石油是世界上重要的能源,原油的重质化与劣质化影响着油品的集输与使用。炼厂副产品渣油产量越来越多,渣油密度大、粘度高和流动性差的特性给加工和运输带来很大困难,渣油降粘具有重要的意义。高含硫原油给生产加工带来诸多危害,随着国家环保意识的加强,相应的法律法规越来越严格,在原油阶段尽可能降低硫含量已经是行业内的热点课题。本文使用多物理场模拟软件对超声波声场分布进行了数值模拟研究,首先通过合理改变超声波换能器的分布方式提高超声波声压分布增加空化效应发生的体积,其次通过响应曲面法设计四因素三水平模拟方案来放大超声波反应腔尺寸并优化输油管线换能器布置形式,模拟优化得到超声波反应腔尺寸:长度为477.25mm,宽度为748mm,高度为581.04mm,倒角为1.35mm,在该条件下声压峰值将达到40.3164MPa,期望值为0.964。输油管线换能器布置形式:换能器分布空间间隔角度为78.59°,换能器间隔距离为100cm,输油管半径为20cm,输油管壁厚为1.9cm,在该条件下声压峰值将达到38.216MPa,期望值为0.998,最后对核心装置进行三维建模并且初步完成超声波降粘系统方案设计。本文搭建以变幅杆式超声波为核心装置的实验平台,通过响应曲面法设计实验,全面分析影响超声波降粘以及脱硫的显著性因素,对各因素之间的耦合作用进行深入分析,优化得到最佳降粘以及脱硫的参数条件组合。影响超声波降粘的显著性因素为超声波功率和超声波作用时间,当超声波功率为900W,作用时间为14min,工作方式为工作2s间歇2s时,降粘效果最好,重质渣油和超重质渣油的降粘率分别能达到46.56%和63.95%;氧化剂添加量和超声波功率是影响超声波辅助原油氧化脱硫效果的显著性因素,在氧化剂添加量为10mL,超声波功率为700W,作用时间为10min时脱硫率达到最大值为72.54%。本文还通过红外光谱分析的方法,研究超声波处理前后油样的官能团变化,揭示降粘以及脱硫的作用机理。超声波处理后的一些表示油样轻组分的官能团峰面积增加,说明超声波空化效应对于胶质沥青质体系的裂解作用明显;超声波空化效应促使原油氧化剂混合液产生化学性质活泼的自由基,可以为氧化过程创造理想的条件,超声波辅助氧化脱硫后油样中一些含有C-S键的官能团消失,并且出现了氧化产物的S=O特征吸收峰,说明噻吩类硫化物氧化后生成了相应的亚砜和砜,表明超声波辅助氧化脱硫效果显著。论文研究在模拟超声波在油性介质中的传播方面取得了突破,为超声波降粘设备放大研究奠定了坚实的基础,为超声波工业化应用提供技术依据,同时在重质渣油降粘方面取得了良好的效果,丰富了超声波辅助原油脱硫研究的内涵,揭示了超声波技术的深层次作用机制。