Способы формирования УДС

ФИЗИКА И ХИМИЯ УДС

ЛЕКЦИЯ №6

СИСТЕМЫ

ДИСПЕРСНЫЕ

УГЛЕВОДОРОДНЫЕ

Шиповская А.Б.

Дисперсное строение нефтяных систем обнаруживается на различных стадиях их добычи, транспорта, переработки и применения. Иерархия компонентов нефтяных систем по интенсивности межмолекулярных взаимодействий является фактором, предрасполагающим к сложной внутренней организации систем. Кроме того, в ходе технологических операций в нефтяных системах создаются условия для развития фазовых переходов, которые протекают через стадию образования дисперсных частиц. При этом возможно формирование полигетерофазных УДС. В таких случаях несомненно влияние дисперсной структуры нефтяных систем на протекание в них теплообменных и гидродинамических процессов, на их физико-химические макросвойства.

Теоретически описаны все стадии фазовых переходов — от формирования зародышей с существенно искривленной границей раздела фаз до полного их перехода в макрофазу с плоской границей раздела фаз. На практике предложены различные технологические приемы фиксации уровня развития фазообразования в нефтяных системах, что позволяет существенно влиять на эффективность их добычи, транспорта, переработки и применения. Количественно судить об уровне развития фазообразования в системе можно по степени ее дисперсности. Для определения последней применяют ряд экспериментальных методик, имеющих свои особенности при исследовании олеофильных систем. Изучению вопросов регулирования фазообразования в нефтяных системах посвящена данная и последующие лекции.

Нефтяные дисперсные системы являются промежуточными между молекулярными растворами и макроскопическими гетерогенными системами, и поэтому они могут быть получены в результате диспергирования сравнительно больших частиц, макроскопических фаз, либо в результате протекания в системе конденсационных процессов.

При диспергировании газообразных, жидких и твердых тел формируются дисперсные системы, обладающие значительной межфазной поверхностью. Принципиально макротела могут быть диспергированы на грубодисперсные, коллоидно-дисперсные и молекулярно-дисперсные системы. Образование УДС при диспергировании макрофазы требует затраты механической работы.

Работа диспергирования зависит от сил межмолекулярного взаимодействия. Чем ниже силы межмолекулярного взаимодействия в диспергируемом материале, тем меньше работа диспергирования. По П. А. Ребиндеру, работа, затрачиваемая на диспергирование, состоит из работы упругого и пластического деформирования А ₁ и работы измельчения, направленной на преодоление сил ММВ в дисперсной частице, А ₂;

А = А ₁ + А ₂= KV + σΔS,

где К — коэффициент, равный работе объемного разрушения единицы объема макрофазы; V — объем тела; σ — энергия образования единицы поверхности; ΔS — площадь образования поверхности.

При внешних воздействиях на твердое тело (например, кокс) на первом этапе разрушения формируются микротрещины. На поверхности микротрещин образуется адсорбционно-сольватный слой, который в результате капиллярных эффектов снижает прочность тела (эффект Ребиндера). Развитие микротрещин, как элементов новой фазы, сопровождается изменением толщины адсорбционно-сольватного слоя на поверхности трещины и ослаблением действия эффекта Ребиндера. Наличие адсорбционно-сольватного слоя на поверхности трещин не только помогает разрушить материал, но и стабилизирует дисперсное состояни е, так как формирующийся адсорбционно-сольватный слой уменьшает возможность слипания частиц друг с другом на конечном этапе диспергиргирования.

В процессе диспергирования возрастает свободная поверхностная энергия и энтропия, связанная с тепловым движением коллоидных частиц. При диспергировании твердых тел до порошкообразного состояния роль энтропийного фактора ничтожна. В случае превышения энтропии над свободной энергией, связанной с развитием поверхности, формирование коллоидной системы оказывается термодинамически выгодным процессом и может протекать самостоятельно, особенно в дисперсных системах с газообразной и жидкой дисперсионной средой.

Диспергирование, как и любой процесс, может протекать в результате:

– механических воздействий (мельницы, форсунки, карбюраторы);

– воздействия химических реагентов, регуляторов межмолекулярного взаимодействия;

– комбинированного воздействия механических и химических факторов.

Диспергирование газов происходит при барботировании газообразного сырья через слой жидкой фазы (например, в процессе ректификации). Жидкости подвергаются диспергированию без больших затрат энергии – благодаря прохождению через центрифуги, вращающиеся диски, карбюраторы и т.п. Дробление твердых тел требует применения значительных внешних воздействий и осуществляется на различных дробилках, мельницах. На шаровых мельницах достигается степень диспергирования на уровне 50-60 мкм, а на коллоидных – от 0.1 до 1.0 мкм.

В качестве примера воздействия химических реагентов на процесс самопроизвольного диспергирования можно привести процесс перевода свежего осадка асфальтенов в диспергированное состояние при введении в систему бензола.

Большое распространение имеют конденсационные методы формирования УДС. Образование дисперсных частиц принципиально возможно как в результате физических превращений (кипение, конденсация, экстракция, кристаллизация и др.), так и химических превращений (крекинг, полимеризация, поликонденсация, алкилирование и др.) нефтяных систем. При этих превращениях образуются дисперсные частицы различного агрегатного состояния (пузырек, ассоциат, агрегат — кристаллит),.

При физических способах воздействия на нефтяную систему в результате флуктуационных явлений появляются дисперсные частицы новой фазы. Полидисперсность образующихся частиц обусловливает разный уровень растворимости, или давления насыщенного пара над зародышами. Чем меньше размер зародышей, тем значительнее потенциальный барьер их образованию. Для того чтобы произошел фазовый переход, необходимо преодоление потенциального барьера, что достигается пересыщением исходной фазы. Пересыщение способствует формированию зародышей значительных размеров с меньшими значениями потенциала Гиббса.

Степень пересыщения оценивается отношением давления или концентрации вещества в пересыщенном растворе к аналогичным показателям насыщенного над плоской поверхностью жидкости или ассоциата. Введением вещества (добавок) возможно изменение степени пересыщения и регулирование таким образом скорости и размеров формирующихся зародышей. В основе многих технологических процессов химической переработки нефти лежит конденсационный способ.

В некоторых химических процессах преобладает расщепление углеводородных соединений на более мелкие (каталитический, термический крекинг и др.), а в других — главным образом протекают агрегационные процессы (поликонденсация, полимеризация, производство разновидностей нефтяного углерода). Общим для этих процессов является формирование фазообразующих компонентов, наиболее склонных в дальнейшем к образованию зародышей различного агрегатного состояния.

Кинетика образования новой фазы определяется двумя стадиями: скоростью образования зародышей υ ₁ и скоростью их роста υ _2. Для получения значительного числа зародышей необходимо, чтобы υ ₁ — υ ₂ > 0,только в этом случае возможно формирование коллоидного раствора. В случае υ ₁ — υ ₂ < 0 возникает меньшее число зародышей, выделяющееся вещество адсорбируется на сравнительно небольшом числе агрегатов. Введением различных веществ в систему предоставляется возможным регулировать значение Δ υ и его знак и таким образом стимулировать необходимое направление процессов при физических и химических способах конденсации.

Дата добавления: 2014-01-20