Разрушение нефтяных эмульсий

Аннотация

Статья посвящена изучению методов разделения эмульсии. Наиболее выгодный метод это фильтрация, в основе которой лежит явление смачивания. Такой метод не потребует больших затрат ресурсов, как экономических, так и физических. Применение иных методов разделения возможно, однако внедрение их потребует больших затрат в отличии от фильтрации. Применение же отстаивания и выпаривания на установке уже осуществлено, однако не дают высоких результатов в отделении эмульсии.

Ключевые слова: эмульсия типа вода в масле, эмульсия типа масло в воде, высокомолекулярные соединения, поверхностно-активные вещества, двойной электрический слой.

Annotation

The article is devoted to the study of emulsion separation methods. The most advantageous filtration method based on explicit wetting. This method does not require large resources. It is possible to use these separation methods. However, this does not achieve high results in the separation of emulsions.

Key words: water-in-oil emulsion, oil-in-water emulsion, high molecular weight compounds, surfactants, double electric laye.

Основная часть

Основной целью нефтехимической промышленности является получение веществ из нефтепродуктов и углеводородов нефтяных и природных газов при их химической переработке. Однако для получения этих продуктов используются вспомогательные вещества, некоторые из которых получаются из побочных продуктов процесса. Из этого следует, что для повышения качества основных продуктов необходимо так же улучшать качество побочных и вспомогательных продуктов.

Одна из имеющихся проблем на производстве заключается в разделении стойкой эмульсии, образующейся в результате процесса первичной ректификации и затем поступающей в емкость для расслоения на установке подготовка пироконденсата.

В литературе известны методы, позволяющие разделять эмульсии системы углеводороды в воде, например, такие как отстаивание, центрифугирование, выпаривание.

В промышленности отстаивание для разделения эмульсий используется с применением отстойников периодического и непрерывного действия. Главное положительное качество отстаивания это простота конструкций отстойников и относительная дешевизна. Однако стойкие эмульсии разделять отстаиванием затруднительно, поскольку на поверхности частиц может образоваться слой ионов из-за того, что возникает адсорбция ионов растворов, а так же может возникать диссоциация поверхностного соединения и ориентирование полярных молекул на границе раздела фаз.

Использование центрифуг может повысить эффективность разделения на фазы эмульсии, сократить количество аппаратов, а так же возможность удаления из жидкости механических примесей присутствующих в ней, что позволит увеличить время эксплуатации трубопроводов и аппаратов, но центрифуги требуют больших энергозатрат.

Применение выпаривания для разделения эмульсии является одним из самых эффективных способов. Однако, применение этого метода на существующей установке Подготовка пироконденсата нецелесообразно. В углеводородной части эмульсии содержится стирол, способный к термополимеризации. Полимер образует налеты и создает застои в трубопроводах и аппаратах, что приводит к нарушению технологического режима.

Потому, наиболее выгодный способ разделения эмульсии, в сложившийся ситуации, является фильтрация, в основе которой лежит явление смачивания.

Не смотря на то, что фильтрация смачиванием не является одним из самых популярных способов разделения эмульсии, она получила свое развитие на сегодняшний день.

Проблема разделения эмульсии на данном узле заключается в том, что применяемые способы деэмульсации не дают высокого эффекта расслоения, из-за чего происходит снижение работоспособности оборудования.

Необходимо узнать, возможно ли применять фильтрацию смачиванием, как метод разделения эмульсии. Так же следует опытным путем исследовать влияние различных факторов на эффективность разделения эмульсии.

Различные типы классификаций эмульсий.

Эмульсия является полидисперсной системой, состоящая из двух фаз. Одна фаза является сплошной и образует так называемую дисперсионную среду, а та жидкость, что в ней диспергирована является дисперсной фазой. Существует три вида классификаций эмульсии: классификация по полярности дисперсной фазы, классификация по концентрации дисперсной фазы, классификация по характеру взаимодействия коллоидных частиц с дисперсионной средой.

По полярности дисперсной фазы можно выделить три типа эмульсий. Эмульсии обратного типа, или так называемые вода в масле (в/м). У данного вида эмульсий вода является дисперсной фазой, а углеводороды являются дисперсионной средой. Эмульсии прямого типа, или масло в воде (м/в). Здесь дисперсной фазой является углеводород, а вода будет дисперсионной средой. Водой и маслом называются полярная и неполярная жидкости соответственно, независимо от их истинной природы. Помимо эмульсий прямого и обратного типа, существует так называемая «множественная» эмульсия. Такой тип эмульсий трудно разрушаем при помощи известных методов и обычно эмульсии данного типа накапливаются на границе раздела фаз. Они могут являться причиной срыва технологического режима. На практике чаще всего образующуюся «множественную» эмульсию удаляют в ловушки. Затем зачастую содержимое ловушек сжигается.

