一种基于功率超声波的原油改质装置的制作方法

本实用新型涉及原油改质技术领域，尤其涉及一种基于功率超声波的原油改质装置。

背景技术：

随着人们对能源需求的不断增加,原油的开采也愈来愈受到重视,在石油加工、原油炼化过程中，原油的高效、低成本加工一直是所有石化能源行业不懈追求的目标。原油胶质、沥青质含量高，导致原油粘度大，给运输、加工带来一定难度；原油中汽油、柴油馏分含量少，需要通过其他方式才能获得成品油产品，因此原油炼化加工困难。随着我国自产原油和进口原油的重质化、劣质化越来越严重，原油改质和高效炼化对我国石油化工行业有着举足轻重的作用。

目前普遍应用的改质方法为加热和添加催化剂，使得重质组分发生裂解反应以提高轻质油产量。现有的原油炼化工艺主要包括催化裂化、延迟焦化、原油加氢，外加催化剂反应所需温度在200℃以上，反应条件需要加热，造成成本的增加。并且上述工艺不同程度地存在裂解不完全、油浆严重缩合、催化剂使用量大、催化剂中毒等问题。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

本实用新型的目的是提供一种基于功率超声波的原油改质装置，能够安全、低能耗和无污染的进行原油改质，并同时提高原油炼化率。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于功率超声波的原油改质装置，包括至少一个超声聚能组，所述超声聚能组包括多个环绕原油管道周向分布的变幅杆式超声波换能器，每个所述变幅杆式超声波换能器均包括换能单元、超声波变幅杆和超声波工具头，所述超声波变幅杆一端与所述换能单元连接，另一端与所述超声波工具头连接，所述超声波工具头伸入所述原油管道内。

优选地，所述原油管道内设有格栅结构，所述格栅结构将所述原油管道的横截面分隔成与所述变幅杆式超声波换能器数量相同的空间，且每个空间对应一个所述变幅杆式超声波换能器。

优选地，还包括外壳，所述外壳套设于所述原油管道和所述超声聚能组外。

优选地，多个所述超声聚能组在所述原油管道的轴向上间隔设置。

进一步地，每个所述超声聚能组的包括质数个环绕原油管道周向均匀分布的变幅杆式超声波换能器。

优选地，所述换能单元包括第一盖板、第二盖板、锁紧螺栓和压电陶瓷部，所述压电陶瓷部设置在所述第一盖板和所述第二盖板之间，所述锁紧螺栓穿过所述第一盖板、压电陶瓷部后与所述第二盖板连接。

优选地，所述压电陶瓷部包括至少一个压电陶瓷环，每个所述压电陶瓷环的两端分别设有金属极板，且两端的所述金属极板分别作为该压电陶瓷环的正极和负极。

优选地，所述压电陶瓷部包括偶数个压电陶瓷环，相邻的压电陶瓷环的相邻端共用一个金属极板，作为两个相邻压电陶瓷环共用电极。

(三)有益效果

本实用新型的上述技术方案具有如下优点：本实用新型提供的基于功率超声波的原油改质装置，包括至少一个超声聚能组，所述超声聚能组包括多个环绕原油管道周向分布的变幅杆式超声波换能器，每个所述变幅杆式超声波换能器均包括换能单元、超声波变幅杆和超声波工具头，所述超声波变幅杆一端与所述换能单元连接，另一端与所述超声波工具头连接，所述超声波工具头伸入所述原油管道内。利用超声波场在周围介质中所产生的强烈空化、热、机械、物理及化学效应，对原油中的胶质、沥青质的结构造成不可逆的影响。在大功率超声波的空化域内不断发生着空化泡的生长和破裂，在空化泡破裂的瞬间形成局部高压并释放巨大能量，产生局部高温和高速微射流，使得原油分子中的化学键发生断裂，大分子链向小分子链转化，破坏了胶质、沥青质单元体之间的缔合结构，从而促使胶质、沥青质转化，实现原油改质。

