Дисперсная фаза и дисперсная среда нефтяных дисперсных систем ндс

Обновлено: 01.05.2024

В 1971г. впервые были обозначены коллоидно-химические аспекты строения нефтяных систем (г. Уфа, Всесоюзная конференция по физико-химической механике) и лишь в 1995г. состоялся первый международный симпозиум (г. Рио-де-Жанейро) по вопросам коллоидной химии нефти.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

курсач.docx

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕМ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

КАФЕДРА ИНЖЕНЕРНЫХ ПРОБЛЕМ ЭКОЛОГИИ

Студент: Сопова В.С. доцент каф. ИПЭ

Факультет: ЛА к.г-м.н. Ларичкина Н.И.

Группа: СЭ-21 ___. ________. 2014

___. ________. 2014 Подпись:

Список использованных источников………………………………………….……. .22

Введение

С позиций коллоидной химии нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы.

Нефть состоит из низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (ВМС). Низкомолекулярные соединения (НМС) представляют собой, в основном, парафиновые, нафтено-парафиновые и ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти состоит из высокомолекулярных парафиновых углеводородов, моно- и конденсированных нафтено-парафиновых, моно- и бициклических ароматических углеводородов ряда бензола и нафталина, смол и асфальтенов.

Важнейшим источником получения различных углеводородов в промышленности является нефть.

Нефть залегает в земле, заполняя пустоты между частицами различных горных пород, как представлено на рисунке 1.

Рисунок 1 - Геологический разрез нефтеносной местности

Рисунок 2 - Наклонное бурение скважин позволяет добывать нефть из-под водоёмов и капитальных сооружений.

Рисунок 3 - Нефть поднимается под давлением нагнетаемой в пласт

В состав нефти входят главным образом углеводороды. Основную массу её составляют жидкие углеводороды, в них растворены газообразные и твёрдые углеводороды.[1]

Нефть как дисперсная система

НДС как объекты исследования характеризуются наличием частиц дисперсной фазы, дисперсионной среды и межфазной границей раздела фаз, следовательно, коллоидно-химическими свойствами – устойчивостью и реологическими свойствами.

Основными причинами существования дисперсной фазы в нефтяных системах являются межмолекулярные взаимодействия (ММВ) и фазовые переходы.

ММВ обусловливают склонность к объединению углеводородных и не углеводородных компонентов. Если наличие ММВ является достаточным условием формирования дисперсной частицы НДС, то необходимое условие его существования как единого целого заключается в превышении энергии ММВ над энергией теплового движения молекул:

Е ммв > 1,5 kТ , где k - постоянная Больцмана.

При нормальных условиях энергия теплового движения составляет 3,5 кДж/моль и находится на уровне самых слабых взаимодействий в системе. Таким образом, в нефтяных системах есть реальные предпосылки для образования объединений из углеводородных и не углеводородных соединений.

Образование частиц дисперсной фазы происходит также при протекании фазовых переходов (плавление - кристаллизация, испарение-конденсация), составляющих физико-химическую суть многих нефтетехнологических процессов.

Согласно теории фазовых переходов образование новой фазы происходит через стадии зарождения частиц критических размеров в исходной среде и их последующего роста.

Рассмотрим основные признаки дисперсного состояния нефтяных систем: гетерогенность, дисперсность и степень межфазного взаимодействия на границе раздела фаз (лиофильность).

Классическим признаком любых дисперсных систем, в том числе нефтяного происхождения, служит обычно различие агрегатных состояний дисперсной фазы и дисперсионной среды, т.е. гетерогенность.

Нефтяные дисперсные системы, состоящие их двух фаз, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды можно разделить на 8 типов (табл. 1).

Однако заметим, что в большинстве случаев реальные нефтяные системы в процессах добычи, транспортировки, переработки и применения являются полигетерогенными, т.е. состоят из трех и более фаз. Например, нефть в процессе атмосферной перегонки представляет собой НДС с дисперсной фазой двух типов − газовой, возникающей за счет кипения низкокипящих компонентов, и твердой − из-за присутствия природных асфальтенов.

После подъема на поверхность нефть представляет собой "газированный" золь или суспензию, которая по достижении точки росы лишается диспергированной газовой фазы. Нефти, залегающие на больших глубинах (для вязких нефтей − порядка нескольких километров), находятся в стеклообразном состоянии геля. Этот факт может иметь важное значение при разработке в будущем сверхглубоких месторождений. В процессе транспортировки нефтяные и газоконденсатные системы представляют собой НДС, содержащие одновременно в диспергированном состоянии твердую и газовую фазы.

Классификация НДС по агрегатному состоянию

дисперсной фазы и дисперсионной среды

Твёрдые продукты неполного сгорания топлив в выхлопных газах, технический углерод

Жидкие НДС в процессе

нагревания или барботажа,

масла в динамических условиях, битумные пены

Вода − нефть, растворы масляных фракций в селективных растворителях

Среднедистиллятные топлива, Вакуумные газойли, масляные фракции, масла, нефтяные

остатки (мазуты, гудроны,

полугудроны), битумы, пеки

Твердые дисперсные структуры

Нефтяной кокс, углеродные

В первой строке табл.1 приведен пример гомогенной системы, однако и в этой системе могут возникать гетерогенные образования из-за флуктуаций плотности газов. Например, флуктуации плотности появляются в газовых системах на начальных стадиях образования газовых гидратов.

