связи с этим αЛ можно г.определить Самара из простого выражения [8, с.54]: 845 определить из простого выражения [8, с.54]: 3 C τ 3 CПРτ ВП α=4CПРτ ВП (5) α=Л 4  (5) α=Л 4 100 100 (5) 100 100 τ +τ τВП +τ2 ВП где τ = τВП +τ2 ВП , С – приведенный коэффициент излучения. где τВП = , Спр – приведенный коэффициент излучения. где τВП = 2 , Спр – приведенный коэффициент излучения. 2 Значение приведенного коэффициента излучения С определим из Значение приведенного коэффициента излучения Спр определим из известного выражения [9, с.16]: пр известного выражения [9, с.16]: 1 11 С =(1/( 1 11)), (6) Спр=(1/( +−)), (6) Спр=(1/( ССС+−)), (6) ССС120ВП ВП ССС120ВП ВП где С , С – коэффициенты излучения поверхностей воздушной где С1ВП , С2ВП – коэффициенты излучения поверхностей воздушной где С1ВП , С2ВП – коэффициенты излучения поверхностей воздушной прослойки, Вт/(м2·°С4); С – коэффициент излучение абсолютного черно- прослойки, Вт/(м2·°С4); С0 – коэффициент излучение абсолютного черно- го тела, Вт/(м2·°С4). 0 го тела, Вт/(м2·°С4). 2 qq=+K qЛ , Вт/м2 (1) qq=+K qЛ , Вт/м2 (1) qq=+K qЛ , Вт/м2 (1) Тепловойqq=+K qЛ , поток Вт/м q через воздушную прослойку теплопроводностью(1) Тепловой поток 2 K через воздушную прослойку теплопроводностью qq=+K qЛ , Вт/м qK (1) Тепловой поток qK через воздушную прослойку теплопроводностью можноТепловой определить поток из q известногоK через воздушную выражения прослойку [7, с.256] : теплопроводностью можноТепловой определить поток из q известногочерез воздушную выражения прослойку [7, с.256] : теплопроводностью можно определить из известногоK выражения [7, с.256]: λВ можноqRK = определитьВП ⋅( τ12 ВП −τ из ВПизвестного) +λВ ( τ 12ВП выражения −τ ВП ) , [7, с.256]: (2) qRK =ВП ⋅( τ12 ВП −τ ВП ) +λВ ( τ 12ВП −τ ВП ) , (2) qRK =ВП ⋅( τ12 ВП −τ ВП ) +δВПВ ( τ 12ВП −τ ВП ) , (2) qRK =ВП ⋅( τ12 ВП −τ ВП ) +δλВП ( τ 12ВП −τ ВП ) , (2) qR= ⋅ τ −τ +δВПВ τ −τ , (2) гдеK RВПВП–( расчетное12 ВП ВП ) сопротивлениеВП ( 12ВП ВП ) теплопередаче воздушной про- где RВП – расчетное сопротивлениеδВП теплопередаче воздушной про- где RВП2– расчетное сопротивление теплопередаче воздушной про- слойки,где R (мВП2·°–С)/Вт; расчетное λ — сопротивлениекоэффициент теплопроводности теплопередаче воздушной неподвижного про- слойки, (м2·°С)/Вт; λВ — коэффициент теплопроводности неподвижного слойки,где R (мВП2·°–С)/Вт; расчетное В — сопротивлениекоэффициент теплопроводности теплопередаче воздушной неподвижного про- слойки, (м ·°С)/Вт;2 λВ — коэффициент теплопроводности неподвижного воздуха, Вт/(м2 2·°С);λ В δ — толщина воздушной прослойки, м; воздуха, Вт/(м2·°С); δВП — толщина воздушной прослойки, м; воздуха,слойки, (м Вт/(м·°С)/Вт;2·°С); λ В — ВПкоэффициент — толщина теплопроводности воздушной прослойки, неподвижного м; воздуха, Вт/(м ·°С); δВП — толщина воздушной прослойки,° м; ττ, — температуры2 δВП поверхностей воздушной прослойки, °С, при- ττ12ВП, ВП — температуры поверхностей воздушной прослойки, °С, при- воздуха,12ВП, ВП — Вт/(м температуры·°С); δВП поверхностей — толщина воздушной воздушной прослойки, прослойки, °С, при- м; ττ12ВП, ВП — температуры поверхностей воздушной прослойки, С, при- чем12ВП τ21ВП ВП <τ ВП . ° чемττ12ВП ,τ21ВП ВП <τ — ВПтемпературы. поверхностей воздушной прослойки, С, при- чем τ21ВП <τ ВП . чемТепловой τ21ВП <τ ВП поток. через воздушную прослойку излучением q определя- Тепловой поток через воздушную прослойку излучением qЛ определя- чемТепловой τ21ВП <τ ВП поток. через воздушную прослойку излучением qЛ определя- Тепловой поток через воздушную прослойку излучением qЛ определя- ется из эмпирической формулы Л етсяТепловой из эмпирической поток через формулы воздушную2 прослойку излучением qЛ определя- етсяq Лиз=α эмпирической Л ⋅( τ12 ВП −τ ВП формулы), Вт/м2 (3) етсяq Лиз=α эмпирической Л ⋅( τ12 ВП −τ ВП формулы), Вт/м2 (3) qЛ=α Л ⋅( τ12 ВП −τ ВП ), Вт/м2 (3) qЛ=α Л ⋅ τ12 ВП −τ ВП , Вт/м (3) Коэффициент( лучистого) теплообмена2 αЛ выводится из уравнения КоэффициентqЛ=α Л ⋅( τ12 ВП −τ лучистого ВП ), Вт/м теплообмена αЛ выводится из уравнения(3) Коэффициент лучистого теплообмена αЛ выводится из уравнения тепловогоКоэффициент излучения лучистого и вычисляется теплообмена из выражения: αЛ выводится из уравнения тепловогоКоэффициент излучения лучистого и вычисляется теплообмена из выражения: выводится из уравнения теплового излучения44 и вычисляется из выражения:αЛ теплового излучения44 и вычисляется из выражения: ττ12ВП 44ВП  тепловогоC излученияττ12ВП 44 −и вычисляетсяВП  из выражения: CПР ττ12ВП − ВП  CПР ττ10012ВП 44 100ВП  Научный CаспектПР 100 − 100  №4 2018 том 7 ПР ττ10012ВП − 100ВП  α=Л 100  100  (4) α=Л CПР  −  (4) α=Л 100τ12ВП  −τ ВП 100  (4) α=Л τ12ВП −τ ВП (4) α= τ12ВП −τ ВП (4) ПриЛ малых значениях12ВП ВП толщин воздушной прослойки перепад темпе- При малых τзначениях12ВП −τ ВП толщин воздушной прослойки перепад темпе- ратурПри поверхностей малых значениях τ1ВП итолщин τ2ВП незначителен, воздушной прослойкив связи с этим перепад αЛ темпможное- ратур поверхностей τ1ВП и τ2ВП незначителен, в связи с этим αЛ можно ратурПри поверхностей малых значениях τ1ВП итолщин τ2ВП незначителен, воздушной прослойкив связи с этим перепад αЛ темпможное- ратуропределить поверхностей из простого τ1ВП выражения и τ2ВП незначителен, [8, с.54]: в связи с этим αЛ можно ратуропределить поверхностей из простого выражения и незначителен, [8, с.54]: в связи с этим можно определить из простогоτ13ВП выраженияτ2ВП [8, с.54]: αЛ определить из простого3 выражения [8, с.54]: CПРτ ВП 3 определить α=4 изCПР простогоτ ВП 3 выражения [8, с.54]: (5) Л 4CПРτ ВП (5) α=Л C100ПР 100τ ВП 3 α=Л 4 100 100 (5) α=Л 4C τ (5) 4 100ПР 100 ВП (5) α=Л τВП +τ2 ВП где τ = 100τВП +τ 1002 ВП , С – приведенный коэффициент излучения. где τВП = τВП +τ2 ВП , Спр – приведенный коэффициент излучения. где ВП = τВП +τ2 2 ВП , Спр – приведенный коэффициент излучения. где τВП = 2 , Спр – приведенный коэффициент излучения. τВП τВП +τ2 2 ВП пр гдеЗначение τ = приведенного2 , Спр – коэффициента приведенный коэффициент излучения Спр излучения. определим из ЗначениеВП приведенного коэффициента излучения Спр определим из известногоЗначение выражения приведенного2 [9, с.16]: коэффициента излучения Спр определим из известногоЗначение выражения приведенного [9, с.16]: коэффициента излучения Спр определим из известногоЗначение выражения приведенного [9, с.16]: коэффициента излучения Спр определим из известного выражения1 11 [9, с.16]: известногоСпр=(1/( выражения1+− 11 [9, с.16]:)), (6) Спр=(1/( 1+− 11)), (6) Спр=(1/( ССС120ВП+− ВП )), (6) Спр=(1/( ССС1201ВП+− 11 ВП )), (6) ССС120ВП ВП Спр=(1/( ССС+−)), (6) где С1ВП , 120СВП2ВП – ВПкоэффициенты излучения поверхностей воздушной где С1ВП ,ССС 120СВП2ВП – ВПкоэффициенты излучения поверхностей воздушной где С1ВП , С2ВП 2·° – 4коэффициенты излучения поверхностей воздушной прослойки,где С1ВП ,Вт/( С2ВПм2·° –С 4коэффициенты); С – коэффициент излучения излучение поверхностей абсолютного воздушной черно- прослойки, Вт/(м2·°С4); С0 – коэффициент излучение абсолютного черно- прослойки,где С1ВП ,Вт/( С2·°2ВПм4 2·° –С 4коэффициенты); С0 – коэффициент излучения излучение поверхностей абсолютного воздушной черно- прослойки,го тела, Вт/( Вт/(м2·°См4). С ); С0 – коэффициент излучение абсолютного черно- го тела, Вт/(м2·°С4).2·° 4 0 прослойки,го тела, Вт/( Вт/(м2·°См4). С ); С0 – коэффициент излучение абсолютного черно- го тела, Вт/(м2·°С4). Выражение (3) не отражает физических процессов теплопередачи че- Выражение (3) не отражает физических процессов теплопередачи че- рез воздушную прослойку, что связано с эмпирическим характером фор- рез воздушную прослойку, что связано с эмпирическим характером фор- мул (4) и (5) определения коэффициента излучения воздушной прослой- мул (4) и (5) определения коэффициента излучения воздушной прослой- ки α . Но отметим, что данная формула имеет достаточную точность и ки α ν . Но отметим, что данная формула имеет достаточную точность и можетν быть применена в инженерных расчетах. может быть применена в инженерных расчетах. Общий тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку Общий тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку теплопроводностью и излучением, определится из выражения: теплопроводностью и излучением, определится из выражения:3 λ λτСпр 3 q= в в 4С вп (7) λв (τ12вп −τ вп ) +αν ( τ 12вп −τ вп ) = λτв ( τ 12вп −τ вп ) + пр вп q= δδ(τ12вп −τ вп ) +αν ( τ 12вп −τ вп ) =( τ 12вп −τ вп ) +4100 100 (7) δδвп вп 100 100 вп вп