附图说明

图1是本实用新型实施例原油改质装置结构的俯视示意图；

图2是本实用新型实施例设有外壳的原油改质装置结构示意图；

图3是本实用新型实施例变幅杆式超声波换能器的结构剖面示意图。

图中：1：原油管道；11：格栅结构；2：变幅杆式超声波换能器；21：超声波变幅杆；22：换能单元；221：压电陶瓷部；222：第一盖板；223：第二盖板；224：锁紧螺栓；2211：压电陶瓷环：2212：金属极板；23：超声波工具头；3：外壳；4：电缆；5：超声波电源。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

如图1所示，本实用新型实施例提供的基于功率超声波的原油改质装置，包括三个超声聚能组，每个超声聚能组均包括三个绕原油管道1均匀分布变幅杆式超声波换能器2，每个所述变幅杆式超声波换能器2均包括换能单元22、超声波工具头23和用于配合换能单元22改变超声波振动幅度的超声波变幅杆21，其中，超声波就幅杆21的一端与换能单元22连接，另一端与超声波工具头23连接，超声波工具头23伸入原油管道1内，换能单元4发出的超声波直接作用于原油管道1内的原油，且该超声波的传播方向与原油管道1内的原油流向垂直。利用超声波场在周围介质(原油)中所产生的强烈空化、热、机械、物理及化学效应，对原油中的胶质、沥青质的结构造成不可逆的影响。在大功率超声波的空化域内不断发生着空化泡的生长和破裂，在空化泡破裂的瞬间形成局部高压并释放巨大能量，产生局部高温和高速微射流，使得原油分子中的化学键发生断裂，大分子链向小分子链转化，破坏了胶质、沥青质单元体之间的缔合结构，从而促使胶质、沥青质转化，实现原油改质。改质效果主要体现为：原油中的沥青质和胶质含量降低，胶体体系更加松散，原油粘度显著下降。实现低能耗、危险小、无污染的提高原油炼化率的目的。

进一步地，每个变幅杆式超声波换能器2分别与超声波电源5连接，且变幅杆式超声波换能器2与超声波电源5之间还设有阻抗匹配器，即超声波电源5通过阻抗匹配器与变幅杆式超声波换能器2进行谐振频率与阻抗的匹配，有效降低了超声波换能器的发热量，提高使用寿命。优选地，阻抗匹配器集成在超声波电源5内。

进一步地，超声波电源5包括整流电路、逆变电路、驱动电路、信号控制电路、匹配网络、及相关保护电路。具体地，超声波电源5提供三相380V、50Hz工频交流电经整流电路整流后产生直流输出电压，输送至逆变电路，从而获得功率足够大的高频交流电压。信号控制电路产生一定频率的控制信号，经过驱动电路，推动逆变电路中的开关器件正常工作。所述逆变电路输出的高频交流电压通过匹配网络可以高效率、最大功率地输送至变幅杆式超声波换能器2。

如图2所示，为了避免变幅杆式超声波换能器2之间相互干扰，在原油管道1内设置格栅结构11，且格栅结构11将原油管道1的横截面分隔成与所述变幅杆式超声波换能器2数量相同的空间，且每个空间对应一个所述变幅杆式超声波换能器2。优选地，格栅结构11的长度与原油管道1的轴向长度相同。

在一个具体的实施例中，如图2所示，超声聚能组包括三个在原油管道1的周向均匀分布的变幅杆式超声波换能器2，格栅结构11由三块格栅板组成，具体地，三块格栅板的一端相互连接，另一端沿不同的径向向着原油管道1的内壁延伸，并与原油管道连接，两个相邻格栅结板之间呈120°，在原油管道1的径向上将原油管道1均匀分成三个相对独立的空间，每个空间内伸入一个变幅杆式超声波换能器2，超声波以垂直于原油流向的方向作用于原油。

