Определение смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет» (ПНИПУ)

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 9 курса ФНГП

Определение смачиваемости жидкости на поверхности твердого тела оптическим методом

Выполнили студенты группы: РНГМ-22-1м

Кашапов Данил Олегович

Проверил: доц. каф. НГТ

Гладких Евгений Александрович

Пермь, 2022

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы: визуально определить кривизну менисков при контакте жидкой и твердой фаз и определить краевой угол смачивания на границе контакта полярной и неполярной фаз.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Нефтяные дисперсные системы типа «жидкость-твердое тело» представляет собой напластование из осадочных пород в виде тела с огромным скоплением капиллярных каналов и трещин, заполненных флюидами, удельная поверхность которых очень велика. Поэтому закономерности движения углеводородов в пласте и их вытеснение из пористой среды существенно зависят от свойств пограничных слоёв соприкасающихся фаз и процессов, происходящих на поверхности контакта нефти, газа и воды с породой.

Физико-химические свойства поверхностей раздела фаз и закономерности их взаимодействия характеризуются рядом показателей - поверхностным натяжением на границе раздела фаз, явлениями смачиваемости и растекания, работой адгезии и когезии, теплотой смачивания.

Поверхностное натяжение - это работа А обратимого изотермического процесса образования единицы новой площади S поверхности раздела фаз при постоянстве давления и химических потенциалов компонентов:

физический жидкий твердый смачивание

Поверхностное натяжение в энергетической форме имеет размерность Дж/м². Зависимость поверхностного натяжения от рода флюидов, минерализации, их состава, давления и температуры носит сложный и неоднозначный характер.

В случае чистой однородной жидкости на границе с паром при повышении температуры происходит снижение поверхностного натяжения, что связано с ослаблением действия межмолекулярных сил с ростом температуры. Эта зависимость определяется следующей формулой:

где: у_o, у_t - поверхностные натяжения системы при температурах 0 ^оС и t; г - температурный коэффициент поверхностного натяжения: ртуть-0,00035 1/^оС; вода-0,002 1/^оС. Поверхностное натяжение жидкостей на границе с дистиллированной водой составляет: для керосина при 20^оС составляет 48,3 мН/м, для бензина - 48 мН/м, для толуола - 36,2 мН/м, для бензола - 35 мН/м.

Смачиваемостью называется совокупность явлений на границе соприкосновения трёх фаз, одна из которых обычно является твёрдым телом и две другие - не смешиваемые жидкости или жидкость и газ. Смачиваемость проявляется в способности жидкости энергетически взаимодействовать с твердой поверхностью с образованием поверхностных структурированных слоев. Интенсивность смачивания характеризуется величиной краевого угла смачивания Q, образованного поверхностью твёрдого тела с касательной, проведённой к поверхности жидкости из точки её соприкосновения с поверхностью (рис. 1).

Рис. 1 Форма капли, обусловленная поверхностным натяжением на различных границах соприкасающихся фаз

Краевой угол Q измеряется в сторону от менее полярной к более полярной фазе (в данном случае в сторону воды). Принято условно обозначать цифрой 1 водную фазу, цифрой 2 - углеводородную жидкость или газ, цифрой 3 - твёрдое тело. Угол смачивания определяется по уравнению Юнга:

где: _2,3- межфазное натяжение на границе «нефть - порода», _1,3- межфазное натяжение на границе «вода - порода», _1,2 - межфазное натяжение на границе «вода нефть», - угол смачиваемости породы.

Когезия W_к - работа, необходимая для разрыва однородной объемной фазы при образовании поверхности раздела.

Силы когезии определяют существование веществ в конденсированном состоянии. Количественную характеристику сил когезии и адгезии получают, оценивая работу, совершаемую против действия этих сил.

Работа когезии (W_c) численно равна затрате энергии на разрыв тела (обратимо и изотермически) по сечению, равному единице площади.

Адгезия (прилипание) W_а - работа, необходимая для разрыва разнородного межфазного слоя (вода-порода) при образовании новых поверхностей раздела.

Работу адгезии (W_а) характеризуют затратой энергии на разрыв адгезионного контакта в расчете на единицу площади.

Если угол 90 >> 0 - острый (наступающий), то поверхность хорошо смачивается водой и называется гидрофильной.

Если угол 90 >>180 - тупой (отступающий), то поверхность плохо смачивается водой и называется гидрофобной.

К гидрофильным поверхностям относятся силикаты, карбонаты, окислы железа. К гидрофобным поверхностям - парафины, жиры, воск, чистые металлы.

