Влияние размеров частиц дисперсной фазы прямых эмульсий нефти на величину эффекта Томса Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ

УДК 532.529.5:678.745.842

С. В. Чичканов, А. И. Шамсуллин, В. А. Мягченков ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРОВ ЧАСТИЦ ДИСПЕРСНОЙ ФАЗЫ ПРЯМЫХ ЭМУЛЬСИЙ НЕФТИ НА ВЕЛИЧИНУ ЭФФЕКТА ТОМСА

Изучено влияние размеров и вязкости частиц дисперсной фазы в снижении гидравлического сопротивления турбулентных потоков прямых нефтяных эмульсий с присадкой - анионным сополимером акриламида. Отмечено повышение адсорбции сополимера и снижение величин приведённого эффекта Томса с уменьшением размеров частиц дисперсной фазы в прямых эмульсиях нефти.

Необходимость снижения гидравлического сопротивления потоков при скоростной транспортировке обратных и прямых нефтяных эмульсий по трубопроводам делает актуальной проблему оптимизации этих процессов. Известно большое количество методов снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков: уменьшение вязкости перекачиваемого нефтесодержащего продукта путём добавления в него депрессоров, растворителей или ПАВ, подогрев транспортируемой продукции, обработка внутренней поверхности труб материалами с низким коэффициентом трения [1] и т.д. Несомненно, что одним из наиболее интересных, эффективных и сравнительно доступных является способ, связанный с добавлением в турбулентный поток малых доз высокомолекулярных соединений (эффект Томса). В этом методе удаётся существенно повысить скорость транспортировки жидкости без увеличения мощности насосных агрегатов, что в конечном итоге приводит к снижению энергозатрат на перекачку жидкостей и уменьшению износа оборудования [2].

Ранее нами была показана принципиальная возможность использования водорастворимых полимерных присадок с функцией «гасителя» турбулентности потоков не только в чисто водных средах, но и в сложных многокомпонентных системах типа прямых эмульсий нефти [3-5]. С целью интенсификации процесса было проанализировано, в частности, влияние природы, концентрации и молекулярной массы полимера, параметров дисперсионной среды, а также соотношения между органической и водной фазами в эмульсиях на величину эффекта Томса. По сравнению с чисто водными средами присутствие нефти приводит к появлению ряда специфических свойств у прямых эмульсий, оказывающих заметное влияние на результирующий макроскопический эффект Томса. Так, величины эффектов Томса для фиксированных концентраций полимерной присадки в прямых эмульсиях несколько ниже, чем в случае чисто водных сред. Наиболее вероятная причина этого связана с процессом адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы, что вызывает уменьшение числа активно «работающих» молекул в дисперсионной среде и симбатно этому изменяется и величина эффекта Томса.

В ходе исследований по оценке влияния вязкости у частиц дисперсной фазы на эффективность действия полимерной присадки нами было высказано предположение о том,

что в процессе турбулентного течения прямых эмульсий частицы нефти способны изменять свои размеры и форму.

Данная работа является логическим продолжением проведённых ранее экспериментов и посвящена оценке на количественном уровне влияния размеров частиц дисперсной фазы на величину эффекта снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков прямых эмульсий нефти в присутствии присадки - водорастворимого анионного сополимера акриламида.

Необходимость специальных исследований в этом направлении обусловлена, прежде всего, тем, что для реальных нефтяных эмульсий (как обратных, так и прямых) характерны весьма сильные различия в средних размерах частиц дисперсной фазы К [6, 7]. Результирующие значения К в реальных многокомпонентных дисперсных системах зависят от многих факторов: режима транспортировки жидкости, температуры, наличия на пути потока насосов и местных сопротивлений, структуры материала и геометрических параметров ограничительного контура, природы и содержания активных добавок в водной (ПАВ, электролиты, водорастворимые компоненты нефти) и органической (антикоррозионные присадки, депрессоры, стабилизаторы) фазах нефтяных эмульсий и др. При транспортировке эмульсий нефти в турбулентном режиме следует ожидать влияние К на вязкостные характеристики эмульсий, на адсорбцию макромолекул и, как следствие, на величины эффекта Томса.

