Лекционный курс « Производственные водонефтяные эмульсии»

1. Лекционный курс«Производственные водонефтяныеэмульсии» Часть 1. Классификация эмульсий. Основные типы структур дисперсной фазы. Тема 1-2 Дисперсии и эмульсии в смесях воды и нефти.

2. Смеси воды и нефти – дисперсные системы

5. Дисперсные системы — это микрогетерогенные системы с сильно развитой внутренней поверхностью раздела между фазами.

6. Дисперсионная среда - непрерывная фаза (тело), в объёме которой распределена другая (дисперсная) фаза в виде мелких твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа. Дисперсная фаза - совокупность мелких однородных твёрдых частиц, капелек жидкости или пузырьков газа, равномерно распределённых в окружающей (дисперсионной) среде.

7. Дисперсная система двух жидкостей Любая полярная жидкость – «вода» (В) Любая неполярная жидкость – «масло» (М) «Обратная» система – В/М «Прямая» система – М/В

8. Объемная доля дисперсной фазы f= Объем дисперсной фазы Полный объем системы

9. Эмульсии и дисперсии Некоторые типичные структуры потоков воды и нефти в горизонтальных трубах

10. мм мкм Распределения капель по размерам в потоке со структурой статически неустойчивой однородной В/Н дисперсии и в промысловой водонефтяной эмульсии. В обоих случаях объемная доля дисперсной фазы (воды) близка к 0,4

11. МЕЖФАЗНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЭНЕРГИЯ МЕЖФАЗНОЙ ГРАНИЦЫ Емф = S  - коэффициент межфазного натяжения

12. При одном и том же объеме дисперсной фазы уменьшение размеров дисперсных капель ведет к увеличению площади межфазной поверхности и росту межфазной энергии

13. В соответствии с принципом минимума энергии, в состоянии равновесия происходит уменьшение межфазной поверхности путем укрупнения (слияния) капель дисперсной фазы. Поэтому все дисперсные системы жидкостей являются термодинамически нестабильными и отличаются лишь по времени разрушения дисперсной фазы в состоянии покоя (времени полного слияния капель).

14. Так, дисперсные системы двух простых жидкостей (дисперсии) являются абсолютно нестабильными. Отдельные капли дисперсной фазы наблюдаются лишь в потоке, при непрерывном подводе механической энергии. Относительно стабильные дисперсные системы (эмульсии) формируются при снижении межфазного натяжения за счет дополнительного присутствия в системе веществ - «эмульгаторов» (поверхностно активных веществ).

15. ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕВЕЩЕСТВА (ПАВ) - Накапливаются на межфазной границе - Изменяют межфазное натяжение

16. Простейшие амфифильные (дифильные) молекулы ПАВ Полярная группа Неполярная группа phosphatidyl choline lyso- phosphatidyl choline dodecylsulphate

17. Диблочные сополимеры AB БЛОК - СОПОЛИМЕРЫ Триблочные сополимеры Амфифильные макромолекулы, состоящие из двух (и более) различных мономеров (блоков). (AB, ABA, ABC...) ABC=(A)x(B)y(C)z ABA=(A)x(B)Y(A)z ABC=(A)x(B)y(C)z

18. СОРТ ПАВ ОПРЕДЕЛЯЕТ ТИП ЭМУЛЬСИИ В соответствии с правилом Банкрофта ( 1913), при эмульгировании дисперсионной средой становится та жидкость, в которой молекулы ПАВ лучше растворимы. Водорастворимые ПАВ являются стабилизаторами прямых (М/В) эмульсий, Маслорастворимые ПАВ стабилизируют обратные (В/М) эмульсии

19. В добываемых водонефтяных смесях «природные эмульгаторы» (ПАВ) входят в состав нефти. поэтому ВСЕ естественные промысловые эмульсии принадлежат к типу вода-в-нефти (В/Н) • Эмульсии типа нефть-в-воде (Н/В) • могут образовываться • лишь при дополнительном искусственном • введении в систему водорастворимых ПАВ. • - химическое заводнение, • - первичная подготовка нефти, • нефтепереработка, • - устранение разливов и т.п.

20. «ПРИРОДНЫЕ ЭМУЛЬГАТОРЫ» в добываемых нефтях - Индивидуальные молекулы - Коллоидные частицы

21. SARA - анализ нефти НЕФТЬ разбавление н-алканами С5 , С7 , С9 …. раствор Мальтены осадок разделение в хроматографе с помощью растворителей : Насыщенные УВ Насыщенные УВ Смолы Смолы Асфальтены Асфальтены Ароматические УВ

22. Основные углеводородные и гетероатомные компоненты нефти

23. ПАРАФИНЫ CnH2n+2 (Алка́ны) (насыщенные углеводороды)

24. Коллоидные частицы парафинов, взвешенные в объеме нефти

25. Микрофотографии осадков коллоидов парафинов на стенках оборудования

26. Нафтеновые кислоты и их производные (нафтенаты) Молекулы нафтеновых кислот Отложения коллоидов нафтенатов в системах промыслового сбора и подготовки нефти Закономерности самоорганизации все еще плохо изучены

27. Формирование жидкокристаллических структур при агрегировании нафтеновых кислот на поверхности капель водонефтяной эмульсии M.-H. Ese, P.K. Kilpatrick (2004) JOURNAL OF DISPERSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 25(3): 253–261)

28. АСФАЛЬТЕНЫ ( смолоасфальтены )

29. SARA - анализ нефти НЕФТЬ разбавление н-алканами С5 , С7 , С9 …. раствор Мальтены осадок разделение в хроматографе с помощью растворителей : Насыщенные УВ Насыщенные УВ Смолы Смолы Асфальтены Асфальтены Ароматические УВ

30. Модель строения молекулы асфальтенов Модель строения молекулы асфальтенов Одна мощная периконденсированная система, включающая до 10 ароматических колец

31. Коллоидные частицы асфальтенов в нефти 6000 microns 2000 microns Time = 8 min Time = 20 min

32. Наноколлоидные частицы механических примесей в нефти 200 нм Фотография ПЭМ и картина дифракции электронов для наноколлоидных механических примесей битума Атабаски. (Zai-Feng.et al., 2004)

33. Частицы мех. примесей взаимодействуют с наночастицами других компонентов нефти Модель поверхности наноразмерной частицы механических примесей. (Zai-Feng.et al., 2004)

34. Стабилизация водонефтяных эмульсий наноколлоидными частицами.

35. Эмульсии, стабилизированные коллоидными частицами – эмульсии Пикеринга Стабилизация В/Н эмульсий частицами механических примесей, смачиваемыми нефтью. Предотвращение коалесценции капель воды межфазными слоями коллоидных частиц в эмульсиях Пикеринга

36. Микрофотографии «бронирующего слоя» на поверхности капли воды в нефти, демонстрирующие: слева – его упругие свойства, справа – его значительную толщину

37. Демонстрация высокого уровня стабилизации капель воды «бронирующими слоями» в модельной нефти. Прослойка, разделяющая капли, не разрушается даже при сильном сжатии капель с помощью двух микропипеток

38. Жидкокристаллическая структура стабилизирующей фазы в В/Н эмульсии (изображение в оптическом поляризационном микроскопе) M.-H. Ese, P.K. Kilpatrick (2004) JOURNAL OF DISPERSION SCIENCE AND TECHNOLOGY, 25(3): 253–261)

39. Улучшение стабильности В/Н эмульсий при увеличении размеров коллоидных частиц асфальтенов в нефти

40. КОНЕЦЛЕКЦИИ