Строки 2 и 3 характеризуют аэрозоли и туманы − НДС с газовой дисперсионной средой. Образование аэрозолей происходит в результате неполного сгорания компонентов топлив, которые обнаруживаются в выбросах выхлопных газов, а также неполного сгорания и пиролиза углеводородов при производстве сажи. Технический углерод (сажа) является ярким примером аэрозолей. Капельный унос жидкости в виде тумана может происходит при сепарации пенистых нефтей или при сбое технологического режима ректификационных колонн. Взвеси капель органических жидкостей в парах легколетучих компонентов обычно трудно подаются улавливанию в технологических процессах и представляют собой экологическую опасность. Распыление масел является одним из способов создания так называемых масляных туманов − высокоэффективных смазочных материалов. Для попутных нефтяных газов всегда характерно образование туманов, дисперсной фазой которых является сама нефть.

Формирование газовых эмульсий, а иногда и пен (строка 4 табл.1), происходит в технологических аппаратах при переработке нефти и газа или в трубопроводах, а также в пластовых условиях. Водно-нефтяные эмульсии, растворы масляных фракций в селективных растворителях (строка 6 табл.1) − классические примеры жидкостных эмульсий.

Наиболее многочисленный класс среди НДС с жидкой дисперсионной средой − это класс золей, гелей, суспензий (строка 6 табл.1). К нему относятся практически все виды топлив, масел, природные нефти и битумы, остатки различного фракционного состава прямогонного и деструктивного происхождения.

Общей закономерностью является возрастание концентрации САВ в нефтяных фракциях по мере увеличения температурных пределов их выкипания. Не удивительно, что дисперсное строение тяжелых фракций (битумов) было установлено более 100 лет назад Нелленштайном, в то время как коллоидное строение более легких дистиллятных топливных фракций установлено относительно недавно, благодаря применению метода электронной микроскопии высокого разрешения и криотехники.

Дисперсная фаза остаточных НДС деструктивного происхождения наряду с асфальтенами может быть представлена карбенами и карбоидами. Дисперсная фаза из карбенов и карбоидов, практически не растворимых в органических растворителях, образовалась за счет протекания химических термодеструктивных реакций. Такие дисперсии называют необратимыми в отличие от обратимых НДС (табл. 2.), дисперсность которых (дисперсная фаза - асфальтены) сильно зависит от состава дисперсионной среды (соотношения в последней углеводородов, являющихся осадителями и растворителями асфальтенов).

Нефтяные золи - это малоконцентрированные (концентрация дисперсной фазы не более нескольких %) НДС коллоидного интервала дисперсности. Примерами НДС, в которых частицы обособлены и находятся в свободнодисперсном состоянии, могут служить легкие нативные нефти, среднедистиллятные топлива, масла.

Связнодисперсные нефтяные системы типа золей с высокой концентрацией дисперсной фазы принято называть гелями. К ним относят, в частности, при нормальных условиях высоковязкие нефти, природные битумы и некоторые виды окисленных битумов. В состояние геля можно перевести при охлаждении обычные нефти. К этой же группе относятся гели для гидроразрыва пласта, при этом их дисперсная фаза может быть представлена природными олигомерами - полисахаридами.

Нефтяные суспензии − это средне- и грубодисперсные НДС. Примерами суспензий в свободнодисперсном состоянии являются нефти, содержащие кроме диспергированных асфальтенов парафиновые частицы; НДС, образующиеся в процессе деасфальтизации гудронов, выделения асфальтенов из нефтяных остатков по Маркуссону и т.д.

Самыми типичными представителями твердых НДС (строки 7-9 табл.1) являются многочисленные разновидности нефтяного углерода. Нефтяной углерод содержит дисперсную фазу в газообразном и твердом состояниях, соответственно его одновременно можно считать отвержденной пеной с фиксированной внутренней пористостью и твердой дисперсной структурой с различной степенью анизотропности (различие физических свойств частиц в двух взаимно перпендикулярных направлениях) дисперсных частиц в изотропной дисперсионной среде.

Получаемые из нефтяных фракций твердые углеводороды (парафины, церезины), а также подвергаемые обезмасливанию петролатумы и гачи представляют собой твердые эмульсии (строка 8 табл.1).

Основные типы и состав частиц дисперсной фазы в различных НДС представлены в табл. 2.

Перейдем к другому признаку классификации НДС – по степени дисперсности D (величина, обратная размеру частиц r).

Общепринятым является положение о том, что верхним пределом коллоидной степени дисперсности является такой размер частиц, при котором сохраняется понятие о фазе и система остается гетерогенной. Наименьшая дисперсная частица из низкомолекулярных соединений должна включать не менее 20-30 молекул с размером 1-6 нм. По общепринятой классификации высокодисперсные частицы с размерами от 1-6 нм до 1000−5000 нм, способные участвовать в броуновском движении, относятся к коллоидным.

Читайте также: