Файл: Контрольные вопросы для самопроверки. Методические указания предназначены для студентов магистратуры направления 21. 04. 01 Нефтегазовое дело.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 09.11.2023
Просмотров: 185
Скачиваний: 12
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
24 центрами кристаллизации, но и одновременно сокристаллизуются с н-парафинами.
Теория комплексов (П.А. Ребиндер): молекула депрессора в углеводородной среде сцепляется своими полярными концами, образуя мицеллы. Углеводородные фрагменты этих мицелл направлены наружу, в углеводородную среду и вовлекают в сольватные оболочки большие количества углеводородов, что и вызывает задержку образования пространственной сетки из кристаллов нормальных алканов при понижении температуры.
Мицеллярная теория: смесь углеводородов представляется как сильно ассоциированная жидкость, в которой при ассоциации молекул образуются мицеллы.
Сольватационная теория: при понижении температуры из-за существующей разницы в температурах плавления парафинов с различной длиной углеродной цепи наиболее тяжелые из них начинают кристаллизоваться, и вокруг них за счет ориентации молекул жидкой фазы образуется сольватная оболочка, которая иммобилизирует часть дисперсионной среды, и система теряет подвижность.
Кристаллизационная теория: образующиеся кристаллы при понижении температуры растут, слипаются между собой и образуют кристаллическую сетку в виде каркаса, в который втягивается жидкая фаза. Кристаллизационная теория чаще всего используется при изучении низкотемпературных свойств нефтей и нефтепродуктов.
Понятие об адсорбционно-сольватном и граничном слоях
Межфазная граница в нефтяных системах может быть двух типов непроницаемой по отношению к ряду растворителей
(кристаллиты карбенов и карбоидов) и частично проницаемой
(ассоциаты). В первом случае на межфазной границе образуется адсорбционный слой, непосредственно примыкающий к кристаллиту, и граничный (поверхностный) слой, включающий в себя адсорбционный, свойства которого в результате влияния поля
25 поверхностных сил отличаются от объемного слоя. При рассмотрении нефтяных смесей с дисперсной фазой в виде ассоциатов следует считать, что сольватный слой на границе раздела фаз возникает как результат адсорбционного взаимодействия и локальной диффузии ее компонентов, что обусловлено их различной склонностью к межмолекулярным взаимодействиям.
Вопросы для текущего контроля и зачета (экзамена)
1.
Что такое поверхностное натяжение?
2.
Методы определения поверхностного натяжения.
3.
Что такое адсорбция?
4.
Уравнение Гиббса и его физический смысл.
5.
Какое влияние молекулярно-поверхностного взаимодействия на коллоидные свойства НДС?
6.
Теории депрессорного эффекта.
7.
Какая теория чаще всего используется при изучении низкотемпературных свойств НДС?
8.
Что такое адсорбционно-сольватный слой?
9.
Отличия и сходства адсорбционно-сольватного и граничного слоев.
10.
Причины возникновения сольватного слоя на границе раздела фаз.
IV. Устойчивость НДС
Агрегативный и кинетический факторы устойчивости НДС
Агрегативная устойчивость - способность системы сохранять межфазную поверхность и соответственно поверхностную энергию границ раздела частиц дисперсной фазы с дисперсионной средой.
Агрегативная устойчивость определяется способностью НДС противодействовать процессам, ведущим к уменьшению межфазной поверхности, а именно, процессам изотермического укрупнения малых частиц, коалесценции и коагуляции.
26
Потеря агрегативной устойчивости ведет к кинетической
(седиментационной) неустойчивости системы.
Происходит расслоение, разрушение системы в результате выделения коагулятов, представляющих собой осадки или всплывающие образования. Таким образом, кинетическая устойчивость отражает способность системы сохранять в течение определенного времени одинаковое в каждой точке распределение частиц дисперсной фазы в дисперсионной среде.
Критерием кинетической устойчивости асфальтеносодержащей дисперсной системы, является фактор устойчивости, представляющий собой отношение концентраций дисперсной фазы, которое устанавливается за фиксированное время в двух слоях, расположенных на определенном расстоянии друг от друга в направлении сил осаждения.
Как правило, определение концентрации дисперсной фазы проводят по содержанию асфальтенов в верхнем и нижнем слоях раствора исследуемого нефтепродукта.
Под действием гравитационного поля оседают только достаточно крупные частицы (0,1-100 мкм). За счет замены гравитационного поля действием центрифуги с ускорением можно достаточно быстро осадить частицы асфальтенов.
