2.1.1 Классификация и свойства эмульсий.: Эмульсии представляют собой термодинамические неустойчивые

1.1.2. Эмульсии

2.1.1 Классификация и свойства эмульсий.:  Эмульсии представляют собой термодинамические неустойчивые

Различаютэмульсии прямые, обратные и множественные.

Впрямых эмульсиях (эмульсии первогорода) в качестве дисперсионной сре­дывыступает более полярная жидкость.Применительно к водо-нефтяным эмуль­сиямэто эмульсии типа НУВ.

Вобратных эмульсиях (эмульсии второгорода) в качестве дисперсионной средывыступает менее полярная жидкость.Применительно к водо-нефтяным эмульсиямэто эмульсии типа В/Н.

Вомножественных эмульсиях капли дисперснойфазы содержат в своём объё­ме ещёболее мелкие капли дисперсионной среды.

Эмульсииподразделяются на разбавленные,концентрированные и высококон­центрированные.

Впервых на долю дисперсной фазы приходятсядоли % от объёма эмульсии.

Вовторых на долю дисперсной фазы приходятся% и даже десятки % от объ­ёма эмульсии.

Втретьих (мази, кремы) на долю дисперснойфазы приходится более 90 % от объёмаэмульсии.

Кромеосновных типов эмульсий, названныхвыше, различают так называемыемикроэмульсии и эмульсии Пиккеринга.

Первыепредставляют собой многокомпонентныесистемы, содержащие кро­медвух жидкостей с ограниченной взаимнойрастворимостью, мицеллообразующие ПАВ.Размер частиц дисперсной фазы составляет(10 — 100) 10-9м.

Вторыепредставляют собой один из трёх основныхтипов эмульсий, но с высоким содержаниемтвёрдых частиц, сконцентрированных награнице раздела фаз.

Всеэмульсии характеризуются: дисперсностью,вязкостью, плотностью, электрическимисвойствами и устойчивостью.

а)Дисперсность — это степень раздробленностидисперсной фазы в дисперсионной среде.

Дисперсность, во многом определяющаясвойства эмульсии, характеризуетсятремя величинами: 1 -диаметр капелек(dч);2 — собственно дисперсностью (Д),под которой понимают величину обратнуюдиаметру капель дисперсной фазы,3 — удельная межфазная поверхность(Sуд)под которой понимают отношениесуммарной поверхности капелек дисперснойфазы в единице объёма эмульсии к общемуих объёму.

Всетри названных величины взаимосвязаныследующим соотношением:

(1.6)

Дисперсныесистемы, состоящие из капелек одного итого же размера, называютсямонодисперсными, а дисперсные системы,состоящие из капель разного диаметра, называются полидисперсными.

Первыевстречаются крайне редко. Типичноераспределение дисперсной фазы подиаметрам для водо-нефтяных эмульсийприведено в табл.1.3.

Таблица1.3

Усредненное распределение дисперсной фазы по диаметрам для водо-нефтяных эмульсий

Ө, м·10-634510203040506080100≥200
φ0,050,150,200,180,150,080,050,030,030,020,020,04

Еслиdчпревышает I0-6м (капельки видны в оптический микроскоп),то подобныесистемы микрогетерогенными. Если dч t1.φин.об.(пр)– точка инверсии прямой или обратнойэмульсии.

Дляобратных и прямых эмульсий зависимостьвязкости от температуры об­ратнопропорциональна.

Дляобратных эмульсий вязкость в диапазонеконцентраций дисперсной фазы от 0 до 40% об. Увеличивается приблизительно в3раза, а для прямых эмульсий ~ в 50 раз, ноаб­солютныезначения вязкости для обратных эмульсийвсегда существенно выше, чем для прямыхпри одних и тех же значениях концентрациидисперсной фазы.

Дляобратных эмульсий в районе концентрацийдисперсной фазы порядка 74,6 % об. происходитсамопроизвольное превращение эмульсиив прямую. Данная точкаполучила название — точка инверсии фазобратных эмульсий (фин.об.).Вяз­костьэмульсии, непрерывно нараставшая доэтого, начинает стремительно убывать.