在另一个实施例中，格栅结构11由多个平行间隔设置的格栅板组成，多个格栅板将原油管道分成多个空间，每个空间对应设置一个变幅杆式超声波换能器2。

在本实施例中，根据原油管道1的管径、管长、原油流量和超声波换能器功率等因素综合考虑，优选地，在原油管道1上沿轴向间隔设置质数个超声聚能组，具体地，可根据情况在在原油管道1上沿轴向间隔设置3个、5个、7个、11个或13个超声聚能组。

每个超声聚能组包括质数个环绕原油管道1的周向均匀分布的变幅杆式超声波换能器2，发出的超声波沿原油管道1的径向向原油管道1的轴线方向传播，使在原油管道1获得覆盖整个横截面的均匀驻波场。

在本实施例中，为了更好的保护变幅杆式超声波换能器2，如图2所示，原油改质装置还包括外壳3，该外壳3套设于在原油管道1的外侧，变幅杆式超声波换能器2位于外壳3内，电缆4一端与超声波电源5连接，另一端穿过外壳3与变幅杆式超声波换能器2连接。

如图3所示，换能单元22包括第一盖板222、第二盖板223、锁紧螺栓224和压电陶瓷部221，其中，压电陶瓷部221设置在第一盖板222和第二盖板223之间，锁紧螺栓224穿过第一盖板222、压电陶瓷部221后与第二盖板223连接，压紧压电陶瓷部221。

具体地，压电陶瓷部221包括多个压电陶瓷环2211，相邻的压电陶瓷环2211的相邻端共用一个金属极板2212，作为压电陶瓷环2211的正级或负极。在最外侧的压电陶瓷环2211的外端(与其它压电陶瓷环2211不相邻的一端)单独设置一个金属极板2212作为该压电陶瓷环2211的正极或负极。

优选地，压电陶瓷环2211的数量为偶数个，如图3所示，压电陶瓷部221包括四个压电陶瓷环2211和五个金属极板2212，其中，最左侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环2211的左端设置有一个金属极板2212，最右侧(以图中所示方向)的压电陶瓷环2211的右端设置有一个金属极板2212，其它三个金属极板2212分别为相邻的压电陶瓷环2211共用。举例来说，若最左侧的金属极板2212为正极，则共用的三个金属极板2212由左到右依次为负极、正极和负极，最右侧的金属极板2212为正极，使压电陶瓷部的两端具有相同的电位。

在另一个实施例中，压电陶瓷部221包括一个或多个压电陶瓷环2211，每个压电陶瓷环2211的两端分别设有金属极板2212，两金属极板2212分别作为压电陶瓷环2211的正极和负极，每个压电陶瓷环2211和设置在该压电陶瓷环2211两端的金属极板2212一起可以看作为一个压电陶瓷单元，多个压电陶瓷单元之间串联。

具体应用时，在原油管道1上每隔2KM设置一个原油改质装置，更具体地，原油改质装置通过法兰盘与现有的原油管道相连接，使原油通过该装置达到原油改质和高效炼化的目的。

为了减少故障或维护时，原油改质装置对整体个原油采集工作的影响，原油改质装置也可以通过旁路的形式安装在现有的原油管道上。

优选地，本实施例中变幅杆式超声波换能器2的功率为1kw-20kw，更优选地，变幅杆式超声波换能器2的功率为5kw-10kw。

综上所述，本实用新型提供的原油改质装置与现有的原油管道连接，通过超声聚能组形成超声波场，利用超声波场在周围介质中所产生的强烈空化、热、机械、物理及化学效应，对原油中的胶质、沥青质的结构造成不可逆的影响，原油在在大功率超声波的空化域内不断发生着空化泡的生长和破裂，在空化泡破裂的瞬间形成局部高压并释放巨大能量，产生局部高温和高速微射流，使得原油分子中的化学键发生断裂，大分子链向小分子链转化，破坏了胶质、沥青质单元体之间的缔合结构，从而促使胶质、沥青质转化，实现原油改质。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。