Результаты исследования Результаты исследования Для проведения расчетного эксперимента воспользуемся следующими Для проведения расчетного эксперимента воспользуемся следующими данными: данными: – температуры поверхностей воздушной прослойки – температуры поверхностей воздушной прослойки τ =12 °СС, τ =− 6 ° ; τ12вп =12 °СС, τвп =− 6 ° ; – толщина12вп воздушнойвп прослойки δ=10см; – толщина воздушной прослойки δ=вп 10см; – коэффициент теплопроводности воздухавп при средней температуре τвп, – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре τвп, λвп=0,0246 Вт/(м2·°С); =0,0246 Вт/(м2·°С); – λрасчетноевп сопротивление теплопередаче воздушной прослойки Rвп – расчетное сопротивление теплопередаче воздушной прослойки Rвп по приложению 4 СНиП РК 2-04-03: при отрицательной температуре по приложению 4 СНиП РК 2-04-03: при отрицательной температуре мС²·° в прослойке – 0,18 мС²·° , при положительной температуре в прослой- в прослойке – 0,18 Вт , при положительной температуре в прослой- Вт 846 мС²·° na-journal.ru ке – 0,15 мС²·° . ке – 0,15 Вт . Вт Тогда общий тепловой поток q, проходящий через воздушную про- Тогда общий тепловой поток q, проходящий через воздушную про- слойку без теплоотражающего экрана будет равен: слойку без теплоотражающего экрана3 будет равен: 0,, 10 3 390 276 3 Вт q= 0,, 10 (285−+ 267) 4 3 390 276 =+=4,,, 43 2 85 7 28Вт . q= 0,² 0246(285−+ 267) 4 100 100 =+=4,,, 43 2 85 7 28 м . 0,² 0246 100 100 м 1 11 Приведенный коэффициент излучения С =1/( 1+− 11) = Приведенный коэффициент излучения Спр=1/( ) = пр ССС120вп+− вп ССС120вп вп 11 1 Вт = 1/( 11+− 1) = 3,390 Вт определен из условия, что внутрен- = 1/( 39,,+− 469 576 ,) = 3,390 м²·°С4 определен из условия, что внутрен- 39,, 469 576 , м²·°С4 ние поверхность штукатурный раствор, а облицовочный слой из керами- ние поверхность штукатурный раствор, а облицовочный слой из керами- ческой плитки. ческой плитки. Выражение (3) не отражает физических процессов теплопередачи че- рез воздушную прослойку, что связано с эмпирическим характером фор- мул (4) и (5) определения коэффициента излучения воздушной прослой-

ки α ν . Но отметим, что данная формула имеет достаточную точность и может быть применена в инженерных расчетах. Общий тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку теплопроводностью и излучением, определится из выражения: 3 λ λτСпр  q= в в 4 вп (7) (τ12вп −τ вп ) +αν ( τ 12вп −τ вп ) =( τ 12вп −τ вп ) +  δδвп вп 100 100

Результаты исследования Для проведения расчетного эксперимента воспользуемся следующими данными: – температуры поверхностей воздушной прослойки

τ12вп =12 °СС, τвп =− 6 ° ;

– толщина воздушной прослойки δ=вп 10см; – коэффициент теплопроводности воздуха при средней температуре τвп, λвп=0,0246 Вт/(м2·°С); Технические– расчетное науки сопротивление теплопередаче воздушной прослойки Rвп по приложению 4 СНиП РК 2-04-03: при отрицательной температуре мС²·° в прослойке – 0,18 , при положительной температуре в прослой- Вт мС²·° ке – 0,15 . Вт Тогда общий тепловой поток q, проходящий через воздушную про- слойку без теплоотражающего экрана будет равен: 3 0,, 10 3 390 276 Вт q= (285−+ 267) 4 =+=4,,, 43 2 85 7 28 . 0,² 0246 100 100 м 1 11 Приведенный коэффициент излучения Спр=1/( +−) = ССС120вп вп 11 1 Вт = 1/( +−) = 3,390 определен из условия, что внутрен- 39,, 469 576 , м²·°С4 ние поверхность штукатурный раствор, а облицовочный слой из керами- ческой плитки. Для сравнения рассмотрим воздушную прослойку с теплоотражаю- щим слоем, размещенным, на внутренней поверхности, согласно схеме (а) рисунка 1. В качестве теплоотражающего покрытия примем алюминиевую фоль- Вт гу с коэффициентом излучения САФ =0,5 . м²·°С⁴ Для этого случая величина приведенного коэффициента излучения Вт Спр по формуле (6), будет равен 0,49 . м²·°С⁴ Тепловой поток в воздушной прослойке с учетом теплоотражающего покрытия будет равен: 2 q=qк+qᴧ=4,43+0,41=4,84Вт/м Применение одностороннего теплоотражающего покрытия из алю- миниевых фольги в воздушной прослойке снижает общий тепловой по- ток с 7,28 Вт/м2 до 4,84 Вт/м2. Сравним величину теплового потока, проходящего через воздушную прослойку с двухсторонним теплоотражающим покрытием согласно схе- ме (б) рисунка 1.

Величину приведенного коэффициента излучения Спр вычислим по формуле: C С = 0 , (8) ПР 11 (n +−12 )( ) εП 2

где εП — степень черноты теплоотражающего покрытия, которая для г.алюминиевой Самара фольги равна 0,05; n – количество теплоотражающего п847о- крытия в прослойке , n =2.

Тогда тепловой поток, проходящий через воздушную прослойку огра- ниченной с двух сторон алюминиевой фольгой, будет равен: q=4,43+0,220=4,65 Вт/м2 При двухстороннем расположении теплоотражающих слоев в воздуш- ной прослойке величину приведенного коэффициента теплопроводности воздушной прослойки можно определить по формуле [8,]:

Еп ·δ0 2 2 λпр= ( τ1вп + τ2вп ) ( τ1вп + τ2вп ), n(2 − Еп ) Для сравнения рассмотрим воздушную прослойку с теплоотражаю- щим слоем, размещенным, на внутренней поверхности, согласно схеме (а) рисунка 1. В качестве теплоотражающего покрытия примем алюминиевую фоль- Вт гу с коэффициентом излучения САФ =0,5 . м²·°С⁴ Для этого случая величина приведенного коэффициента излучения Вт Спр по формуле (6), будет равен 0,49 . м²·°С⁴ Тепловой поток в воздушной прослойке с учетом теплоотражающего покрытия будет равен: 2 q=qк+qᴧ=4,43+0,41=4,84Вт/м Применение одностороннего теплоотражающего покрытия из алю- миниевых фольги в воздушной прослойке снижает общий тепловой по- ток с 7,28 Вт/м2 до 4,84 Вт/м2. Сравним величину теплового потока, проходящего через воздушную прослойку с двухсторонним теплоотражающим покрытием согласно схе- ме (б) рисунка 1.

Величину приведенного коэффициента излучения Спр вычислим по формуле: C С = 0 , (8) НаучныйПР аспект 11 №4 2018 том 7 (n +−12 )( ) εП 2

где εП — степень черноты теплоотражающего покрытия, которая для алюминиевой фольги равна 0,05; n – количество теплоотражающего по- крытия в прослойке , n =2.

Еп ·δ0 2 2 λпр= ( τ1вп + τ2вп ) ( τ1вп + τ2вп ), n(2 − Еп )

где σ0 – коэффициент излучения абсолютно черного тела, равна Вт 5,76 м²·°С4 n – количество теплоотражающих слоев. 0,·,· 05 5 6710−8 Вт Тогда λпр = ·(285+267)(2852+2672)=0,061 . вп 2( 2− 0, 05) м²·°С Приведенное термическое сопротивление воздушной прослойки с теплоотражающим покрытием будет равен

пр δвп 0, 10 мС²·° Rвп = пр = =1,64 . λвп 0, 061 Вт Сравнивая с нормативными значениями термического сопротивления замкнутых воздушных прослоек по приложению 4 СНиП РК 2.04-03, мС²·° R = 0,15 при положительной температуре в прослойке и R =0,18 вп Вт вп мС²·° — при отрицательной температуре получим примерно 10 кратное Вт увеличение термического сопротивления воздушной прослойки при раз- мещений теплоотражающих покрытий в ограждений. Основные выводы Проведенные расчетные исследования показали, что использование те- плоотражающих слоев в ограждающих конструкциях с воздушной про- слойкой в целом снижают проходящий через воздушную прослойку те- пловой поток, который связан повышением термического сопротивления воздушной прослойки.

848 na-journal.ru Технические науки

Размещение теплоотражающих слоев в ограждающих конструкциях благоприятно действует на температурный режим ограждения и позволяет уменьшить общую толщину ограждения. Работа выполнена согласно договору на выполнение научно-исследова- тельских работ в рамках государственного заказа № 164–11 на выполнение НИР по теме АР05133231 «Исследование и разработка энергосберегающих конструкции применением эффективных утеплителей с теплоотражающи- ми покрытиями для повышения уровня тепловой защиты здания» с Коми- тетом науки Министерства образования и науки Республики Казахстан.

Список литературы

1. Гнездилова О.А. Анализ энергоэффективности многослойных ограж- дающих конструкций с различными теплоизоляционными матери- алами / О.А. Гнездилова // Анализ современной науки и образова- ния. –2013.— № 5 (72). — С. 48–53. 2. Королев, Д. Ю. Современные методы повышения тепловой защиты зданий / Д. Ю.Королев, В. Н. Семенов // Молодой ученый.— 2010.— № 3 (14). — С. 26–29. 3. Кнатько М.В., Ефименко М.Н., Горшков А.С. К вопросу о долговеч- ности и энергоэффективности современных ограждающих стеновых конструкций жилых, административных и производственных зданий / М.В. Кнатько, М.Н. Ефименко, А.С.Горшков // Инженерно-строи- тельный журнал.— 2008.— № 2. — С. 50–53. 4. Панченко Д.А. Энергоэффективность использования нового теплоза- щитного материала для снижения теплопотребления зданий и соору- жений / Д.А. Панченко // Вестник ТГАСУ.— 2011.— № 4, — С. 97–105. 5. Вытчиков Ю.С., Сапарев М.Е. Исследование теплозащитных харак- теристик сэндвич-панелей с применением экранной изоляции // По- вышение энергоэффективности зданий и сооружений: межвузовский сборник трудов / СГАСУ. Самара.— 2012. — С. 100–105. 6. Сапарев М.Е. Повышение теплозащитных характеристик керамзито- бетонных ограждающих конструкций с помощью экранной тепловой изоляции // Строительные материалы.— 2013. № 11(707). –С. 12–15.