Дляпрямых эмульсий точка инверсии (фин.пр.)выражена менее отчетливо и находится в более широком интервале концентраций дисперсной фазы: от φд.ф.≈0,33 до φд.ф.≈0,45. После инверсии фаз вязкость эмульсиисначала резко нарастает, практическисравниваясь с вязкостью обратныхэмульсий, а затем плавно убывает, превышаяпо абсолютным значениям обратныеэмульсии.

в) Плотностьэмульсии (ρэ)подчиняется правилу аддитивности иможет быть рассчитана по формуле:

ρэ=ρд.с.·( 1- φд.ф.)+ ρд.ф.·φд.ф. (1.11)

где:ρд.с._-плотность дисперсионной среды;

ρд.ф. — плотность дисперсной фазы.

г) Электрическиесвойства эмульсии определяютсяэлектрическими свойствамиеё компонентов и её строением. Так, нефтьи вода в чистом виде являются хорошимидиэлектриками и имеют проводимость от10-12до 10-17(Ом·м)-1и от 10-9до10-10(Ом· м)-1соответственно.

Однако,при растворении в воде солей, онастановится проводником второго рода,поэтому прямые водо-нефтяные эмульсииотносятся к проводникам, а обрат­ныек диэлектрикам, способным при наложенииэлектрического поля в 40 — 100 раз увеличиватьэлектропроводимость благодаря особенностиповедения водяных капе­лек дисперснойфазы, выстраивающихся в цепочки вдольсиловых линий поля.

д) Подустойчивостью эмульсий понимают ихспособность сопротивляться расслоениюна составляющие фазы.

Устойчивостьэмульсии определяется временем еёсуществования (τ):

(1.12)

где:Н — высота слоя эмульсии;

v- средняя линейная скорость расслоения.

Посколькулюбая система согласно 2-го началатермодинамики всегда стре­мится кминимуму свободной энергии водо-нефтяныеэмульсии представляют со­бойтермодинамически неустойчивыеобразования, стремящиеся к саморазрушению.

Причём,с ростом температуры поверхностноенатяжение всегда уменьшается, в следствииослабления сил молекулярного притяжения.Обусловленного увеличени­ем среднегорасстояния между молекулами.

Известнотак же, что чем больше взаиморастворимыжидкости, образующие эмульсию, темменьше поверхностное натя­жение.

Различаютседиментационную и агрегативнуюустойчивость водо- нефтяныхэмульсий.

Подседиментационной устойчивостью понимаютспособность системы про­тивостоятьоседанию или всплытию частиц дисперснойфазы под действием стоксовых сил. Этаустойчивость прямо пропорциональнавязкостным характеристикам дисперсионнойсреды и обратно пропорциональна разностиплотностей нефти и во­ды, а такжеквадрату радиуса частиц дисперснойфазы.

Подагрегативной устойчивостью эмульсийпонимают способность частиц дисперснойфазы сохранять свои исходные размерыпри взаимном столкновении, илистолкновениями с границами разделафаз, или стенками сосуда.

Причём, потеряседиментационной устойчивости, приводящаяк полному разрушению водо-неф­тяныхэмульсий, как правило, начинается скоалесценции частиц дисперсной фазы,т.е.

с их слияния в агрегаты, состоящиеиз 2 и более глобул.

Особоподчеркнём, что наблюдающаяся на практикеустойчивость водо-нефтяных эмульсийвовсе не противоречит 2началутермодинамики, ибо даже в са­мойустойчивой эмульсии непрерывно идутпроцессы саморазрушения, но ихкине­тические характеристики могутбыть настолько малыми, что человеквоспринимает подобную систему какстабильную.