По концентрации дисперсной фазы эмульсии можно разделить на три вида: разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или как их по-другому называют желатинированные. Эмульсии, содержащие в себе не более 0,1% дисперсной фазы, называют разбавленными эмульсиями. Эмульсии, содержащие от 0,1 до 74% объемных дисперсной фазы, называют концентрированными. К высококонцентрированным эмульсиям относятся те, в которых содержание дисперсной фазы превышает 74%.

Описывается процесс образования эмульсий, и как они противостоят разрушению.

При смешивании двухфазной системы капли жидкости приобретают цилиндрическую форму. Во время преобразования капель происходит затрата работы на преодоление молекулярных сил поверхностного натяжения. Приобретая данную форму капли становятся неустойчивыми, в последствии эти капли распадаются на более мелкие частицы. Устойчивость капель зависит от их размеров, чем меньше капли, тем более она устойчива к растяжению. Одновременно с процессом диспергирования капель проходит и обратный процесс - коалесценции сталкивающихся капель. Однако мощности мешалок, с применением которых готовятся эмульсии, бывают ограниченны, и наступает момент, когда скорости этих процессов становятся одинаковыми. При этом образуется эмульсия с определенной степенью дисперсности. Однако на практике эмульсия всегда будет полидисперсной, так как одинаковые условия перемешивания по всему объему эмульсии создать невозможно. эмульсия разделение отстаивание нефтяный

Способы получения эмульсии можно разделить на два вида: конденсационный и диспергационный. Конденсационный способ основан на выращивании капель из малых центров каплеобразования. В основе диспергационного способа лежит дробление крупных капель. Чаще всего эмульсии получают за счет диспергационного способа.

Выделяют две разновидности конденсационных способов получения эмульсии такие, как конденсация из паров и замена растворителя.

Диспергационные способы получения эмульсии, основанные на дроблении два несмешивающихся слоя образующих из себя грубодисперсную систему. Выделяют три вида диспергационных способов получения эмульсии такие, механическое диспергирование, эмульгирование ультразвуком, а так же эмульгирования электрическими методами. В основе механического диспергирования лежит такая работа, при которой вся энергия затрачивается на диспергирование. Для эмульгирования применяется ультразвук, имеющий область частот в пределах 20-50 кГц. Ультразвуковое эмульгирование обуславливается возникающей кавитацией. Условия её появления во многом зависят таких параметров ультразвука, как: мощность, частота, форма поля. Так же на появление кавитации влияют температура среды, её вязкость, давление. Диспергируемая жидкость, которая затем станет дисперсной фазой, помещается в сосуд, на конце которого находится капиллярная воронка. Затем положительный полюс источника тока высокого напряжения присоединяется на воронку. На дно круглодонной колбы, в которую вставляется сосуд, укладывается металлический электрод. В колбу наливается жидкость, которая послужит дисперсионной средой. В дальнейшем, капли истекающие из капилляра попадают в жидкость налитую в колбе, образуя эмульсию. Контролируя приложенное напряжение и изменяя расстояние между капилляром и жидкость, можно получить эмульсию с частицами, размер которых будет варьироваться от 1 до 10 мкм.

Явлении самопроизвольного эмульгирования. Такое может произойти при температурах близких к критической температуре взаиморастворения жидкостей в двухкомпонентной гетерогенной системе. Это происходит из-за становления поверхностного натяжения крайне малым - менее 10^-4 Дж/м². Поскольку избыток свободной энергии, возникающий при создании капель, компенсируется энтропийным фактором - стремление вещества к равномерному распределнию по всей системе, такая эмульсия является термодинамически устойчива. Обе фазы такой эмульсии насыщенные растворы жидкостей друг в друге.

Рассмотренны основные характеристики эмульсий. Существует несколько характеристик эмульсий для оценки их свойств. Основными из которых являются дисперсность эмульсии, устойчивость во времени, концентрация дисперсной фазы. Размерами частиц дисперсной фазы можно определить дисперсность эмульсии. Скоростью расслоения эмульсии и временем жизни отдельных капель в контакте с другими характеризуется устойчивость во времени.

Все существующие способы разделения эмульсий делятся на четыре группы. Выбор к какой группе отнести тот или иной способ зависит от типа эергии, которую прикладывают для разрушения эмульсии.

Механические методы разрушения эмульсий - фильтрация, центрифугирование, обработка ультразвуком. Термические методы разрушения эмульсий - подогрев и отстаивание при атмосферном давлении и под избыточным давлением, промывка горячей водой. Физико-химические методы разрушения эмульсий - обработка эмульсии различными реагентами- деэмульгаторами. Электрические методы разрушения эмульсий - обработка эмульсии в постоянном или переменном электрическом поле.

Поскольку, эффективность деэмульсации зависит от многого количества факторов, ни один из перечисленных методов не применяется по одному. В промышленности используется комбинирование двух и более способов разрушения эмульсий.

Необходимо учитывать, как достоинства комбинации каждого из способов, так и их недостатки при создании или анализе работы данных методов

От контакта жидкости и твердого тела возникает адгезионное взаимодействие. Адгезией, называется взаимодействие жидкой фазы с твердой фазой на границе их раздела. Величина такого взаимодействия определяется во время отделения жидкой фазы от твердой фазы.