г. Самара 849 Научный аспект №4 2018 том 7

7. Фокин К.Ф. Строительная теплотехника ограждающих частей зданий / К.Ф. Фокин: под ред. Ю.А. Табунщикова, В.Г. Гагарина. 5-е изд. испр. и пересмотр. -М.: АВОК-Пресс,— 2006. –256с 8. Ключников А.Д. Теплопередача излучением в огнетехнических уста- новках (инженерные решение задач) / В.Д. Сизов, Л.В. Нестеров, В.М. Конко // наука и техника. 2014. № 5. — С. 54–60. 9. Умнякова Н.П. Теплозащита замкнутых воздушных прослоек с отра- жательной теплоизоляцией / Н.П. Умнякова // Жилищное строитель- ство.— 2014.— № 1–2, — С. 16–20.

УДК 660.665.2 Восстановления отработанных масел

Садуллаев Дилмурод Некмуродович студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института

Исабаев Исмаил Бабажанович доктор технических наук, профессор Бухарского инженерно-технологического института.

Тиллоев Лочин Исматиллоевич преподаватель Бухарского инженерно-технологического института.

Отабоев Аброр Хамид угли студент Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В зависимости от процесса регенерации получают 2–3 фракции базовых масел, из которых компаундированием и введением присадок могут быть приготовле- ны товарные масла (моторные, трансмиссионные, гидравлические, СОЖ, пластичные смазки). Abstract: Depending on the regeneration process, 2–3 base oil fractions are obtained, from which compound oils and additives can be used to prepare commercial oils (engine, transmission, hydraulic, coolant, grease).

850 na-journal.ru Технические науки

Ключевые слова: Выпаривание, вакуумная перегонка, коагуляция, адсорбция, регене- рация, экстракция. Keywords: Evaporation, vacuum distillation, coagulation, adsorption, regeneration, extraction.

Для восстановления отработанных масел применяются разнообразные технологические операции, основанные на физических, физико-химиче- ских и химических процессах и заключаются в обработке масла с целью удаления из него продуктов старения и загрязнения. В качестве техноло- гических процессов обычно соблюдается следующая последовательность методов: механический, для удаления из масла свободной воды и твердых загрязнений; теплофизический (выпаривание, вакуумная перегонка); физико-химический (коагуляция, адсорбция). Если их недостаточно, ис- пользуются химические способы регенерации масел, связанные с приме- нением более сложного оборудования и большими затратами[1, c.78–80]. Отработанное масло, предварительно нагретое до температуры 100 °C, подвергают предварительной отгонке воды и легких углеводородных бен- зиновых фракций при температуре 100 °C и давлении 25 мм.рт. ст., затем проводят удаление газойлевых фракций в насадочном эвапараторе при температуре 250 °C и давлении 10 мм.рт. ст. Экстракцию чистых масляных фракций проводят смесью пропан-бутан (70% пропана, 30% Н-бутана) при температуре 92 °C, давлении 35 кгс/см2, соотношении растворитель / масло 8:1 с рециркуляцией до 50% смолисто-асфальтеновых соединений в верхнюю часть колонны. Полученное регенерированное масло обладает более высокой вязкостью, индексом вязкости, более низкой температурой застывания, лучшим цветом, высокой температурой вспышки в сравнении с экстрагированным маслом полученным традиционным способом экс- тракции и может быть использовано для получения моторного масла типа М5з10Г1 при добавлении ограниченного количества присадок (до 5%)[2]. Из этого видно, что масло, получаемое после стадии экстракции при удалении газойлей до стадии экстракции и создании внутреннего оро- шения в экстракционном аппарате имеет лучшие свойства в сравнении с маслом получаемым по полному циклу регенерации, что позволяет уменьшить количество стадий технологического процесса и использовать

г. Самара 851 Научный аспект №4 2018 том 7

деасфальтизат в качестве компонента моторных масел, либо в качестве моторного масла после добавления ограниченного количества присадок.

Список литературы

1. Шашкин П.И. Регенерация отработанных нефтяных масел. — М.:Недра. — 1998. 2. Отработанное масло, отработка, очистка масел, печи на отработке — печь на отработанном масле Т‑6 [Электронный ресурс]. — URL: http:// www.oilteco.ru.

УДК 660.665.2 Изучение методов конверсии метана в синтез-газ

Хужжиев Маъмуржон Янгибоевич преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Хакимов Шахзод Розик угли студент Бухарского инженерно-технологического института.

Аннотация: В данной статье изучены методы получения синтез газа, дающие начало синтезу углеводородов (жидкое топливо) и другим техническим ценным продуктам. Abstract: This paper examines the methods for producing synthetic gas that trigger the synthesis of hydrocarbons (liquid fuels) and other technical products. Ключевые слова: Конверсия, метан, синтез-газ, топливо, углеводород, метанол. Keywords: Conversion, methane, synthesis gas, fuel, hydrocarbon, methanol.

Углекислотная конверсия метана в синтез-газ СО + Н2 — одна из важней- ших химических реакций, пригодная для промышленного получения во- дорода и дающая начало синтезу углеводородов (жидкое топливо) и других технически ценных продуктов. Существует три метода окислительной конверсии метана в синтез-газ:

852 na-journal.ru Технические науки

• паровая конверсия

CH4 + H2O ↔ CO + 3H2 ΔН = +206 кДж/моль (1) • парциальное окисление кислородом

CH4 + 1/2O2 ↔ CO + 2H2 ΔН = –35,6 кДж/моль (2) • углекислотная конверсия

2CO + 2H2 ↔ CH4 + CO2 ΔН = +247 кДж/моль (3) В промышленности используется практически лишь метод паровой конверсии (1). Реакцию проводят на нанесенном Ni-катализаторе при вы- сокой температуре (700–900 °C). Что касается реакции (2), то на ее основе фирмой «Shell» был разработан технологический процесс в некаталити- ческом варианте при очень высоких температурах (1100–1300 °C), реали- зованный на небольшом заводе в Малайзии. Заметим, что по последним сведениям из-за аварии этот завод сейчас не работает. Реакция (3) пока находится в стадии исследования на уровне лабораторных и пилотных испытаний. Как следует из уравнений (1) — (3), количественный состав образующегося синтез-газа в этих реакциях различный: в реакции (1) по-

лучается синтез-газ состава СО: Н2 = 1:3, в реакции (2) — смесь 1:2, в ре- акции (3) — смесь 1:1. Потребность в синтез-газе того или иного состава определяется его последующим техническим назначением. Так, для синтеза метанола требуется синтез-газ состава 1:2

СО + 2Н2 = СН3ОН (4) В производстве аммиака из азото-водородной смеси на стадии ее по-

лучения применяют синтез-газ состава 1CO:3H2. Относительно недавно предложено использовать синтез-газ состава 1:1 для промышленного по- лучения диметилового эфира. Формальная стехиометрия этой реакции со- ответствует уравнению

2СО + 4Н2 = СН3ОСН3 + Н2О (5)

Однако, с учетом того, что в условиях этого процесса H2O вступает во взаимодействие с CO (паровая конверсия CO)

CO + H2O ↔ CO2 + H2 ΔH = — 41 кДж/моль (6)

г. Самара 853 Научный аспект №4 2018 том 7

реально для получения диметилового эфира требуется смесь CO: H2 со- става 1:1:

3СО + 3Н2 = СН3ОСН3 + СО2 (7) Термодинамическое рассмотрение реакции (7) указывает, что она мо- жет осуществляться при давлениях значительно меньших, чем реакция (4). Катализатором реакции (7) может служить комбинация катализаторов дегидратации и синтеза метанола. Получаемый диметиловый эфир пред- лагается применять в качестве топлива в дизельных двигателях без пере- делки самих двигателей (это топливо резко снижает вредные выхлопы ─ «топливо 21 века», как его назвали разработчики).

Список литературы

1. Катализ в С1 — химии. / Под ред. Л. Кайма. Л.: Химия, 1987. 296 с. 2. Караханов Э. А., Что такое нефтехимия // Соросовский Образователь- ный журнал. 1996. № 2. С. 65─73. 3. Харитонов Ю. Я. Комплексные соединения // Соросовский Образова- тельный журнал. 1996. № 1. С. 48─56.

УДК 660.665.2 Изучение метода осушки и очистки газов растворами гликолей

Ямалетдинова Айгуль Ахмадовна преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Уроков Амирбек Улугбекович студент Бухарского инженерно-технологического института.

Аннотация: В данной статье изучаются методы осушки и очистки газов растворами гликолей и даны параметры растворимости их в ДЭГ. Уменьшение концентрации воды РДЭГ до 0,5 масс.% позволит понизить точку росы на 4÷5 0С и обеспечить без проведе- ния существенной модернизации установки регенерации абсорбента.

854 na-journal.ru Технические науки

Abstract: In this paper the methods of drying and cleaning gases with solutions of glycols are studied, and their solubility parameters in DEG are given. Reducing the concentration of water RDEG to 0.5 mass.% will allow to lower the dew point by 4 ÷ 5 0С and to ensure absorbent regeneration without significant modernization of the unit.

Ключевые слова: Сернистый газ, Н2S, СO2, диэтиленгликоль, растворимость, природ- ный газ, точки росы, абсорбент.

Keywords: Sulfur dioxide, H2O, CO2, diethylene glycol, solubility, natural gas, dew points, absorbent.

При добыче сернистых газов в ряде случаев возникает необходимость их очистки растворами гликолей, например при отсутствии на промыслах бессернистого газа для топливной сети или других технологических целей. Подача на такие месторождения бессернистого газа из других месторожде- ний связана со строительством отдельного газопровода, что требует боль- шие капиталовложения. Потребность в очистке газов от сероводорода может возникнуть также

при эксплуатации месторождений с высоким содержанием Н2S и СO2 в ре- жиме с поддержанием пластового давления за счет закачки газа в пласт, когда не требуется очистка газа от сернистых соединений до требований отраслевого стандарта ОСТ.

Благодаря этому при очистке высокосернистых газов от Н2S раствором гликоля полученные кислые газы могут перерабатываться для производ- ства газовой серы [1, с. 49].

Таблица 1. Растворимость природного газа в водных растворах ДЭГ, об/об, при различных давлениях и температурах.