Анализ экспериментальных данных начнём с рассмотрения концентрационных зависимостей величины эффекта Томса Т для 10 % прямых эмульсий нефти, различающихся по размерам частиц дисперсной фазы (рис. 1 а, б). Поскольку значения кинематических вязкостей V нефтей различных месторождений варьируются в очень широких пределах (более чем на два порядка), то для получения более общей и аргументированной информации о влиянии К на параметр Т нами проанализированы эмульсии, различающиеся по значению V органической фазы более, чем на порядок. По данным рисунка можно отметить слабую зависимость величины эффекта Томса от размеров частиц дисперсной фазы при сохранении отчётливой тенденции снижения эффекта Томса при уменьшении К. Более наглядно об этом можно судить по рис. 2, где в качестве оценочного параметра используется приведённый эффект Томса Т/С. По данным рис. 1 и 2 можно сделать принципиально важное заключение о том, что эффект Томса отчётливо выражен для всех изученных прямых эмульсий независимо от размера и вязкости частиц дисперсной фазы, поскольку во всех случаях максимальные значения параметра Т превышают значение 0,4.

Одна из причин осложнений в характере зависимостей Т=,Г(С) Т/С=,Г(К )связана с изменениями формы и размеров частиц дисперсной фазы в процессе турбулентного течения эмульсии по капилляру реометра и эти зависимости усиливаются с уменьшением вязкости нефти и увеличением К. Но это обстоятельство не является единственным фактором, влияющим на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти [8].

Другая возможная причина снижения параметра Т с уменьшением К может быть связана с процессами адсорбции полимера, протекающими на поверхности стабилизированных частиц дисперсной фазы [4]. С уменьшением К возрастает общая поверхность раздела фаз, а это должно приводить к росту количества адсорбировавшегося полимера и к уменьшению величины эффекта Томса.

Для подтверждения последнего утверждения мы провели серию экспериментов по прямой оценке величины адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы.

Рис. 1 - Концентрационные зависимости величины эффекта Томса для 10 %

прямых эмульсий нефти с различными значениями средних размеров К (пункти-

■б 2 —

ром показаны зависимости для водного раствора сополимера): а) V=1,25•10 м/с; К, мкм: 1 - 4,7; 2 - 3,8; 3 - 2,5; 4 - 2,3; 5 - 2,2; 6 - 2,1; б) V=50,3•10■6 м2/с; К, мкм: 1 - 7,2; 2 - 6,7; 3 - 5,6; 4 - 4,7; 5 - 3,5; 6 - 2,7

Рис. 2 - Зависимость величины приведённого эффекта Томса от размеров частиц дисперсной фазы в 10 % прямых эмульсиях нефти. Концентрация сополимера С, кг/м3: 1, 4 - 0,02; 2, 5 - 0,04; 3, 6 - 0,08; ^-106 м2/с: 1, 2, 3 - 1,25; 4, 5, 6 - 50,3

Из рис. 3 видно, что адсорбция А растёт с уменьшением средних размеров частиц дисперсной фазы в эмульсии, что хорошо согласуется с данными рис. 1 и 2 и свидетельствует о правильности высказанного предположения.