Концепция структурно-механического барьера
Структурно-механический барьер – это сильный фактор стабилизации, связанный с образованием на границах раздела фаз адсорбционных слоев низко- и высокомолекулярных ПАВ, лиофилизирующих поверхность. Структура и механические свойства таких слоев способны обеспечить весьма высокую устойчивость прослоек дисперсионной среды между частицами дисперсной фазы.
Структурно-механический барьер возникает при адсорбции молекул ПАВ, которые способны к образованию гелеобразного структурированного слоя на межфазной границе. Этот слой подобен трехмерной структуре, т. е. гелю, который может возникать в
27 растворах некоторых веществ при достаточной их концентрации. К таким веществам относятся высокомолекулярные вещества со сложным строением молекул, которые имеют области меньшей и большей гидрофильности в пределах одной молекулы.
1 2 3 4
Методы исследования устойчивости НДС
Седиментационный метод: в анализируемой системе определяется скорость седиментации (осаждения) частиц под действием силы тяжести или в центробежном поле. В зависимости от различия в плотностях дисперсной фазы и дисперсионной среды, движения частиц будет направлено вниз или вверх. В суспензиях обычно плотность дисперсной фазы выше, поэтому частицы осаждаются на дно сосуда, а в эмульсиях, напротив, довольно распространен случай, когда больше плотность дисперсионной среды и частицы дисперсной фазы всплывают наверх (обратная седиментация). В высокодисперсных системах и системах с малой плотностью частиц дисперсной фазы оказывается невозможным проведение седиментационного анализа в гравитационном поле, так как частицы в этих системах оседают очень медленно. Для таких систем седиментацию проводят в центробежном поле, искусственно увеличивая величину g. В этих условиях частицы осаждаются достаточно быстро.
Фотоколориметрический способ: определение концентрации асфальтенов в слоях путем построения калибровочного графика зависимости оптической плотности от концентрации асфальтенов в толуольном растворе для каждого исследуемого нефтепродукта.
Вопросы для текущего контроля и зачета (экзамена)
1.
Какая разница между агрегативной и седиментационной устойчивостью?
2.
Каким образом можно регулировать кинетическую устойчивость НДС?
3.
Какое практическое значение имеет фактор устойчивости для НДС?
28 4.
Какая разница между устойчивостью НДС при низких и высоких температурах?
5.
Что такое структурно-механический барьер
6.
Методы определения устойчивости НДС.
V. Предмет исследования физико-химической механики НДС
Применение методов физико-химической механики при
изучении процессов добычи, транспортировки и переработки
нефти и нефтепродуктов
В практике добычи, транспортировки, переработки нефти и применения нефтепродуктов необходимо решать разнообразные, порой противоположные задачи по регулированию структурно- механических свойств НДС. При добыче и транспортировке стремятся к понижению предельного напряжения сдвига и вязкости нефтей. Для эффективного применения ряда нефтепродуктов и химических реагентов важно обеспечить достаточные структурно- механические свойства, позволяющие смазкам при повышенных температурах, а профилактическим средствам при низких температурах удерживаться на рабочих поверхностях, битумно- минеральным композициям − выдерживать статические и динамические нагрузки, коксам − проявлять достаточную статическую прочность, гелям для гидроразрыва пласта – удерживать во взвешенном состоянии твердую фазу и т.д. Таким образом для правильного выбора технологических режимов добычи, транспортировки и переработки нефти необходимо знание не только физико-химических свойств исследуемой жидкости, но и ее структурно-механических свойств, что, таким образом, делает актуальным проведение предварительных испытаний по определению реологических свойств НДС.
Среди разнообразных областей использования результатов исследования реологических свойств нефтяных дисперсных систем наиболее развиты физико-химическая оценка, основанная на установлении корреляции
«состав-свойство», и решение
29 гидродинамических задач течения сред со сложными
(неньютоновскими) характеристиками.
Одним из методов исследования является определение неньютоновских НДС при различных температурах и скоростях сдвига, существование предела текучести, а также наличие тиксотропных свойств НДС.
Для определения реологических характеристик НДС не существует общепринятых методик или приборов, но наиболее распространенным является использование капилярных и ротационных приборов, которые можно рассматривать как взаимодополняющие друг друга ввиду того, что ротационный метод позволяет получить надежные данные при малых напряжения сдвига, а капилярный – в области больших напряжений.
Сущность капиллярной реометрии состоит в установлении зависимости между расходом жидкости, протекающей через капилляр, и перепадом давления на концах каппиляра, вызывающим течение образца жидкости.