Концентрация Температура 0С Р, МПа ДЭГ,%(масс.) 20 30 40 50 60 2,0 1,84 1,60 1,40 1,19 1,00 100 6,0 5,44 4,70 4,10 3,50 3,00 10,0 8,50 7,90 6,80 5,75 5,00 2,0 1,70 1,50 1,30 1,06 0,94 95 6,0 4,80 4,40 3,76 3,20 2,82 10,0 7,90 7,30 6,31 5,40 4,69

г. Самара 855 Научный аспект №4 2018 том 7

Большой практический интерес представляет технологическая схема, исключающая выброс в атмосферу кислых газов. Установка, работающая по такой схеме спроектирована для газоконденсатного месторождения Самантепе. Основным отличием этой схемы от схем обычных установок осушки газа является наличие в ней двух дополнительных колонн: для

очистки части газа от Н2S и для выделения Н2S из раствора ДЭГ при высо- ких давлениях [2, с. 101].

Список литературы

1. Бородина И.И, Алиев А.Г, Нам Н.К и др. Геология, разведка и разра- ботка газовых и газоконденсатных месторождений Северного Кавказа. М. ВНИИЭгазпром, 1976 С 110114 2. Теряева Н.Н, Халиф А.Л. Разработка газовых месторождений, транс- порт газа, промысловая и заводская обработка газа Тр ВНИИГАЗа М, 1974 С. 198.

УДК 660.665.2 Экологические аспекты применения биоэтанола в автомобильных топливах

Нуруллаева Зарина Валиевна преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В статье даны аспекты при использовании топлива Е85 (85% об. этано- ла, 15% об. неэтилированного бензина) или Е10 (10% об. этанола, 90% об. неэтилиро- ванного бензина) значительно улучшается качество воздушной среды и повышается эффективность энергетики. Abstract: This paper discusses the aspects of using E85 fuel (85% by volume of ethanol, 15% by volume of unleaded gasoline) or E10 (10% by volume of ethanol, 90% by volume of unleaded gasoline) which significantly improves the quality of air and increases energy efficiency. Ключевые слова: Технология, экология, топливо, биоэтанол, оксигенат, углеводороды, гетероциклические соединения.

856 na-journal.ru Технические науки

Keywords: Technology, ecology, fuel, bioethanol, oxygenate, hydrocarbons, heterocyclic compounds.

Одними из перспективных составляющих топлив, повышающих антиде- тонационную стойкость бензинов, являются кислородсодержащие соеди- нения (оксигенаты, в том числе биоэтанол), характеризующиеся высоким октановым числом смешения, низкой летучестью, пониженной фотохи- мической активностью. Возрастающее при этом в бензине содержание кислорода способствует дожигу оксида углерода в диоксид. Использова- ние биоэтанола не только решает проблему повышения октанового числа бензина, но и расширяет область использования отходов сельскохозяй- ственного производства. В сравнении с другими возможными продукта- ми биоэтанол является наиболее вероятным потенциальным заменителем бензина. Моторные топлива, содержащие биоэтанол обладают понижен- ным расходом горючего, меньшей эмиссией вредных веществ, хорошими антидетонационными и эксплуатационными свойствами по сравнению с бензином. Спирты не содержат серу и азот, поэтому рассматриваются как чистое топливо [1, c.66–68]. В большинстве случаев загрязнение городского воздуха вызвано высо- кой токсичностью выхлопных газов транспортных средств. Альтернативой, обеспечивающей почти мгновенные результаты — использование топлива с полным сгоранием. Использование бензина с примесью биоэтанола — одно из предлагаемых решений в качестве топлива, обогащенного кислородом. Данные о снижении вредных выбросов при применении реформулиро- ванных бензинов с добавками оксигенатов приведены в таблице 1. Результаты исследований, показывают, что выбросы газов, вызываю- щих парниковый эффект снижаются, на 35–46%, а при использовании невозобновляемых источников энергии благодаря применению этанола в качестве моторного топлива снижаются на 50–60%. Проанализировав материалы по использованию энергии и выбросам парниковых газов, можно сделать вывод, что этанол в топливе Е85 по сравнению с любыми иными видами топлив сокращает в несколько раз выбросы газов, вызыва- ющих парниковый эффект [2, c.113–117].

г. Самара 857 Научный аспект №4 2018 том 7

Таблица 1. Результаты применения реформулированных бензинов с добавками оксигенатов

Вредные выбросы Снижение вредных выбросов Токсичные вещества -28% Летучие углеводороды -17% Оксиды азота -3% Монооксид углерода -13% Диоксид углерода -4% Оксиды серы -11% Сажа -9%

Список литературы

1. Под ред. О.Ф. Глаголевой и В.М. Капустина. Технология переработки нефти. Ч. I. / М.: Химия, Колосс, 2005. С. 630. 2. Уильям Л. Леффлер. Переработка нефти. М. ЗАО Олимп — бизнес, М., 2003, 224 с.

УДК 660.665.2 Выбор адсорбента для селективного выделения ароматических углеводородов

Бакиева Шахноза Комиловна преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В данное работе рассматривалось выделения ароматических углеводо- родов из нефтяных фракций и газоконденсатов в нефтеперерабатывающих заводах, установлено, что оптимальным адсорбентом для их извлечения является силикагель. Abstract: In this work, the separation of aromatic hydrocarbons from petroleum fractions and gas condensates in oil refineries was considered. It was found that silica gel was the best adsorbent for their extraction. Ключевые слова: Адсорбент, хроматография, силикагель КСК‑2, экстракт, смола.

858 na-journal.ru Технические науки

Keywords: Adsorbent, chromatography, silicagel KSK‑2, extract, resin.

Применение адсорбентов в нефтепереработке и в исследованиях нефти и не- фтепродуктов известно уже давно. Классическими являются методы Маркус- сона: «Определение группового состава смолистых нефтепродуктов с приме- нением флоридина (позже силикагелей) для выделения смол» [1, с. 85] В настоящее время среди всех предложенных методов экстракции аро- матических углеводородов метод экстракции диэтиленгликолем остается наиболее прогрессивным. Поэтому он осуществлен в промышленности, как у нас, так и за рубежом — процесс «Юдекс». Но метод имеет и некото- рые недостатки. Наиболее бурное развитие получил хроматограф адсорбционный, кото- рый был создан русским ученым М.С.Цветом еще в 1903 году. В настоящее время он нашел широкое применение, как точный, тонкий и универсаль- ный метод анализа и разделения сложных смесей на ее составные части. Хроматографический анализ по точности превосходить обычные приемы качественного анализа, позволяя изолировать и идентифицировать малые количества веществ. За короткий срок хроматография стала необходимым методом исследовательской работы, почти каждой химической лаборато- рии. Сейчас хроматографический метод превратился в самостоятельный раздел физико-химического анализа и приобретает все большее значение, как в лабораторной практике, так и в промышленности. Преимущество это- го метода заключается в том, что он применим для выделения и разделение смесей веществ очень близких по своему составу, строению и свойствам. Для удаления излишков ароматических углеводородов в топливах при- менен адсорбционный метод, как наиболее простой и универсальный. Как известно, ароматические углеводороды способны более селективно адсор- бироваться на специально подобранных адсорбентах, чем парафиновые и нафтеновые углеводороды; на этом основано их выделение из нефтяных продуктов. Проведенными в лаборатории химии нефти ИОНХ АН РУз многолетними исследованиями в области выделения ароматических угле- водородов из нефтяных фракций и газоконденсатов [2, с. 129] установлено, что оптимальным адсорбентом для их извлечения является силикагель.

г. Самара 859 Научный аспект №4 2018 том 7

В качестве оптимального адсорбента для адсорбции ароматических углеводородов из ряда силикагелей нами выбран силикагель КСК‑2. Ха- рактеристика силикагеля такова: средний радиус пор 7 нм (70 ангстрем); насыпной удельный вес 2,24г/см3; объем пор 1,19см /г; и т.д.

Список литературы

1. Кельцев Н.В. Основы адсорбционной техники. — М.: Химия, 1976. 448 с. 2. Шарипов К.К., Нарметова Г.Р. Дизельное топливо, отвечающее совре- менным требованиям. // Мат. Межд. научн.-практ. конф. Нефтепере- работка‑2009. Уфа, 2009, с. 129.

УДК 660.665.2 Влияние солей на использование нефти и нефтяного сырья

Тошбоев Сардор Уктам угли студент Бухарского инженерно-технологического института.

Сатторов Мирвохид Олимович преподаватель Бухарского инженерно-технологического института.

Аннотация: В статье рассматривается влияние солей на использование нефти и не- фтяного сырья в переработке нефти. Даны методы предупреждения появления соле- отложений в аппаратах. Abstract: This paper discusses the effect of salts on the use of oil and crude oil in oil refining. Methods for preventing scale build-up in the apparatus are proposed. Ключевые слова: Соль, коррозия, гидролиз, засорение, осложнение, нефть, переработка. Keywords: Salt, corrosion, hydrolysis, clogging, complication, oil, processing.

Наличие солей в нефти причиняют особенно тяжелые и разнообраз- ные осложнения при переработке. Содержание солей в нефти нередко

860 na-journal.ru Технические науки

достигает 2000–3000мг/л и в отдельных случаях доходит до 0,4–0,3%. Нормальная переработка таких нефтей оказывается совершенно не- возможной. Засорение аппаратуры. Соли отлагаются, главным образом, в горячей аппаратуре. Растворенные в воде соли выделяются при испарении воды. Поскольку последнее происходит в основном на поверхности нагрева или в непосредственной близости от нее, часть выкристаллизовавшихся со- лей прилипает к этим поверхностям, оседая на ней в виде прочной корки. Иногда эти соляные корки отламываются, извлекаются потоком нефти далее и осаждаются в последующей аппаратуре. Коррозия аппаратуры. Коррозия т.е. разъедание нефтеперегонной ап- паратуры при переработке соленных нефтей вызывается выделением сво- бодной соляной кислоты в процессе гидролиза некоторых хлористых со- лей [1, c.88–90]. Мазут в котором остается значительная часть солей, содержащихся в сырой нефти, обладает также сильными коррозионными свойствами, что приводит к преждевременному выходу из строя топочной аппаратуры электростанций и турбинных двигателей. Понижение производительности установок. Отложение солей в трубах, уменьшающие их проходные сечения, обусловливает резкое понижение производительности. Мазуты с содержанием хлоридов от 800–2200мг/л имели простой за счет остановок на промывку сырья до 20% календарного времени. Уменьшение ассортимента вырабатываемых продуктов. Соли в основ- ном, так же как и при наличии механических примесей, концентрируются только при перегоне в мазутах и гудронах. По имеющимся наблюдениям в аппаратуре осаждается толькот10–20% солей, содержащихся в исходном сырье [2, c.256–258]. Таким образом часто при переработке нефтей с повышенным содержа- нием солей приходится отказываться от получения из них указанных оста- точных продуктов, т.е. снижать ассортимент вырабатываемой продукции. Мазуты и гудроны, предназначеные на использование в качестве топлива, приходится, если есть возможность смешивать с другими, более чистыми нефтепродуктами в целях понижения зольности.

