Том 337 № 2 (2026)
DOI https://doi.org/10.18799/24131830/2026/2/5482
Адаптивный поиск желаемого распределения частиц по размерам водомасляной эмульсии c модулирующим поисковым сигналом
Актуальность. Разделение нефтяных водомасляных эмульсий остаётся одной из ключевых задач систем подготовки нефти. Эффективность физических методов воздействия, в том числе акустических, существенно зависит от дисперсного состава: размеры глобул эмульсий определяют требуемый диапазон рабочих частот и режимов воздействия. На практике эмульсии являются полидисперсными, а распределение глобул по размерам изменяется во времени, что делает ручной подбор параметров воздействия и достижение требуемого распределения трудоёмкими и слабо воспроизводимыми. Цель: разработка и аналитическое обоснование адаптивного алгоритма поиска параметра настройки, обеспечивающего приближение дисперсной системы к заданному распределению глобул по размерам на основе сигнала обратной связи. Объект: водомасляная эмульсия. Методы: экстремальный поиск с модулирующим гармоническим сигналом, демодуляция и частотная фильтрация, разложение целевой функции в ряд Тейлора в окрестности экстремума, анализ замкнутой системы в виде дифференциального уравнения. Результаты. Введена целевая функция, связывающая текущий параметр дисперсного состояния с эталонным значением. Предложено использовать величину, обратную радиусу глобулы, как параметр настройки. Разработана структурная схема адаптивной настройки с модулирующим сигналом, и показано, что положение текущей точки относительно экстремума определяется фазовым соотношением входного и выходного гармонических сигналов. Выполнена демодуляция сигнала с выделением компоненты ошибки, и получено дифференциальное уравнение замкнутого контура, решение которого имеет апериодический характер и обеспечивает сходимость параметра настройки к экстремальному значению при корректном выборе коэффициента усиления интегратора. Приведены характерные формы сигналов на этапах модуляции, фильтрации и после замыкания обратной связи.
Ключевые слова:
водомасляная эмульсия, адаптивная система, функция цели, энтропия, поиск экстремума, распределение частиц по радиусам
Библиографические ссылки:
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Mousavi M., Bernad A., Alopaeus V. Modeling oil/water emulsion separation in batch systems with population balances in the presence of surfactant // Chemical Engineering Science. – 2024. – Vol. 300. – Article 120558.
2. Water-in-oil emulsions separation using an ultrasonic standing wave coalescence chamber / C.M.G. Atehortúa, N. Pérez, M.A.B. Andrade, L.O.V. Pereira, J.C. Adamowski // Ultrasonics Sonochemistry. – 2019. – Vol. 57. – P. 51–61.
3. Ultrasonic assisted ultrafiltration process for emulsification of oilfield produced water treatment / A. Agi, R. Junin, A.Y.M. Alqatta, A. Gbadamosi, A. Yahya, A. Abbas // Ultrasonics Sonochemistry. – 2019. – Vol. 51. – P. 214–222.
4. Mechanism of ultrasonic strengthening fluidity of low mature shale oil: a case study of the first member of Lucaogou Formation, western Jimusaer Sag, Northwest China / B.Y. Wang, B. Liu, Y.F. Cui, Z.L. Wang // Petroleum Science. – 2023. – Vol. 20. – P. 3337–3347. DOI: 10.1016/j.petsci.2023.08.022.
5. Ultrasound emulsification – an overview / J.P. Canselier, H. Delmas, A.M. Wilhelm, B. Abismail // Dispersion Science and Technology. – 2002. – Vol. 23. – № 1–3. – P. 333–349.
6. Филипас А.А., Исаев Ю.Н., Кучман А.В. Определение резонансных частот шаровой капли в масляной среде // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2022. – Т. 333. – № 10. – С. 178–185. DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
7. Филипас А.А., Кучман А.В., Исаев Ю.Н. Альтернативный метод получения квазимонодисперсной водомасляной эмульсии // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2024. – Т. 335. – № 5. – С. 219–232. DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
8. Определение поверхностного натяжения на основе термокапиллярного движения / А.А. Филипас, А.В. Кучман, А.Ю. Зарницын, Ю.Н. Исаев // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2025. – Т. 336. – № 4. – С. 179–188. DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
9. Волькенштейн М.В. Энтропия и информация. – М.: Наука, 1986. – 190 с.
10. Сычёв В.В. Дифференциальные уравнения термодинамики. – М.: МЭИ, 2010. – 252 с.
11. Сычёв В.В. Сложные термодинамические системы. – М.: Энергоатомиздат, 2010. – 252 с.
12. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Гидродинамика. – М.: Наука, 1988. – Т. VI. – 734 с.
13. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. – М.: Химия, 1989. – 465 с.
14. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. – М.: Наука, 1988. – Т. V. – 734 с.
15. Румер Ю.Б., Рывкин М.Ш. Термодинамика. Статистическая физика. Кинетика. – М.: Физматлит, 1977. – 552 с.