Наиболее распространенным методом исследования реологического поведения НДС являются метод ротационной вискозиметрии, применяющийся для измерений как в области обычных температур, так и в области высоких температур до 400 °С, позволяющий наблюдать суммарный эффект состояния системы после ее деформации. Метод ротационной реометрии основан на определении связи между крутящим моментом и угловой частотой вращения одной из измерительных поверхностей. Этот метод позволяет исследовать не только реологические свойства НДС в переходных режимах деформирования при постоянном напряжении или скорости деформации, а также тиксотропные характеристики
НДС, обусловленные структурными превращениями.
Практика реологических исследований жидких НДС заключается в построении реологических кривых течения в координатах τ-γ и соответствующих им зависимостей в координатах
η-τ с целью определения типа течения, предельного напряжения
30 сдвига и других характеристик структурно-механических свойств
НДС.
Основные понятия реологии
Предметом реологии является описание механических свойств разнообразных материалов в различных режимах деформирования, когда одновременно может проявляться их способность к течению и накоплению обратимых деформаций.
Задача реологии – разработка общих принципов и предположений, исходя из которых возможно получение количественных соотношений между измеряемыми величинами.
В теоретических построениях особенности структуры исследуемой системы, как правило, не учитываются, насколько это позволяют решаемые задачи, а построение зависимостей отталкивается из предположения, что величины, характеризующие свойства или поведение образца, изменяются по объему непрерывно.
Специфика механических свойств материала складывается из особенностей его реакции на внешнее воздействие.
Важно отметить, что посредством измерения реологических характеристик определяется условная температурная граница текучести нефти, что связано с ростом кристаллической фазы в нефти, представленной парафиновыми углеводородами, и возможностью образования пространственных структур.
Вопросы для текущего контроля и зачета (экзамена)
1.
Что такое реотест?
2.
Для чего использовать методы физико-механической механики при добыче, транспортировке и переработке НДС?
3.
При каких температурах возможно исследование структурообразования в НДС?
31
VI. Ньютоновская и неньютоновская вязкости нефти и
нефтепродуктов
Вязкость воды составляет 10 сПа·с (1 Спз), в то время как вязкость легкой нефти может варьироваться в пределах от нескольких сПа·с до примерно 20 сПа·с, а выше этого предела лежит вязкость тяжелых нефтей, которая может достигать 1000 Па·с. При более высоких значениях этого показателя следует говорить о твердообразном состоянии, характерном для битумов.
Жидкость, свойства которой подчиняются закону Ньютона и описываются уравнением (8), называют ньютоновской жидкостью:
τ=η·γ (8) где τ – напряжение сдвига (Па);
η – вязкость (Па·с);
γ – скорость сдвига (1/с).
Скорость сдвига определяет перепад (градиент) скоростей движения элементарных слоев жидкости в кольцевом зазоре и зависит от геометрических размеров цилиндрической системы и пропорциональна скорости вращения цилиндра.
Зависимость между скоростью сдвига и напряжением сдвига
(кривая течения) для ньютоновских жидкостей представляет собой проходящую через начало координат прямую линию и не зависит от динамических и кинематических характеристик движения (рис. 6).
Большое содержание парафинов, смол и асфальтенов в перекачиваемых нефтях, в особенности при температуре перекачки близкой к температуре застывания, изменяет характер кривой течения и переводит транспортируемую нефть в разряд неньютоновских жидкостей. Если из НДС удалить смолы и асфальтены, то вязкость и температура застывания оставшейся части резко снижаются.
32
Рис.6. Реологические кривые течения жидкостей: 1-ньютоновская,2-дилатантная, 3- псевдопластичная, 4-6- неньютоновская с пределом текучести
Важно отметить, что в настоящее время не существует точной аппроксимации кривых течения, позволяющих их использование для нефтей разных месторождений. Однако, довольно часто реальные установивишиеся кривые течения вполне удовлетворительно описываются уравнением Бингама:
τ( ) =
+
в
( )
(9)
где τ
γ
– предел текучести,
η
в
– пластическая («бингамовская») вязкость.
Уравнение ньютоновской жидкости вполне пригодно для области высоких температур, когда нефть представляет собой однородную вязкую жидкость. Для более низких температур уравнение Бингама, как правило, вполне достаточно для сравнения между собой различных нефтей и гидродинамических расчетов течения нефти по трубопроводам.
Структурированные системы
Как общее правило принимается, что в нефти в определеном диапазоне температур возникает структура, характеризуемая ее прочностью, мерой которой является предел текучести. Предел