г. Самара 861 Научный аспект №4 2018 том 7

Список литературы

1. Уильям Л. Леффлер. Переработка нефти. М.: Олимп-бизнес, 2004., 224 с. 2. Агабеков В.Е. Нефт и газ технологии и переработки — Минск: Беларус. наука 2011.,459 с.

УДК 660.665.2 Особенности образования газоводонефтяной эмульсии в системах сбора

Ризаев Дониёр Бахтиёр угли студент Бухарского инженерно-технологического института.

Шабонов Маъруф Бахриддин угли студент Бухарского инженерно-технологического института

Сатторов Мирвохид Олимович преподаватель магистратуры Бухарского инженерно-технологического института.

Аннотация: Образование промысловых эмульсий носит смешанный характер, при этом реализуются оба пути. В процессе движения обводненной газожидкостной смеси от забоя скважины до пункта подготовки нефти снижается давление и температу- ра потока. При снижении давления выделяется газ из раствора. Abstract: The formation of crude oil emulsions is mixed in its nature with both ways being applied. In the process of movement of the flooded gas-liquid mixture from the bottom of the well to the point of oil preparation, the pressure and temperature of the stream decrease. When the pressure decreases, gas is released from the solution. Ключевые слова: Газоводонефтяная эмульсия, диспергирование, дисперсия, коллоид- ные частицы, выделения газа, асфальтены. Keywords: Oil-gas emulsion, dispersion, dispersion, colloidal particles, gas evolution, asphaltenes.

Газожидкостные смеси (ГЖС) в системе сбора представляют собой слож- ные многофазные системы, физические свойства которых зависят не

862 na-journal.ru Технические науки

только от свойств компонентов — нефти, газа и воды, но и от процессов диспергирования и коалесценции, определяемых технологией их сбора и транспорта. Поэтому выбор оборудования и гидродинамических ре- жимов его работы в системе сбора и транспорта газожидкостной смеси должен учитывать необходимость обеспечения условий минимального диспергирования, а, следовательно, предотвращать образование стойких газоводонефтяных эмульсий [1, с. 77–78]. Образование промысловых эмульсий носит смешанный характер, при этом реализуются оба пути. В процессе движения обводненной га- зожидкостной смеси от забоя скважины до пункта подготовки нефти снижается давление и температура потока. При снижении давления вы- деляется газ из раствора. Парафин, смолы и асфальтены переходят из молекулярно растворенного состояния в коллоидное и далее образуют суспензии, т.е. происходит конденсация. Газ, выделяющийся из раство- ра внутри глобул нефти, «взрывает» их (диспергирование). Снижение температуры потока улучшает растворимость газа в жидкой фазе и в то же время способствует конденсации парафина, смол и асфальтенов, которые являются стабилизаторами эмульсий. Глубиннонасосное обо- рудование и насосы системы сбора являются сильными диспергатора- ми[2, с. 38]. Образование эмульсий путем конденсации в основном имеет место в скважинах и устранить его практически невозможно, так как сниже- ние давления и температуры при современных методах добычи нефти неизбежно. Таким образом, при движении потока продукции от забоя скважины до установки подготовки нефти образование эмульсии является результатом воздействия на продукцию двух процессов — конденсации и диспергиро- вания. Степень эмульгирования путем конденсации определяется величи- ной изменения давления и температуры потока.

Список литературы

1. Репин H.H., Девликамов В.В., Юсупов О.М. и др. Технология механи- зированной добычи нефти. — М.: Недра, 1976.— 175 с.

г. Самара 863 Научный аспект №4 2018 том 7

2. Борисов С.И., Петров A.A., Веретенникова И.В. и др. Оценка параме- тров процесса деэмульсации нефтей для новых нефтяных месторожде- ний // Нефтяное хозяйство.— 1974.— № 7.-С.38.

УДК 660.665.2 Особенности применения консервационных, консервационно-рабочих и рабоче-консервационных масел

Ходжамов Улугбек Акмаматович студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института

Комилов Муродилло Зоирович кандидат технических наук, доцент Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В рабоче-консервационных маслах ингибиторы коррозии не только не должны ухудшать физико-химические, противоокислительные, моющие, смазываю- щие, противоизносные и противозадирные свойства, но улучшать их, синергетически сочетаясь с базой и основной композицией присадок. Abstract: In power-preservative oils, corrosion inhibitors should not impair physical and chemical, antioxidative, detergent, lubricating, antiwear and extreme pressure properties, but should also improve them by synergistically combining with the base and the basic composition of additives. Ключевые слова: Масла, присадка, смазка, пленка, коррозия, износ. Keywords: Oils, additives, lubricant, film, corrosion, wear.

Современные рабоче-консервационные масла должны обладать следую- щими особенностями, определяющими принципы их разработки: 1) обладать хорошими или очень хорошими физико-химическими, про- тивоокислительными, моющими, смазывающими, противоизносными и противозадирными свойствами, что достигается подбором соответ-

864 na-journal.ru Технические науки

ствующей углеводородной базы и композицией присадок. В рабоче- консервационных маслах ингибиторы коррозии не только не должны ухудшать эти показатели, но улучшать их, синергетически сочетаясь с базой и основной композицией присадок. Для консервационно-ра- бочих масел допустимо некоторое ухудшение основных эксплуатаци- онных свойств, которые тем не менее должны оставаться на среднем или высоком уровне (масла с присадками АКОР‑1, КП и др.). Чисто консервационные масла хорошими эксплуатационными свойствами не обладают (К‑17, НГ‑208 и др.). Современные рабоче-консерваци- онные масла для форсированных карбюраторных и дизельных двигате- лей автотракторной техники (типа M-PKi и М-РКа) по совокупности эксплуатационных свойств не уступают рабочим маслам серии «Г», используемым в самых напряженных машинах последних конструк- ций. Рабоче-консервационные трансмиссионные масла типа Т-РК с присадкой НГ‑107Т имеют очень высокий уровень противоизносных и противозадирных свойств; 2) обладать высокими противокоррозионными свойствами по отношению к черным и цветным металлам во всем диапазоне температур и в тече- ние всего срока работы масла, что достигается выбором соответству- ющих противокоррозионных присадок и ингибиторов коррозии, не ухудшающих эти показатели. Это условие обязательно для всех типов масел разного назначения [1, с. 126–127]; 3) защищать черные и цветные металлы (во всяком случае не усиливать их коррозию) в паровой фазе, над зеркалом нагретого до высоких темпе- ратур (120–250 °C) масла; 4) надежно защищать от коррозии черные, цветные металлы и сплавы в тонкой пленке, что достигается введением в масла комбинированных ингибиторов коррозии, состоящих из соединений хемосорбционного и адсорбционного типов. 5) не терять высоких защитных свойств в тонкой пленке после эксплуата- ции (окисления) масла в экстремально жестких условиях. Другими словами, отработанные рабоче-консервационные масла должны обладать такими же высокими защитными свойствами в тонкой пленке, как и исходные.

г. Самара 865 Научный аспект №4 2018 том 7

Список литературы

1. Гуреев А.А. и др. Химмотология. М.: Химия, 1986, 368 с.

УДК 660.665.2 Применение водных растворов метилдиэтаноламина для очистки газов

Жалилов Бахтиёр Акрам угли студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института

Сатторов Мирвохид Олимович преподаватель Бухарского инженерно-технологического института.

Аннотация: В статье рассматриваются процессы очистки газов водными раствора- ми метилдиэтаноламина. Приведены показатели установки очистки газа раствором МДЭА с 5 вариантами. МДЭА имеет низкое давление насыщенных паров, высокую устойчивость к разложению и минимальную коррозионную активность. Abstract: This paper discusses the process of gas cleaning with aqueous solutions of methyldiethanolamine. The indicators of the gas cleaning installation with MDEA solution with 5 options are given. MDEA has a low vapor pressure, high resistance to decomposition and minimal corrosive activity.

Ключевые слова: Сернистый газ, Н2S, СO2, метилдиэтаноламин, абсорбер. Keywords: Sulfur dioxide, H2O, CO2, methyldiethanolamine, absorber.

При использовании в качестве поглотителя сероводорода водных растворов моно- и диэтаноламинов происходит также глубокое извлечение из газов ди- оксида углерода. Однако в ряде случаев нет необходимости в тонкой очистке

газа от СO2, например, при подаче очищенного газа в топливную сеть, нахо- дящуюся вблизи ГПЗ, при закачке газа в пласт, при необходимости подачи на действующую установку дополнительного количества газа с большим содер- жанием сероводорода, нежели это предусмотрено по проекту и т. д. Поэтому

866 na-journal.ru Технические науки

большое практическое значение имеет разработка процессов избирательного извлечения из газа сероводорода в присутствии диоксида углерода. Одним из таких процессов является очистка газа водными растворами метилдиэтанола- мина (МДЭА). При малой продолжительности контакта не достигается тон-

кая очистка газа от Н2S, при большой за счет увеличения количества погло- щенного диоксида углерода снижается селективность процесса[1, c.56–58]. В Газлийском СОУ осуществлен перевод установки диэтаноламиновой очистки газа на МДЭА. Первоначально установка была спроектирована 3 на переработку 1,3 млн м /сут газа, содержащего 2,65% СO2 и 0,1% Н2S. В этих условиях получение кондиционного газа обусловило снижение производительности установки до 991 тыс. м3/сут при степени насыщения 0,48 моль кислых газов на 1 моль раствора ДЭА Возможность сохранения производительности установки прорабатывалась в трех вариантах: а) уве- личение мощности установки на 340 тыс. м3/сут путем дополнительных капиталовложений; б) повышение степени насыщен раствора 0,65 моль/ моль; в) замена раствора ДЭА на МДЭА. Проектные проработки показали преимущества третьего варианта. Пе- ред подачей в систему раствора МДЭА установку трижды промыли: сна- чала горячим водным 9%-ным раствором сульфаминовой кислоты с до- бавкой лимонной кислоты и обезжиривающего вещества; затем 5%-ным

Таблица 1. Показатели установки очистки газа раствором МДЭА.