Современныетеоретические представления обустойчивости водо-нефтяных эмульсийсконцентрированы в теории Дерягина -Ландау — Фервея — Овербека (так называемаятеория ДЛФО), согласно которой относительнаястабильность водо-нефтяных эмульсийобеспечивается, во-первых, электростатическимотталкивани­ем диффузных частейдвойного электрического слоя, которыйобразуется при ад­сорбции ионов наповерхности частиц, во-вторых, образованиемна поверхности глобул дисперсной фазымощной сольватной оболочки из молекулдисперсной сре­ды, удерживаемойдвойным электрическим слоем за счетполяризации, в-третьих, образованиемна межфазных границах структурно -механических защитных слоев, способныхсопротивляться деформациям и разрушению,а так же способных «зале­чивать)дефекты защитного слоя, возникающиепри соприкосновении частиц дис­перснойфазы (расклинивающий эффект Ребиндера);в четвёртых, гидродинамиче­скимсопротивлением вытеснению жидкойдисперсной среды из прослойки междусближающимися частицами. Вклад всехперечисленных факторов в устойчивостьводо-нефтяных эмульсии далеко неодинаков. Решающее значение принадлежитобразованиюструктурно — механических защитныхслоев. Структурно — механиче­скиезащитные слои создаются за счёт такназываемых естественных эмульгаторови механическихпримесей. Под естественными эмульгаторами(поверхностно — актив­нымивеществами) понимаю! такие соединенияу которых взаимное притяжение междурастворенными молекулами и молекуламирастворителя меньше, чем взаим­ноепритяжение самих молекул растворителя.В результате, молекулыэмульгатороввыталкиваютсяиз объёма дисперсионной среды наповерхность частиц дисперсной фазы,где и адсорбируются, а это вызываетпонижение свободной поверхностнойэнергии (поверхностного натяжения),т.е. устойчивость водонефтяной эмульсиипо­вышается.К природным эмульгаторам относятсяасфальтены, смолы, парафины, нафтеновыеи жирные кислоты, а также эфиры.Обязательным условием строения молекулприродных эмульгаторов является ихдифильность, т.е. наличие двух час­тей-полярной группы и неполярногоуглеводородного радикала, имеющихбольшее сродствос водой и нефтью соответственно. Впротивном случае, молекулы подоб­ныхвеществ не смогли бы удержаться награнице раздела нефть-вода, а раствори­лисьбы в одной из фаз. Поэтому, эмульгирующеедействие подобных соединений темвыше, чем лучше сбалансированы междусобой полярные и неполярные частимолекул.

Многочисленныемеханические и мелкодисперсные примеси,добываемые вместе с продукцией скважин,как правило, способны смачиваться инефтью и во­дой.Постепенно адсорбируясь на поверхностираздела фаз (или с внутренней или снаружнойстороны частиц дисперсией фазы), этивещества образуют мощную, так называемую«броню», надежно стабилизирующуюводо-нефтяную эмульсию.

Такимобразом, для создания структурно-механическихзащитных слоев не­обходимовремя (от нескольких минут и даже секунд,до величин, порядка 20 часов).

Этот периодпостепенного повышения стабильностиводо-нефтяных эмульсий назы­ваетсястарением. Причем, наиболее быстростареют разгазируемая и охлаждаемаяводо-нефтянаяэмульсия, т.к.

в этом случае в нейлавинообразно нарастает количе­ствотвердых коллоидных частиц, прежде всегопарафинов.

Источник: https://studfile.net/preview/4522167/page:3/

Классификация нефтяных эмульсий и физико-химические свойства » Мы с АГНИ

2.1.1 Классификация и свойства эмульсий.:  Эмульсии представляют собой термодинамические неустойчивые

СКАЧАТЬ:  klassifikaciya-neft-emulsiy-shpora.zip [30,44 Kb] (cкачиваний: 170)

Классификация нефтяных эмульсий и физико-химические свойства

В эмульсиях вообще и в нефтяных в частности принято разли­чать две фазы — внутреннюю и внешнюю.

Лиофобные, т. е. термодинамически неустойчивые, эмульсии, к которым относятся нефтяные, обычно классифицируют либо по полярности дисперсной фазы и дисперсионной среды, либо по кон­центрации дисперсной фазы в системе.

Согласно первой классификации, различают эмульсии: непо­лярной жидкости (нефти) в полярной воде (см. рис.  69, а) — эмульсии первого рода, или прямые (М/В), а эмульсии полярной жидкости в неполярной (рис. 69, б) — эмульсии второго рода, или обратные (В/М).

Жидкость, в которой содержатся мелкие капельки другой жидкости, называют дисперсионной средой (внешней, неразрывной, сплошной) (см. рис. 69, 1), а капельки жидкости, размещенные в дисперсионной среде, — дисперсной фазой (внутренней, разобщенной) (см. рис. 69, 2).