Смачиваемость поверхности пород непосредственно влияет на эффективность практически всех известных технологий разработки месторождений углеводородного сырья с использованием заводнения. Смачиваемость влияет на фазовые проницаемости, адсорбцию полярных компонентов нефти, капиллярное давление, остаточную водо- и нефтенасыщенность, охват пласта заводнением, коэффициент вытеснения и коэффициент извлечения нефти. На рис.2 приведен график влияния смачиваемости на коэффициент вытеснения.

Рис. 2 Влияние смачиваемости поверхности пород на коэффициент вытеснения нефти водой по Доналдсону

Смачиваемость водой понижается с увеличением вязкости нефти, газонасыщенности, минерализации воды, содержания в воде ионов хлора, кальция, магния, брома.

Перед выполнением работы необходимо изучить по паспорту конструкцию бинокулярного или монокулярного микроскопа, его технические характеристики, порядок подготовки к работе и проведение исследований (рисунок 3). Ниже приведены краткие технические характеристики учебного микроскопа «Микромед -5».

Рис. 3 Внешний вид микроскопа «Микромед -5»

Для выполнения работы необходимы:

· Микроскоп с окуляром, снабженным измерительной шкалой

· Тонкий стеклянный капилляр с внутренним диаметром d=3.0 мм

· Микрошприц с иглой

· Дистиллированная вода

· Трансформаторное масло

· Бюксы для хранения воды и масла

· Фильтровальная бумага

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Часть 1. Берем сухой чистый капилляр. Предварительно опускаем капилляр открытым концом в дистиллированную воду и засасываем в капилляр небольшое количество воды так, чтобы по длине капилляра образовалась протяженная капля с двумя четкими менисками на концах

Далее необходимо включить микроскоп, установить капилляр на диск-подставку так, чтобы капля находилась в центре диска. Выбрать самый короткий объектив 4/0,10, для чего повернуть револьверную головку микроскопа так, чтобы объектив оказался в центре напротив пучка света. Количественное измерение размеров микрообъектов проводят с использованием встроенной в окуляр линейной шкалы.

Для измерения линейных размеров объекта необходимо поворотом окуляра совместить сетку шкалы с измеряемым отрезком - текущей высотой hi сферического сегмента от линии d до линии L мениска и подсчитать количество малых делений шкалы N, покрывающих этот отрезок. Расчет линейных размеров hi проводится по формуле:

h_i=K*N,

где К -цена малого деления шкалы для выбранного объектива.

Рис. 4 Количество высот h_i сферического сегмента, которые необходимо измерить

Для определения точной формы мениска проводится измерение высоты мениска в 5 точках окружности. Данные измерений записать в таблицу 1.

По данным табл. 1 форму мениска границы раздела «вода-газ» нанести на миллиметровую бумагу с учетом выбранного масштаба.

Часть 2. Заполняем микрошприц без излы трансформаторным маслом в объеме не более 0,5 мл. Если используем иглу, то после заполнения шприца необходимо тщательно протереть иглу ватой или фильтровальной бумагой. Затем иглу микрошприца надо медленно ввести в центр водяной капли и выдавить каплю масла (неполярной фазы) с размером большим диаметра капилляра. По аналогии с первой частью далее измерить высоты сферического сегмента (табл. 2) и рассчитать по двум вариантам краевой угол смачивания на границе «вода-масло».

После расчетов заполнить таблицу 3 полученных экспериментальных данных, выполнить их анализ.

РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

Таблица 1

Измерение формы мениска сферического сегмента

Таблица 2

Измерение формы мениска сферического сегмента для дистиллированной воды

Таблица 3

Сводная таблица экспериментальных результатов

Вывод: в ходе выполнении данной работы, мною визуально определена кривизна менисков при контакте жидкой и твердой фаз и определен краевой угол смачивания на границе контакта полярной и неполярной фаз, значения угла при разных вариантах вычисления отличаются не значительно.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Что такое смачиваемость?

2. Что такое поверхностное натяжение и капиллярное давление?

3. Энергия когезии и адгезии.

4. Уравнение Юнга, Дюпре и Дюпре-Юнга.

5. Условия полного смачивания и несмачивания.

6. Что такое олеофобность и олеофильность?

7. Как влияет температура на смачиваемость?

8. Что такое инверсия смачиваемости?

9. Методы регулирования смачивания при вытеснении нефти водой.

Размещено на Allbest.ru