Показатели 1 2 3 4 5 Сырьевой газ (Р=5,6 МПа): расход, тыс. м3/ч 36,53 36,81 36,81 37,83 35,68 температура, °C 28,9 29,4 32,2 33,3 33,3 3 концентрация Н2S, мг/м 76,5 88,7 85,7 88,7 84,7

концентрация СO2,% 3,52 3,47 3,47 3,47 3,48 Регенерированный раствор МДЭА 33% (масс): расход, м3/ч 15,77 18,94 22,64 26,28 27,90 температура, °C 36,1 37,7 43,9 46,1 48,9

концентрация Н2S мг/л 17,0 17,0 8,5 25,0 8,5

Концентрация СO2, мг/л 851 918 720 765 982 Степень насыщения амина, моль/моль 0,58 0,55 0,52 0,46 0,45 Время контакта газ — амин, с 3,51 2,93 2,45 2,10 1,99

г. Самара 867 Научный аспект №4 2018 том 7

водным раствором кальцинированной соды. Третья промывка произво- дилась 2%-ным водным раствором МДЭА для удаления всех соединений, которые могли бы вступить в реакцию с МДЭА. Затем в систему ввели рас- твор, содержащий 33% (масс.) МДЭА. Через несколько дней после начала эксплуатации анализировали работу абсорбера при различных расходах амина. Для каждого значения расхода амина брали данные по объему, со- ставу, температуре и давлению входящего и выходящего из абсорбера газа, составу, расходу и температуре тощего амина, температуре насыщенного амина и температуре в нижней части абсорбера [2, c.178–179].

Список литературы

1. Белов П.С., Голубева И.А., Низова С.А. Экология производства хими- ческих продуктов из углеводородов нефти и газа. — М., 1991. 2. Смидович Е. В.Технология переработки нефти и газа. 3-е изд. М., Хи- мия, 1980.

УДК 660.665.2 Процесс ароматизации фракции легких парафинов пропана и бутана

Сафаров Бахри Жумаевич кандидат технических наук, доцент Бухарского инженерно-технологического института Худойбердиев Сирожиддин Аловиддин студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института Тошев Мавзуддин Саъдулла угли студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института Курбонов Мухриддин Тулкин угли студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института Аннотация: В работе рассмотрено процесс ароматизации на модифицированных це- олитных катализаторах ИКМ‑1-М в проточных реакторах при температурах 465–

868 na-journal.ru Технические науки

540 0С, давлении до 4,5 атм., объемных скоростях подачи газовой смеси до 1500 ч‑1. Промышленные испытания позволяет получать алифатические и концентрат арома- тических углеводородов. Разработаны исходные данные на проектирование процесса ароматизации пропана и бутана. Abstract: The paper discusses the process of aromatization on modified IKM‑1-M zeolite catalysts in flow reactors at temperatures of 465–540 °C, pressure up to 4.5 atm., volumetric gas mixture feed rates up to 1.500 h‑1. Industrial testing allows to obtain aliphatic and concentrated aromatic hydrocarbons. Baseline data concerning the design of the process of flavoring propane and butane were given. Ключевые слова: Пропан, бутан, сжиженный углеводородный газы, ароматические углеводороды, катализатор, парафиновые углеводороды. Keywords: Propane, butane, liquefied hydrocarbon gases, aromatic hydrocarbons, catalyst, paraffin hydrocarbons.

Процесс ароматизации фракции легких парафинов пропана и бутана про- шла опытно-промышленные испытания и позволяет получать концентрат ароматических углеводородов. Процесс проводится на модифицирован- ных цеолитных катализаторах ИКМ‑1-М в проточных реакторах при тем- пературах 465–540 0С, давлении до 4,5 атм., объемных скоростях подачи газовой смеси до 1500 ч‑1. Процесс ароматизации низкомолекулярных парафиновых углеводо- родов сложный процесс, включающий не только реакции, направленные на получение целевых продуктов, но и ряд нежелательных реакций. По- этому избирательное проведение процесса превращения низших алканов в ароматические углеводороды возможно только в присутствии высоко- селективных катализаторов. Характеристики предлагаемого процесса при переработке пропан-бутановой фракции, достигнутые к настоящему мо- менту в проточной системе при атмосферном давлении и без рециркуля- ции, приведены в таблице 1. Сравнение достигнутого уровня с процессом CYCLAR показывает, следующее. Выход жидких углеводородов в процессе CYCLAR на превращенное сырье составляет 63,5% при использовании пропана и 70,5% при исполь- зовании бутана [1].

г. Самара 869 Научный аспект №4 2018 том 7

Таблица 1.Показатели процесса (за проход).

Конверсия,% 90–96 Селективность (% мас.) Водород 4,5–6,5 Топливный газ (метан и этан) 20–22 Пропан-бутановая фракция 12–15 Алифатические углеводороды 8–11

Ароматические углеводороды С5+ менее 1,0 в том числе, бензол 53–58 толуол 22–23 ксилолы 11–13 прочие 8–7 Выход ароматических углеводородов на превращенное сырье 68–71 (% масс.)

В случае предлагаемого нами процесса, при атмосферном давлении и без рециркуляции при использовании пропан-бутановой фракции, вы- ход ароматических углеводородов составляет 70–72% на превращенное сырье. При этом состав получаемых продуктов очень близок составу про- дуктов, получаемому в процессе CYCLAR (таблица 2). Использование проточного реактора с не подвижным слоем катализа- тора вместо движущегося слоя, что значительно увеличивает надежность процесса. Больший выход ароматических углеводородов в расчете на превращенное сырье даже в отсутствии циркуляции. Длительность межрегенерационного

Таблица 2. Характеристика состав получаемых продуктов

Ароматические Содержание,% масс углеводороды Предлагаемый процесс Процесс CYCLAR Бензол 25–27 27–31 Толуол 38–42 43–41

Фракция С8 21–22 20–17

Фракция С9+ 11–12 11–10

870 na-journal.ru Технические науки

пробега катализатора в режиме с подъемом температуры составляет не менее 80–100 часов. Разработаны исходные данные на проектирование процесса.

Список литературы

1. Расулов С.Р., Мустафаева Г.Р., Махмудова Л.А. Перспективные катализа- торы ароматизации пропана. Нефтепереработка и нефтехимия. Научно- технические достижения и передовой опыт.— 2012.— № 1. — С. 36–41.

УДК 660.665.2 Исследование метода защелечивания обессоленной нефти

Курбонов Мухриддин Тулкин угли студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института.

Тажимова Гулистан Рамановна студент Каракалпакского государственного университета

Очилов Абдурахим Абдурасулович старший преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В статье исследован метод защелечивания обессоленной нефти при пере- работке. С защелечиванием обессоленной нефти можно защитить от коррозии всё оборудование в нефтеперерботке. Abstract: This paper examines the method of desalted oil alkalization during processing. With the snapping of desalted oil, it is possible to prevent corrosion of all the equipment in oil refining. Ключевые слова: Коррозия, нефть, реагент, колонна, защита, шелочь. Keywords: Corrosion, oil, reagent, column, protection, alkali.

На подавляющем большинстве установок первичной переработки нефти осуществляется химико-технологическая защита конденсационно-холо-

г. Самара 871 Научный аспект №4 2018 том 7

дильного оборудования атмосферных колонн от коррозии с применением эффективных антикоррозионных реагентов и современного технологиче- ского и коррозионного мониторинга. Современная химико-технологическая защита конденсационно-холо- дильного оборудования установок первичной переработки нефти от кор- розионного воздействия неорганических хлоридов, хлорорганических, серосодержащих соединений и кислот обеспечивается применением ком- плексной программы химико-технологических мероприятий, включающей: глубокое обезвоживание и обессоливание нефти на установках элек- трообессоливания (ЭЛОУ) с использованием современных высокоэффек- тивных нефтерастворимых деэмульгаторов, эффективных и надежных электродегидраторов и смесителей промывной воды с нефтью; подачу перед установками дистилляции требуемого количества раство- ра щелочи оптимальной концентрации в обессоленную нефть с использо- ванием оборудования для их эффективного смешения [1, c.18]; подачу в шлемовые линии атмосферных колонн современных нейтра- лизующих аминов и пленкообразующих ингибиторов коррозии с исполь- зованием оборудования для точного дозирования реагентов и их эффек- тивного инжектирования в потоки; применение современных сертифицированных аналитических методик, оборудования и приборов физико-химического мониторинга коррозии (коррозионные зонды, коррозиметры, рН-метры на потоке и т.д.) [2, c.31]. Пристальное и постоянное внимание специалистов завода и инженер- ной сервисной службы обеспечивает существенное повышение стабиль- ности химико-технологической защиты от коррозии. При квалифициро- ванном инженерном сопровождении среднегодовые отклонения от норм СТП по содержанию ионов железа в воде из рефлюксных емкостей атмос- ферных колонн (не более 1,0 мг/дм3) снижаются с 15–35% до 1–2%.

Список литературы

1. Луговской А.И., Логинов С.А., Хуторянский Ф.М. и др. Химико-техноло- гическая защита от коррозии оборудования установки ЭЛОУ-АВТ‑4. // Химия и технология топлив и масел. 2000. № 5. С. 17–20.

872 na-journal.ru Технические науки

2. Залищевский Г.Д., Гошкин В.П., Хуторянский Ф.М. Совершенствова- ние технологии подготовки нефти и оборудования блоков ЭЛОУ. // Не- фтепереработка и нефтехимия. 2001. № 3. С. 29–31.

УДК 660.665.2 Определение влажности углеводородных газов методом «точки росы»

Ямалетдинова Айгуль Ахмадовна преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Шадиева Насиба Толибовна студент Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В работе исследованы свойства углеводородных газов методом точки росы. Метод «точки росы» основан на принципе измерения температуры конденсации влаги на охлаждаемой поверхности прибора. По температуре и давлению, при кото- рых выпадает роса, определяют содержание влаги в газе. Abstract: This paper examines the properties of hydrocarbon gases using the dew point method. The dew point method is based on the principle of measuring the temperature of moisture condensation on the cooled surface of the device. The temperature and pressure at which the dew falls, determine the moisture content in the gas. Ключевые слова: Осушка, гидрат, механические примесы, компрессор, магистральный газопровод, агрегат, коррозия. Keywords: Dehydration, hydrate, mechanical impurities, compressor, main gas pipeline, unit, corrosion.