Тип эмульсии легко установить определением свойств ее диспер­сионной среды.

В эмульсиях М/В внешней фазой является вода, и поэтому они смешиваются с водой в любых отношениях и обладают высокой электропроводностью, в то время как эмульсии В/M смешиваются только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной элек­тропроводностью. Установлено, что тип образующейся эмульсии в основном зависит от соотношения объемов нефти и воды; диспер­сионной средой (внешней) обычно стремится стать та жидкость, объем которой больше.

Рис. 69. Нефтяные эмульсии:

а — нефтеводяные (первого рода, прямые) М/В; б — водонефтяные (второго рода, обратные) — B/М;

1 — дисперсионная среда (сплошная, внеш­няя); 2 — дисперсная фаза (разобщенная, внутрен­няя)

Часто нефтяные эмульсии классифицируют также по концен­трации дисперсной фазы (см. рис. 69, 2) в дисперсионной среде (1), и в связи с этим они подразделяются на три типа: на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные.

К разбавленным эмульсиям относят системы жидкость — жид­кость, содержащие до 0,2 объем. % дисперсной фазы; к концентри­рованным эмульсиям — с содержанием дисперсной фазы до 74 объем. %; к высококонцентрированным — с содержанием дисперс­ной фазы свыше, чем 74 объем. %.

Особенности разбавленных эмульсий:1) незначительный диа­метр капелек дисперсной фазы (10-5 см); 2) на капельках этих эмульсий имеются электрические заряды; 3) капельки, как пра­вило, не сталкиваются, так как вероятность их столкновения очень мала и эмульсии эти весьма стойкие.

Особенности концентрированных эмульсий:1) капельки могут осаждаться (седиментировать); 2) в зависимости от свойств эмуль­гатора эмульсии эти могут быть весьма устойчивыми.

Особенности высококонцентрированных эмульсий:1) капельки дисперсной фазы не способны к седиментации; 2) вследствие боль­шой концентрации капельки дисперсной фазы в процессе движения могут деформироваться.

Размеры капелек дисперсной фазы в эмульсиях могут быть са­мыми разнообразными и колебаться в пределах от 0,1 до 100 мкм (от 10-5 до 10-2 см).

Дисперсные системы, состоящие из капелек одного и того же диаметра, называются монодисперсными, а дисперсные системы, состоящие из капель различного диаметра, — полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся, как правило, к полидисперсным системам, т. е.

к системам, содержащим ча­стицы самых разных размеров. Если капельки дисперсной фазы не видны в микроскоп, то такие системы называются ультрамикрогетерогенными, если же видны — микро­гетерогенными.

Нефтяные эмульсии относятся к микро­гетерогенным системам, а коллоидные растворы — к ультрамикрогетерогенным.

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий

Основные физико-химические свойства нефтяных эмульсий следующие: 1) дисперсность; 2) вязкость; 3) плотность; 4) электри­ческие свойства; 5) устойчивость (стабильность).

1. Дисперсность эмульсии. Дисперсность эмульсии — это сте­пень раздробленности дисперсной фазы (см. рис. 69) в дисперсион­ной среде.

Дисперсность, определяющая свойства эмульсии, характери­зуется тремя величинами: 1) диаметром капелек d; 2) обратной величиной диаметра капельки D = 1/d, называемой обычно дис­персностью; 3) удельной межфазной поверхностью, т. е. отноше­нием суммарной поверхности капелек к общему их объему. Все эти величины взаимосвязаны и выражаются общей формулой Sуд = 6/d = 3/r.

Видно, что удельная поверхность обратно пропорциональна размерам частиц и чем меньше эти частицы, тем больше удельная поверхность.

Дисперсность эмульсий можно определять различными мето­дами . Наиболее простой и надежный — седиментационный ме­тод, основанный на зависимости скорости оседания частиц от их величины. Седиментационный метод определения дисперсности эмульсий использует формулы Стокса.

