ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ХИМИЧЕСКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ТОПЛИВА И УГЛЕРОДНЫХ МАТЕРИАЛОВ Нефтяные дисперсные системы

Агрегатное состояние Классификация НДС Дисперсной фазы Дисперсионной среды Тип НДСПримеры 1 Газ 2 ЖидкостьТуман Масляные туманы, попутные газы 3 ТвердоеАэрозоль Твердые продукты неполного сгорания топлив в выхлопных газах, технический углерод 4 Газ Жидкость Газовые эмульсии, пены Жидкие НДС в процессе нагревания или барботажа, масла в динамических условиях, битумные пены 5 ЖидкостьЭмульсии Вода-нефть, растворы масляных фракций в селективных растворителях 6 Твердое Золи, гели, суспензии Среднедистиллятные топлива, вакуумные газойли, масляные фракции, масла, нефтяные остатки, (мазуты, гудроны), битумные пеки 7 Газ Твердое Отвержденные пены Нефтяной кокс 8 Жидкость Твердые эмульсии Твердые углеводороды, петролатум, гач 9 ТвердоеТвердые ДС Нефтяной кокс, углеродные волокна

Классификация НДС по дисперсности высокодисперсные высокодисперсные нефтяные системы, содержащие частицы с размерами от нескольких нанометров до долей микрона, удельная межфазная поверхность составляет десятки, сотни, а иногда и тысячи квадратных метров на один грамм дисперсной фазы грубодисперсные грубодисперсные частицы грубодисперсных НДС имеют размеры от микрона и более, удельная поверхность таких НДС менее 1 м 2 /г

По дисперсности разбавленные свободно-дисперсные нефтяные системы подразделяют на: ультрамикрогетерогенные НДС (1–100 нм) ультрамикрогетерогенные НДС (1–100 нм) микрогетерогенные НДС (100–10000 нм) микрогетерогенные НДС (100–10000 нм) грубодисперсные НДС (размеры частиц превышают нм) грубодисперсные НДС (размеры частиц превышают нм) По форме образующих НДС частиц бывают: частицы волокнистой формы частицы волокнистой формы частицы сферической формы и др. частицы сферической формы и др.

Классификация П. А. Ребиндера по степени межфазного взаимодействия где r – средний размер частиц T – температура, К К – универсальная газовая постоянная при н.у. для частиц радиусом > m лиофобные НДС < m лиофильные НДС

Водно-нефтяные эмульсии Эмульсия – это дисперсная система, состоящая по меньшей мере из двух взаимно мало- или нерастворимых жидкостей, одна из которых диспергирована в виде мельчайших капель (глобул) и называется дисперсной фазой, а другая – дисперсионной средой (жидкость, в которой глобулы распределены) нефть в воде (Н/В) – гидрофильная нефть в воде (Н/В) – гидрофильная вода в нефти (В/Н) – гидрофобная вода в нефти (В/Н) – гидрофобная

В реальных условиях в нефти содержатся: Пластовая вода Пластовая вода Неорганические, органические соли и кислоты Неорганические, органические соли и кислоты Механические примеси Механические примеси Синтетические эмульгаторы Синтетические эмульгаторы Асфальтены Асфальтены Смолы Смолы

Свободная поверхностная энергия единицы площади на границе жидкость –жидкость называется поверхностным, или межфазным, натяжение (σ), которое может измеряться или в единицах энергии на единицу площади (Дж/м 2 ), или в единицах силы на единицу длины (Н/м) В процессе образования эмульсий при дроблении крупных капель воды на более мелкие существенную роль играет не суммарная поверхность капель, а их удельная поверхность S уд, определяемая из выражения Таким образом, увеличение удельной поверхности капель сопровождается затратой определенной силы, которая концентрируется на поверхности раздела фаз в виде свободной поверхностной энергии.

Образование водно-нефтяных эмульсий Молекула ПАВ Прямой и обратный тип эмульсии

Устойчивость НДС Агрегативная устойчивость Агрегативная устойчивость способность системы сохранять межфазную поверхность и соответственно поверхностную энергию границ раздела частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой Кинетическая (седиментационная) устойчивость Кинетическая (седиментационная) устойчивость способность системы сохранять в течение определенного времени одинаковое в каждой точке распределение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде

Термодинамика и кинетика фазовых переходов в НДС Дисперсное состояние в нефтяной системе может формироваться двумя путями: 1) диспергированием макроскопических фаз (без изменения агрегатного состояния веществ дисперсной фазы); 1) диспергированием макроскопических фаз (без изменения агрегатного состояния веществ дисперсной фазы); 2) конденсацией из молекулярных растворов (с изменением как агрегатного, так и химического состава дисперсной фазы). 2) конденсацией из молекулярных растворов (с изменением как агрегатного, так и химического состава дисперсной фазы).

Сложные структурные единицы Состав ССЕТип НДС ядрасольватного слоя Сложная структурная единица Кристаллит (карбены, карбоиды) Полициклические арены и циклоалканы Необратимые золи, гели (пеки, коксы) Ассоциат (асфальтены, полициклические арены) Моноциклические арены, алканоциклоалканы Обратимые золи, студни (масляные, топливные фракции, остатки перегонки) Высокомолекулярные парафины САВГели и золи Пузырек газовой фазы (низкомолекулярные летучие компоненты) Высокомолекулярные компоненты Обратимые газовые эмульсии (жидкие нефтепродукты, подвергаемые нагреванию или бар- ботажу) – ядро 2 - сольватная оболочка 3 - промежуточный слой

Термодинамика и кинетика фазовых переходов в НДС – объемная составляющая потенциала Гиббса – поверхностная составляющая потенциала Гиббса r – радиус частицы – поверхностное натяжение на границе дисперсная частица– дисперсионная среда

Термодинамические условия возможности образования нефтяных дисперсных систем ΔНΔН ΔSΔS ΔGΔG Возможность образования НДС >00Исключается 0

Термодинамика фазовых равновесий многокомпонентных смесей Условие равновесия между фазами в гетерогенной системе Условие равновесия между фазами в гетерогенной системе – число молей i-го компонента В равновесных условиях

Основные термодинамические принципы