Главным мерилом степени осушения газа является хорошо известная всем еще по школьным учебникам физики «точка росы». Чем она ниже, тем лучше. В целом же для уже прошедшего обработку газа точка росы должна быть не выше, чем минимальная температура окружающей среды, в кото- рой газ будет проходить при транспортировке. Речь может идти о цифрах

г. Самара 873 Научный аспект №4 2018 том 7

в –60 градусов по Цельсию и ниже. Если данное требование не исполняет- ся, значит требуется дополнительная осушка. В некоторых случаях на промыслах это условие обходят. Чтобы избежать проблем с влагой, газ просто разогревают, после чего направляют в трубу. Подогреть газ можно в теплообменнике: например, с помощью пара. Главное, чтобы при этом температура транспортируемого «голубого то- плива» оставалась хотя бы на несколько градусов выше точки, при кото- рой начинается образование гидратов. С этим, однако, и возникают проблемы. Если длина трубы достаточ- но велика, то даже после подогрева газ довольно быстро вновь приобретет температуру окружающей среды, следствием чего станут все описанные выше проблемы. Поэтому подогрев газа чаще всего осуществляют на магистралях срав- нительно небольшой длины. Например, на трубах, ответственных за до- ставку газа непосредственно от пунктов добычи до «сборного пункта». А уже там проводится осушение газа для последующей транспортировки на дальние расстояния. Метод «точки росы» или конденсационный метод основан на принци- пе измерения температуры конденсации влаги на охлаждаемой поверх-

Рис 1. Схема прибора для определения точки росы: 1—стеклянный тройник; 2— полированное металлическое зеркало; 3 — термопара; 4 —милливольтметр; 5 — медный стержень; 6 —сосуд, Дьюара с жидким азотом; 7 — стакан со смесью воды со льдом

874 na-journal.ru Технические науки

ности прибора. Влажный газ пропускают над тщательно отполированной охлаждаемой извне металлической поверхностью — «зеркалом». При до- стижении температуры насыщения водяными парами из газа выделяется влага и на зеркале выпадает роса. По температуре и давлению, при кото- рых выпадает роса, определяют содержание влаги в газе [1, с. 61–63]. Приборы, работа которых основана на этом принципе, различны по конструкции, что зависит от способов фиксации момента выпадения росы. Наиболее просты лабораторные приборы визуального измерения температуры выпадения росы при атмосферном давлении (рис. 1). Небольшое металлическое зеркало 2, припаянное к медному стержню 5, помещается в стеклянном тройнике 1. Медный стержень опускается в сосуд Дьюара 6 с охладителем, обычно жидким азотом. В центре нижней части зеркала 2 вставлен спай термопары 3, соединенный с милливольтметром 4 и отградуированный по нему. Поток анализируемого газа пропускают через тройник и по милливольтметру фиксируют температуру момента выпадения росы на зеркале. Чтобы избежать субъективности наблюдения и повысить точность измерения, прибор иногда снабжают фотоэлементом [2, с. 113].

Список литературы

1. Лукин В.Д., Анцыпович И.С. Регенерация адсорбентов. — Л. 1993–216 с. 2. Жданова Н. В., Халиф А.Л. Осушка природных газов. М. 1975. 158 с.

УДК 660.665.2 Сопоставительный анализ способов борьбы с разлившейся нефтью

Абдуллаева Шохиста Шухратовна преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В статье рассматриваются устранения разливов нефти с водной поверх- ности, способ сбора нефти над загрязнением. В настоящее время создан оригинальный способ сбора нефти: над загрязнением распыляются намагниченные наночастищы же-

г. Самара 875 Научный аспект №4 2018 том 7

леза, после чего образовавшаяся взвесь собирается постоянными магнитами, не тре- бующими электропитания. Abstract: The paper is devoted to the issue of eliminating oil spills from the water surface, a method of collecting oil over pollution. Today, there is an original method of collecting oil: magnetized iron nanoparticles are sprayed over pollution, after which the resulting suspension is collected by permanent magnets that do not require electrical power. Ключевые слова: Феноль, крезоль, ущерб, загрязнения, каучук, сорбентов, пенополистирол. Keywords: Phenol, cresol, damage, pollution, rubber, sorbents, expanded polystyrene.

Нефть и нефтепродукты относятся к наиболее распространенным и опас- ным загрязняющим природные воды веществам. Помимо углеводородов в них находятся кислород, серо и азотсодержащие соединения. Мало- сернистая нефть содержит до 0.5% серы, высокосернистая — свыше 2%. Содержание азота и кислорода колеблется от десятых долей до 1,2–1,8%. В нефти обнаружно свыше 20 различных элементов (ванадий, никель, кальций, магний, железо, алюминий, кремний, натрий и др). Нефть в воде образует слой на поверхности, при этом легкие углеводо- роды начинают испаряться. В водный раствор переходят жирные, карбоно- вые и нафтеновые кислоты, а также фенолы, крезолы. Через несколько суток после поступления нефтепродуктов в воду в результате химического и био- химического разложения образуются и другие растворимые соединения — окисленные углеводороды, токсичность которых значительно выше, чем не- окисленных углеводородов. Часть содержащейся в воде нефти и продуктов её разложения сорбируют данные отложения, причем наибольшей сорбци- онной способностью обладают глинистые илы. Оседающие на дно отмершие водоросли сорбируют растворенные в воде металлы, прежде всего цинк. При разложении растительных остатков в придонных слоях воды образуется се- роводород, вступающий в соединение с металлами. В результате в донных от- ложениях появляются плохорастворимые сульфиды металлов [1, c.20]. Эти материалы являются производными той же нефти и очень дороги (каучуковая крошка). К тому же их после контакта с нефтю необходимо собирать, вывозить и утилизировать, что также загрязняет атмосферу. Воз- никшую проблему можно решить с помощыо минеральной ваты. Основным

876 na-journal.ru Технические науки

компонентом такой ваты является базальтовое волокно. Оно впитывает не- фтепродукты в интервале температур от 700 до –196 °C, т.е., даже если рядом с пятном происходит контролируемое сжигание другого пятна, на способ- ности базальтового сорбента впитывать нефть это не отразится. Возможно- сти ваты: добивается 97% впитывания за 15 минут и 99% за три часа[2, c.73]. С нашей точки зрения для устранения разливов нефти с водной поверх- ности необходимо использовать универсальные, высокоэффективные, нетоксичные, гидрофобные сорбенты, обладающие высокой плавучестью.

Список литературы

1. Справочник по оборудованию для борьбы с загрязнением нефтью и не- фтепродуктами./ Компания «ЭЛАСТЭК Инк. США».М:,1996,-27 с. 2. Новиков Ю. В. Охрана природы. Tашкент: Укитувчи, 1995

УДК 660.665.2 Эффективность протекания процесса каталитического риформинга

Ахроров Аббос Асрор угли студент магистратуры Бухарского инженерно-технологического института

Тиллоев Лочин Исматиллоевич преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Кобилов Азамат Бешим угли студент Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В статье анализировано и дано пути повышения эффективности протека- ния процесса каталитического риформинга бензиновой фракции в значительной степени.

г. Самара 877 Научный аспект №4 2018 том 7

Abstract: This paper analyzes and offers ways to significantly increase the efficiency of the catalytic reforming process of the gasoline fraction. Ключевые слова: Бензин, риформат, катализатор, эффективность, переработка, процесс. Keywords: Gasoline, reformate, catalyst, efficiency, refining, process.

Каталитический риформинг бензиновой фракции позволяет получать в больших количествах высокооктановые бензины и более чем наполови- ну удовлетворяет потребности газонефтепереработки в водороде для ги- дрогенизационных процессов, связи с чем, поиск путей его совершенство- вания является актуальным. Эффективность протекания процесса каталитического риформинга бензиновой фракции в значительной степени зависит от активности и се- лективности применяемых в данном процессе катализаторов и обеспече- ния равномерности контакта сырьевой смеси с поверхностью катализато- ра. Поэтому подбор высокоактивных и высокоселективных катализаторов и оптимальных конструктивных элементов реактора позволит получать со значительным выходом риформат с высоким октановым числом [1, c.112–113]. На установке каталитического риформинга типа Л‑35–8/300Б произ- водительностью 275 тыс.тонн/год используется каталитическая система, состоящая из катализатора R‑56 фирмы «UOP» и скаллопов с перфори- рованным исполнением проточной части, которая позволяет получать стабильный катализат с октановым числом по исследовательскому методу 95,5 пунктов. Проведенные расчеты показали, что при более высоком сроке службы и межрегенерационном пробеге предлагаемый катализатор позволяет по- лучить более высококачественный риформат с более высоким суммарным выходом катализата. Использование скаллопов новой конструкции позволяет более равно- мерно распределить поток газосырьевой смеси по зоне реакции и, как следствие, исключить появление застойных зон в слое катализатора и сни- зить скорость нарастания перепада давления в реакторе в ходе межреге-

878 na-journal.ru Технические науки

нерационного периода, то есть увеличить межрегенерационный период и срок службы реактора в целом [2, c.322–323] Таким образом, замена действующей каталитической системы на но- вую позволяет повысить производительность установки до 290 тыс.тонн/ год, а также улучшить качество риформата (октановое число 98 по ИМ) и увеличить концентрацию водорода в получаемом водородсодержащем газе до 87%.

Список литературы

УДК 660.665.2 Производство бензина из газового конденсата на основе процесса цеоформинга

Шарипов Кахрамон Кандиёрович кандидат химических наук, старший преподаватель Бухарского инженерно-технологического института

Шарифова Нигора Ахтам кизи магистрант Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В данной статье произведен анализ газо-химических процессов перера- ботки углеводородного сырья, в том числе действующие технологические процессы на промышленном заводе. Приведены характеристики промышленного способа получения автобензина из стабильного конденсата по процессу цеоформинг. Abstract: This paper provides an analysis of gas and chemical processes for hydrocarbons processing, including the current technological process at an industrial plant. Characteristics of industrial method for obtaining gasoline from stable condensate by the process of zeoforming is described.

г. Самара 879 Научный аспект №4 2018 том 7

Ключевые слова: Сырья, бензол, олефин, катализатор, толуол, ксилол. Keywords: Raw materials, benzene, olefinin, catalyst, toluene, xylene.

На НПЗ эксплуатируется установка производства ароматизованного авто- бензина А‑76 (Нормаль‑80) из стабильного конденсата по процессу цео- форминг проектной производительностью по сырью — 1,8 млн т/год. Переработка низкооктанового стабильного конденсата в бензин осу- ществляется в присутствии цеолитсодержащего катализатора типа пента- сил. Принципиальным отличием процесса цеоформинг от классического риформинга является отсутствие капиталоемких установок производства водорода [1, c.18].

Химические основы процесса цеоформинг Процесс осуществляют в интервале температур 360–450 °C, давлении 0,5– 2,0 МПа и скорости подачи жидкого сырья от 0,5 до 2 ч. Продуктом явля- ется высокооктановая бензиновая фракция НК‑185 °C, с необходимыми значениями октанового числа и давления насыщенных паров. Побочной

продукцией является остаточная фракция ТХ>185 °C и углеводородные

газы С1-С4. Синтез высокооктановых бензиновых фракций из углеводородного сырья на цеолитсодержащих катализаторы включает ряд последователь- но-параллельных химических реакций, протекающих по карбоний-ион- ному механизму [2, c. 4]

Таблица 1. Относительная скорость ароматизации углеводородов

Число атомов углерода Скорость ароматизации, отн. ед. в молекуле парафины циклопарафины 6 19,5 40,0 7 36,0 49,0 8 46,0 84,0 9 58,0 -

880 na-journal.ru Технические науки

В процессе цеоформинг термодинамические условия препятствуют ре- акциям образования бензола. Если бензол присутствует в исходном сырье, то он частично превращается в толуол и ксилол вследствие алкилирования промежуточными олефинами и взаимодействия ароматических углеводо- родов [3, c.31].