.Можно сказать, что адгезия и смачивание являются одним и тем же явлением, которое возникает при взаимодействии жидкой и твердой фаз, однако адгезия описывает это самое взаимодействие, а смачивание это то, что возникает в результате адгезии.

Можно выделить два случая, зависящих от количества фаз принимающих участие в смачивании:

- смачивание происходит с твердым телом, полностью погруженным в жидкость, участие в котором принимают лишь жидкая и твердая фазы. Такое смачивание называется иммерсионным. Иммерсионное смачивание чаще всего применяется при смачивании мелких частиц и порошков.

- контактное смачивание - помимо жидкости и твердого тела принимает участие третья фаза в виде газа или другой жидкости. Имеют место быть и случаи, при которых смачивание происходит с участием четырех фаз, например, твердое тело, газ и две разные жидкости.

Можно выделить три вида смачивания, которые зависят от размера равновесного краевого угла: несмачивание, смачивание, полное смачивание.

Несмачивание по-другому можно назвать плохим смачиванием. Краевой угол является тупым: 18О°>0>9О°. Примером несмачивания является поведение воды на парафине или тефлоне. Смачивание -- когда краевой угол является острым: 90°>0>0°. Примером смачивания является поведение воды на металле, покрытом окисной пленкой. Полное смачивание. Поскольку капля растекается в тонкую пленку, то равновесный краевой угол установить невозможно. Примером полного смачивания является поведение ртути на поверхности свинца, очищенной от окисной пленки.

Твердые тела можно делить на три вида по характеру смачивания полярной жидкости, а конкретно водой: гидрофильные или олеофобные, гидрофобные или олеофильные и абсолютно гидрофобные тела.

Гидрофильные материалы - это такие материалы, которые лучше всего будут смачиваться водой. Краевой угол будет меньше 90°. Примерами гидрофильных тел могут служить тела, произведенные из кальцита, кварца, большего количества силикатов, галогенидов щелочных металлов. Гидрофобные материалы - материалы, смачиваемость которых лучше происходит неполярной жидкостью, поэтому их по-другому называют олеофильными материалами. Краевой угол, образующийся от капли воды будет больше 90°. Примерами гидрофобных тел, служат тела, произведенные из таки материалов как графит, уголь, сера. Абсолютно гидрофобные тела - это такие тела, у которых краевой угол больше 90° не только при избирательном смачивании, но и так же в системе Т-Ж-Г. Примерами абсолютно гидрофобных тел могут быть парафин, тефлон, битум.

Говорится о наиболее интересных исследованиях в области фильтрации смачиванием.

Чжан предлагает к применению мембрану, состоящую из медной сетки, Си(ОН)2 с нанопроволокой, обладающей супергидрофильностью и подводной сверхвысокой адгезивной олеофобностью. Утверждается, что такая мембрана эффективно делит как несмешивающиеся смеси масла и воды, так и эмульсии типа м/в, с высокой эффективностью разделения. Мембрана обладает высокой способностью к разделению, без снижения потока и имеет отличные противообрастающие свойства.

С. Бансал описал же применение волокнистого фильтра на разделение эмульсий типа М/В. Он исследовал влияние свойств тонкого волокнистого фильтра таких, как поверхностную энергию, размеры пор, на эффективность разделения эмульсии с дисперсной фазой в виде изооктана и водой, как дисперсионной средой. Он выявил, что более полная коалесценция осуществляется за счет уменьшения размера пор. Также было выяснено, что если размер пор равен размеру капли, то смачиваемость фильтра малоэффективна, а разделение уже будет зависеть от скорости потока.

Использованные источники

1. Виноградов В.М. Образование, свойства и методы разрушения нефтяных эмульсий: метод.указ./ В.М. Виноградов, В.А. Винокуров. М.: ФГУП «Нефть и газ», РГУ нефти и газа имени И. М. Губкина, 2007. 31 с.

2. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы: учебник для вузов, Ю.Г. Фролов / 2-е изд., перераб. и доп. М.: Химия, 1988, 464 с.

3. Панченков Г.М. Поведение эмульсий во внешнем электрическом поле/ Г.М. Панченков, Л.К. Цабек. М.: Химия, 1969. 190 с.

4. Зимон А.Д. Коллоидная химия/ А.Д. Зимон - М.: Агар. 2001. 320 с. 5 Щукин Е.Д. Коллоидная химия/ Е.Д. Щукин, А.В. Перцов, Е.А. Амелина. М.: высш. шк., 1992. 414 с.

5. Воюцкий А.Р. Курс коллоидной химии/ А.Р. Воюцкий. М.: Политиздат, 1976. 512 с.

6. Шерман Ф. Эмульсии/ Ф. Шерман, пер. с англ. под ред. А.А. Абрамова. Л.: Химия, 1972. 448 с.

Размещено на Allbest.ru