Основными параметрами, определяющими степень дисперсно­сти эмульсии или размер капелек воды в нефти, являются скорость потока, величина поверхностного натяжения на границе раздела фаз, а также частота и амплитуда пульсаций (масштаб пульсаций). Критические размеры капель, которые могут существовать в по­токе при данном термодинамическом режиме, определяются боль­шим числом факторов и в первом приближении описываются сле­дующим уравнением Колмогорова А. Н.:

                               (3)

где s — поверхностное натяжение системы нефть — газ; k — коэф­фициент, учитывающий вязкость воды и нефти; r — плотность дисперсионной среды (внешней); L — масштаб пульсаций; v — скорость потока.

Исключительно быстро растет степень дисперсности эмульсии после штуцера, который устанавливают обычно перед сепарато­ром.

2. Вязкость эмульсий. При течении водонефтяных эмульсий в турбулентном режиме принято различать и учитывать две вязкости: 1) вязкость, обусловленную пульсациями давления диспер­сионной среды (нефти) и дисперсной фазы (воды); 2) динамиче­скую вязкость.

Динамическая вязкость нефтяных эмульсий неаддитивное свойство, т. е.

                                             (4)

где mн и mв — абсолютные вязкости нефти и воды.

Динамическая вязкость эмульсии зависит от следующих основ­ных факторов: 1) вязкости самой нефти; 2) температуры, при кото­рой получается эмульсия; 3) количества содержащейся воды в нефти; 4) степени дисперсности или диаметра капель дисперсной фазы в дисперсионной среде (для эмульсии типа В/М).

У нефтяных эмуль­сий, как и у парафинистых нефтей, не под­чиняющихся закону Ньютона, вязкость mэ изменяется в зависимости от градиента скорости. В этом случае вязкость m* называют кажущейся вязкостью (рис. 70). Анализ кривых показывает, что кажущаяся вязкость нефтяных эмульсий в значительной мере зависит от содержания воды в нефти.

Увели­чение содержания воды в нефтяной эмульсии до определенного предела приводит к увеличению кажущейся вязкости эмульсии, а следовательно, и к соответствующему увеличению энергетических затрат на перекачку такой эмульсии. Это обстоятельство всегда нужно учитывать при проектировании систем нефтегазоводосбора и дожимных насосных станций.

Рис. 70. Зависимость кажу­щейся вязкости эмульсии от процентного содержания воды в нефти и исходной темпера­туры смешения

Основной причиной аномальной вязкости эмульсии, с точки зрения акад. П. А. Ребиндера, является механизм деформации и дробления крупных капель воды на более мелкие. Для дробления крупных капель на более мелкие необходимо за­тратить определенные усилия, связанные с вытягиванием этих капель в цилиндрики, имеющие критические параметры:

L > 2 pr ,                                                       (5)

где L и r  — длина и радиус цилиндрика.

Затрачиваемая при этом работа расходуется на увеличение поверхностной энергии системы в связи с возрастанием суммарной поверхности цилиндриков.

Кроме того, рост кажущейся вязкости левой ветви рис. 70 свя­зан с тем, что внешней фазой здесь является нефть, которая, кон­тактируя с холодными стенками трубы, сильно повышает свою вязкость независимо от содержания в ней воды.

Изучением вязкости дисперсных систем, и в частности эмуль­сий, занимались многие исследователи, которые предложили не­сколько уравнений для расчета вязкости систем с различным содер­жанием диспергированного вещества.

А. Эйнштейн предложил следующую формулу:

                                 (6)

где mэ — вязкость эмульсии; mн — вязкость дисперсионной среды (нефти); Wv — коэффициент обводненности — отношение объема дисперсной фазы (воды) к общему объему системы (воды + нефти).

Данная формула справедлива только при низких концентра­циях диспергированного вещества (воды).

При выводе этой формулы предполагалось, что диспергирован­ные частицы имеют вид упругих шариков, диаметр которых мал по сравнению с расстоянием между ними.

При содержании воды в нефти свыше 20% вязкость эмульсии резко возрастает. Макси­мум вязкости имеет место, как показано на рис.

70, при определен­ной критической концентрации воды Wv кр , характерной для дан­ного месторождения. При дальнейшем увеличении Wv кр вязкость эмульсии резко уменьшается.

Критическое значение коэффициента обводнения Wv кр, при котором вязкость эмульсии начинает сни­жаться, называется точкой инверсии (И).

В точке инверсии И происходит обращение фаз, в результате чего дисперсная фаза (вода) становится дисперсионной средой (внешней, сплошной), а дисперсионная среда (нефть) — дисперс­ной фазой (разобщенной), т. е. В/M ® М/В.