С6Н6 + С8Н10 → 2С6Н5СН3 Каталитические свойства цеолитсодержащих катализаторов обеспечи- вают глубокое превращение олефинов, что позволяет производить автобен- зин с низким содержанием олефинов. В процессе цеоформинг на поверх- ности катализатора происходит образование кокса, который дезактивирует катализатор, что, в свою очередь, приводит к снижению октанового числа бензина. Потерю в активности катализатора компенсируют повышением температуры до 420–460 °C, поддерживая состав и качество продуктов на постоянном уровне. Длительность меж регенерационного пробега ката- лизатора (в зависимости от режима работы и качества сырья) составляет 200–350 ч. Для восстановления активности катализатор периодически ре- генерируют, подавая инертный газ с добавками кислорода [4, c.20]. В таблицах 2 и 3 приведен материальный баланс работы установки на различных режимах, в частности при производстве бензинов А‑76 и АИ‑91 с использованием в качестве катализатора цеолита. Результаты таблиц 2 и 3 показывают, что снижение объемной скорости сырья, подаваемого на реакторный блок, с 1,8 до 1,2 ч*1 позволяет получать в начальный период цикла ароматизации (в течение 30–40 ч) автобензин АИ‑91. К сожалению, выход бензина при этом не превышает 24,5 масс.% в расчете на исходное сырье (стабильный конденсат), что в 2,1 раза меньше, чем в режиме про- изводства бензина А‑76 (таблица 2). В режиме производства бензина АИ‑91 наблюдается заметное (с 13,7 до 24,9 масс.%) увеличение образования газа (таблица 3), что, естественно, снижает показатели работы установки. Отметим, что в режиме производства бензина АИ‑91 наблюдалось за- метное снижение октанового числа образующегося катализата после 40 ч работы установки. Увеличить продолжительность цикла ароматизации в режиме производства бензина АИ‑91 по действующей схеме получения автобензина оказалось невозможно.

г. Самара 881 Научный аспект №4 2018 том 7

Таблица 2. Производство автобензина на различных режимах

Режим производства Режим производства Технологический режим бензина А‑76 бензина АИ‑91 Производительность установки 4,5 3,1 по сырью, т/ч Загрузка сырья на реакторный 2,65 1,8–1,5 блок, т/ч Температура в реакторах, °C 400 385–390 Давление в реакторах, МПа 0,7 0,7 Объемная скорость сырья, ч»1 1,8 1,2 Выход бензина, т/ч 2,32 0,76 Выход бензина, масс.% (на сырье- 51,6 24,5 стабильный конденсат)

Таблица 3. Материальный баланс производства автобензина АИ‑76 и АИ‑91

Углеводородный поток Производство бензина А‑76 Производство бензина АИ‑91

т/ч % на сырье т/ч % на сырье Сырье (вход 0–1) 4,5 100 3,1 100 Бензин (верх Кт‑12) 2,32 51,6 0,76 24,5 Га з 0,62 13,7 0,77 24,9 Другие дистиллятные 1,56 34,7 1,55 49,9 фракции Потери 0,01 0,7 0,02 0,7

Необходимо отметить, что в процессе цеоформинг происходит рас- ширение, по сравнению с исходным сырьем, фракционного состава бен-

зиновой фракции. В результате разрыва С–С связи углеводородов С7+

образуются углеводороды легких фракций бензина С4-С6, что приводит к понижению температуры начала кипения катализата. Синтез фракций

С4-С6 происходит и в результате реакций перераспределения водорода в молекулах олефиновых углеводородов, образовавшихся при разры-

882 na-journal.ru Технические науки

ве С–С связи углеводородов С7. В итоге достигается требуемое значение температур начала кипения и упругости паров бензинов, получаемых из утяжеленного сырья. Применение в технологической схеме колонны ста- билизации позволяет регулировать давление насыщенных паров бензина в широком диапазоне и производить бензины летних и зимних видов или для разных климатических районов.

Список литературы

1. Степанов В.Г. Научные и технологические основы процесса цеофор- минг. — Материалы семинара «Цеоформинг — новая промышленная технология получения бензина. Тез. докл.» — Новосибирск, Изд-во Института катализа, 1998, С. 17–29. 2. Степанов В.Г., Ионе К.Г. Производство высокооктановых автобен- зинов процессом цеоформинг//Химическая промышленность, 1999, № 10, С. 3–8. 3. Ахметов А.Ф., Каратун О.Н. Превращение прямогонных бензиновых фракций на модифицированных пентасилсодержащих катализаторах // Химия и технология топлив и масел.— 2002, № 3, С. 30–32. 4. Кудрявцев М.А. Разработка новых технологических решений по пере- работке высокопарафинистого газового конденсата: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — ООО «СЕ- ВЕРГАЗПРОМ» СОСНОГОРСКИЙ ГАЗОПЕРЕРАБАТЫВАЮЩИЙ ЗАВОД, Москва, 2004 г.

г. Самара 883 Научный аспект №4 2018 том 7

УДК 660.665.2 Изучение физико-химических свойств газоконденсата Бухарского-Хивинского региона

Шарифова Нигора Ахтам кизи магистрант Бухарского инженерно-технологического института

Аннотация: В данной статье излагаются физико-химические свойства газового кон- денсата и нефти месторождения Учкыр, Южный Кемачи, Денгизкул, Кукдумалак и Уртабулак, которые поступают на заводскую переработку. Ключевые слова: Сырье, конденсат, плотность, парафин, температура, вязкость. Abstract: This paper outlines physical and chemical properties of gas condensate and oil found in Uchkyr, South Kemachi, Dengizkul, Kukdumalak and Urtabulak oil fields which further go for recycling. Keywords: Raw materials, condensate, density, paraffin, temperature, viscosity.

Углеводородным сырьем, поступающим на УСК‑1, является нестабильная смесь газового конденсата и нефти, добываемых на месторождениях Бу- харской провинции в Республике Узбекистан. Смесь газового конденсата и нефти Учкыр, Южный Кемачи, Денгиз- кул, Кукдумалак и Уртабулак нефтегазоконденсатных месторождений после предварительной промысловой подготовки транспортируется на завод на переработку. Физико-химические характеристики жидкого сы- рья, поступающего на заводскую переработку, как в настоящее время, так и «перспективного» сырья, которое может содержать в своем составе до 35 масс.% нефти, приведены в таблице 1, где указан компонентный состав нестабильного конденсата, который поступает на заводскую переработку. Вероятный вариант разработки газоконденсатных месторождений предполагает поступление сырья с месторождений Кукдумалаксой груп-

884 na-journal.ru Технические науки

Таблица 1. Компонентный состав нестабильного конденсата

Содержание (% мольные / Газовый % массовые) фактор Сырье масса С02 N2 C1 С2 С3 ∑C6 м3/м3 м3/г Плoт. кг/м3 Плoт. Молекулярная Молекулярная

0,07 0,01 8,34 9,64 16,55 33,46 Текущее сырье 65,5 611 189 260 0,03 0,01 1,84 3,98 10,24 54,9 0,09 0,05 6,50 9,86 18,18 32,67 Перспективное сырье 79,8 665 166 226 (35 масс.% нефти) 0,03 0,03 1.31 3,72 10,05 58,73

пы, в том числе: Кукдумалакское, Газлинской НГКМ. Предполагается также вовлечение в разработку перспективных месторождений Крук НМ. По данному сценарию сырьевой базы объем нестабильных жидких угле- водородов, поступающих на Бухарский НПЗ в течении 21 лет находится в пределах 1,7–1,8 млн тыс.т/год [1, c.3–5]. Разработка технологической схемы переработки нефтегазоконденсат- ного сырья невозможна без проведения комплексного физико-химиче- ского исследования исходного и перспективного сырья. Кроме того, образцы стабильного конденсата были подвергнуты рек- тификации на узкие 10-ти градусные фракции на установке «Autodest 800» фирмы FISCHER (Германия). Ректификацию проводили на колонне с 15 те- оретическими тарелками при кратности орошения 1:5 в несколько стадий: дебутанизация; атмосферная разгонка до 200 °C; разгонка от 200 до 290 °C при разряжении 100 мм. рт. с., разгонка от 290 до 380 °C под вакуумом 10 мм. рт. ст.. Для узких фракций определяли плотность, молекулярную массу, кине- матическую вязкость, температуру помутнения и застывания [2, c.153–154]. На основе 10-ти градусных фракций были приготовлены модельные композиции дизельных и бензиновых фракций, которые затем анализи- ровали с целью определения оптимальных пределов выкипания товарных продуктов.

г. Самара 885 Научный аспект №4 2018 том 7

Анализ полученных результатов позволяет сделать следующие выводы: Стабильный конденсат, как существующий, так и перспективный, харак- теризуется незначительным содержанием общей серы (соответственно 0,03 и 0,05 масс.%), пластовой воды (соответственно 0,01 и 0,02 об.%), а также хлористых солей (соответственно 5,7 и 7,8 мг/л), что предопреде- ляет высокое качество товарных продуктов. Дистиллятные и остаточные фракции, образующиеся при переработке данного сырья, соответствуют требованиям российских и международных стандартов [3, c.65].

Список литературы

1. Степанов В.Г., Ионе К.Г. Производство высокооктановых автобен- зинов процессом цеоформинг//Химическая промышленность, 1999, № 10, С. 3–8. 2. Степанов В.Г., Ионе К.Г. Цеоформинг технология переработки прямо- гонных бензиновых фракций нефтей и газовых конденсатов в высо- кооктановые автобензины. Малотоннажная переработка нефти и газа в Республике Саха (Якутия): Материалы конференции Якутск, Якут- ский филиал СО РАН, 2001, С. 153–160. 3. Кудрявцев М.А. Разработка новых технологических решений по пере- работке высокопарафинистого газового конденсата: Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — ООО «Се- вергазпром» Сосногорский газоперерабатывающий завод, Мо- сква, 2004 г.

886 na-journal.ru ДЛЯ ЗАМЕТОК ПРИГЛАШАЕМ АВТОРОВ!

Журнал «Научный аспект №1 2019» Свидетельство ПИ № ФС 77-48432, ISSN 2226-5694

Прием статей в номер: до 29 марта 2019 Печать выпуска: с 8 апреля 2019 Рассылка авторских экземпляров: 19 апреля 2019 Эл. почта редакции: [email protected] Подробнее на сайте http://na-journal.ru