16. Левич В.Г. Физико-химическая гидродинамика. – М.: Физматлит, 1959. – 700 с.
17. Адамсон А. Физическая химия поверхностей. – М.: Мир, 1970. – 568 с.
18. Schramm L.L., Stasiuk E.N., Marangoni D.G. Surfactants and their Applications // Annual Reports on the Progress of Chemistry, Section C: Physical Chemistry. – 2003. – Vol. 99. – P. 3–48. DOI: 10.1039/B208499F.
19. Vakh C., Koronkiewicz S. Surfactants application in sample preparation techniques: insights, trends, and perspectives // TrAC Trends in Analytical Chemistry. – 2023. – Vol. 165. – P. 117143. DOI: 10.1016/j.trac.2023.117143.
20. Ariyur K.B., Krstić M. Real-time optimization by extremum-seeking control. – Hoboken: John Wiley & Sons, 2003. – 236 p.
REFERENCES
1. Mousavi M., Bernad A., Alopaeus V. Modeling oil/water emulsion separation in batch systems with population balances in the presence of surfactant. Chemical Engineering Science, 2024, vol. 300, Article 120558.
2. Atehortúa C.M.G., Pérez N., Andrade M.A.B., Pereira L.O.V., Adamowski J.C. Water-in-oil emulsions separation using an ultrasonic standing wave coalescence chamber. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, vol. 57, pp. 51–61.
3. Agi A., Junin R., Alqatta A.Y.M., Gbadamosi A., Yahya A., Abbas A. Ultrasonic assisted ultrafiltration process for emulsification of oilfield produced water treatment. Ultrasonics Sonochemistry, 2019, vol. 51, pp. 214–222.
4. Wang B.Y., Liu B., Cui Y.F., Wang Z.L. Mechanism of ultrasonic strengthening fluidity of low mature shale oil: a case study of the first member of Lucaogou Formation, western Jimusaer Sag, Northwest China. Petroleum Science, 2023, vol. 20, pp. 3337–3347. DOI: 10.1016/j.petsci.2023.08.022.
5. Canselier J.-P., Delmas H., Wilhelm A.-M., Abismail B. Ultrasound emulsification – an overview. Dispersion Science and Technology, 2002, vol. 23, no. 1–3, pp. 333–349.
6. Filipas A.A., Isaev Yu.N., Kuchman A.V. Determination of resonant frequencies of a spherical droplet in an oil medium. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2022, vol. 333, no. 10, pp. 178–185. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
7. Filipas A.A., Kuchman A.V., Isaev Yu.N. Alternative method for obtaining a quasi-monodisperse oil–water emulsion. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2024, vol. 335, no. 5, pp. 219–232. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
8. Filipas A.A., Kuchman A.V., Zarnitsyn A.Yu., Isaev Yu.N. Determination of surface tension based on thermocapillary motion. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2025, vol. 336, no. 4, pp. 179–188. (In Russ.) DOI: 10.18799/24131830/2025/4/4985
9. Volkenstein, M.V. Entropy and information. Moscow, Nauka Publ., 1986. 190 p. (In Russ.)
10. Sychev, V.V. Differential equations of thermodynamics. Moscow, Moscow Power Engineering Institute Publ., 2010. 252 p. (In Russ.)
11. Sychev, V.V. Complex thermodynamic systems. Moscow, Energoatomizdat Publ., 2010. 252 p. (In Russ.)
12. Landau L.D., Lifshitz E.M. Fluid mechanics. Moscow, Nauka Publ., 1988. Vol. 6, 734 p. (In Russ.)
13. Frolov Yu.G. Course of colloid chemistry. Surface phenomena and disperse systems. Moscow, Khimiya Publ., 1989. 465 p. (In Russ.)
14. Landau L.D., Lifshitz E.M. Statistical physics. Moscow, Nauka Publ., 1988. Vol. 5, 734 p. (In Russ.)
15. Rumer Yu.B., Ryvkin M.Sh. Thermodynamics. Statistical physics. Kinetics. Moscow, Fizmatlit Publ., 1977. 552 p. (In Russ.)
16. Levich V.G. Physicochemical hydrodynamics. Moscow, Fizmatlit Publ., 1959. 700 p. (In Russ.)
17. Adamson A. Physical chemistry of surfaces. Moscow, Mir Publ., 1970. 568 p. (In Russ.)
18. Schramm L.L., Stasiuk E.N., Marangoni D.G. Surfactants and their applications. Annual Reports on the Progress of Chemistry, Section C: Physical Chemistry, 2003, vol. 99, pp. 3–48. DOI: 10.1039/B208499F.
19. Vakh C., Koronkiewicz S. Surfactants application in sample preparation techniques: Insights, trends, and perspectives. TrAC Trends in Analytical Chemistry, 2023, vol. 165, Article 117143. DOI: 10.1016/j.trac.2023.117143.
20. Ariyur K.B., Krstić M. Real-time optimization by extremum-seeking control. Hoboken, John Wiley & Sons, 2003. 236 p.