Инверсия нефтяных эмульсий происходит обычно при введении в эмульсию в процессе ее транспортирования поверхностно-ак­тивных веществ (ПАВ), являющихся стабилизаторами эмульсий противоположного типа.

Однако инверсия нефтяных эмульсий может происходить и без введения в них ПАВ, а только вследствие увеличения процентного содержания воды в эмульсии, как показано на рис. 70.

Обращение фаз нефтяных эмульсий имеет исключительно боль­шое практическое значение. Эмульсия типа М/В, имеющая внеш­ней фазой воду, транспортируется при меньших энергетических затратах, чем эмульсия типа В/M, имеющая внешней фазой нефть.

Вот почему при транспортировании эмульсий всегда нужно стре­миться к тому, чтобы внешней фазой являлась вода, а не нефть (при условии, конечно, что трубопроводы защищены от коррозии).

Критическое значение коэффициента обводненности Wv кр для нефтей разных месторождений может колебаться в пределах 0,5 — 0,9, но в большинстве случаев оно равно 0,71. Такое разнообразие значений Wv кр объясняется различием физико-химических свойств компонентов эмульсии и в первую очередь концентрацией водной фазы и присутствием в этой эмульсии различных эмульгаторов.

3. Плотность эмульсий. Плотность эмульсии определяют, зная плотность нефти и пластовой воды, образующих эмульсию, и их объемное или процентное содержание. Плотность эмульсии можно подсчитать по следующим формулам:

     (7)

где Vн и Qв — соответственно расход нефти и воды, м3; rэ, rн, rв — плотность эмульсии, нефти и воды соответственно; q — содержа­ние воды и растворенных солей в эмульсии, массовые проценты; j — объемная доля дисперсной среды j = Qв/(Vн + Qв).

Величина q определяется из следующего соотношения:

где q0 — содержание чистой воды в эмульсии; х — содержание растворенных солеи в воде,  %.

4. Электрические свойства эмульсии. Нефть и вода в чистом виде — хорошие диэлектрики. Проводимость нефти колеблется от 10-10 до 10-15 (Ом×см) -1, а воды — от 10-7 до 10-8 (Ом×см)-1.

Однако даже при незначительном содержании в воде растворенных солей или кислот электропроводимость ее увеличивается в десятки раз.

Поэтому электропроводимость нефтяной эмульсии обуслов­ливается не только количеством содержащейся воды и степенью ее дисперсности, но и количеством растворенных в этой воде солей и кислот.

Экспериментально установлено, что в нефтяных эмуль­сиях, помещенных в электрическом поле, капельки воды распола­гаются вдоль его силовых линий, что приводит к резкому увеличе­нию электропроводимости этих эмульсий. Явление это объясняется тем, что капельки воды имеют приблизительно в 40 раз большую диэлектрическую проницаемость, чем капельки нефти (e = 2).

Свойство капелек воды располагаться в эмульсиях вдоль сило­вых линий электрического поля и послужило основной причиной использования этого метода для разрушения нефтяных эмульсий.

5. Устойчивость нефтяных эмульсий и их старение. Самым важным показателем для нефтяных эмульсий является их устой­чивость (стабильность), т. е. способность в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на нефть и воду.

Устойчивость эмульсии определяется временем ее существова­ния и выражается очень простой формулой t = H/v, где Н — высота столба эмульсии, см; v — средняя линейная скорость рас­слоения эмульсии, см/с.

Устойчивость эмульсий

         При диспергировании двух несмешивающихся жидкостей образуются одновременно эмульсии прямого М/В и обратного В/м типа. При этом различают два периода «жизни» капель: τ1 – время «жизни» капель масла в воде и τ2 – время «жизни» капель воды в масле. Отношение

Является мерой способности системы к обращению фаз: при β>1 система из двух нерастворимых  жидкостей при их диспергировании предрасположена к образованию эмульсии прямого типа (М/В), а при β

Источник: http://mysagni.ru/fng/rengm/1811-klassifikaciya-neftyanyh-emulsiy-i-fiziko-himicheskie-svoystva.html

Scicenter1
Добавить комментарий