Рис. 3 - Гистограммы, иллюстрирующие зависимость величины адсорбции А от режима ультразвуковой обработки нефтяных эмульсий (размеры частиц дисперсной фазы приведены в табл. 1) и кинематической вязкости V частиц дисперсной фазы. Для эмульсий с V,•106 м2/с: 1 - 1,25; 2 - 50,3

Таблица 1 - Основные характеристики 10 % прямых эмульсий после ультразвуковой обработки

Эмульсия Мощность ультразвукового генератора, Вт/см2 Время обработки, мин Средние размеры частиц дисперсной фазы, мкм

6 2 Кинематическая вязкость углеводородной фазы v=50,3•10" м /с

I 0 0 7,2

II 4,0 2 6,7

III 8,1 2,5 5,6

IV 11,7 3 4,7

V 11,7 5 3,5

VI 11,7 10 2,7

Кинематическая вязкость углеводородной фазы V =1,25 •Ю'6 м2/с

I 0 0 4,7

II 4,0 2 3,8

III 8,1 2,5 2,5

IV 11,7 3 2,3

V 11,7 5 2,2

VI 11,7 10 2,1

Также можно отметить, что величина адсорбции полимера имеет наибольшие значения в случае дисперсных частиц с большей вязкостью (у=50,3-10"6 м2/с). Это связано с тем, что количество и активность локализованных адсорбционных центров, расположенных на частицах дисперсной фазы, напрямую зависит от содержания в нефти полярных компонентов (смол и асфальтенов) [9]. Естественно, что чем больше вязкость нефти, тем выше содержание в ней полярных компонентов и это способствует повышению адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы. Последнее обстоятельство приводит к уменьшению количества активных макромолекул в турбулентных потоках, а значит и к более низким значениям параметра Т для эмульсий с более вязкой дисперсной фазой.

Экспериментальная часть

В качестве углеводородной фазы в прямых эмульсиях использовали нефть Аптугайского месторождения (Пермская область) с кинематической вязкостью при 200С V= 50,3 • 10-6 м2/с и плотностью р=860 кг/м3, а в опытах с гораздо более низким значением V=1,25•10"6 м2/с использовали чистый керосин (Волгоградский НПЗ, ТУ 3840158-10-90).

Исходные (I) прямые 10 % эмульсии нефти с максимальными размерами частиц дисперсной фазы готовили на установке, изображённой на рис. 4 по следующей методике. В емкость 1 заливали расчетные количества нефти, дистиллированной воды и стабилизатора (Неонол АФд-10, 2 % об. по нефти) и в течение 5 минут осуществляли циркуляцион ную перекачку смеси насосом 2 через нагнетательную линию 5. Необходимый расход жидкости регулировали с помощью вентиля3. Для

уменьшения размеров частиц дисперсной фазы исходные эмульсии подвергали ультразвуковой обработке с помощью ультразвукового диспергатора УЗДН-1 (рабочая частота - 22 кГц) при варьировании времени и мощности облучения. Таким образом, для каждой из двух исходных 10 % прямых эмульсий нефти были получены по пять образцов эмульсий (II-VI), различающихся между собой по вязкости и размерам частиц дисперсной фазы. Полученные таким образом прямые эмульсии имели средние размеры частиц дисперсной фазы в пределах 2,1-7,2 мкм. Основные характеристики по условиям получения и

значениям R всех 12 эмульсий приведены в табл. 1.

Средние размеры частиц дисперсной фазы определялись методом оптической микроскопии (микроскоп МБИ-3) путём обработки данных по размерам совокупности 100 и более частиц дисперсной фазы.

Для увеличения скорости транспортировки нефтяных эмульсий применяли водорастворимую полимерную присадку - анионный сополимер

акриламида с акрилатом натрия марки Alcoflood 1175A (Allied Colloids, Великобритания) с молекулярной массой M=10.8-106 и с содержанием ионогенных (акрилатных) звеньев Р=21.5 %.

Эксперименты проводились на модифицированном турбулентном реометре, представляющем собой систему из стального резервуара для жидкости и соединённой с ним стеклянной трубки длиной 0,6 м и диаметром 1,83-10-3 м. В ходе эксперимента фиксировали расход жидкости, пройденной через капилляр под давлением в резервуаре 5 атм. Схема установки и подробная методика

эксперимента описаны в [10].

Количественными характеристиками величины эффекта Томса служили безразмерные параметры T:

Рис. 4 - Упрощённая схема установки для получения прямых эмульсий нефти: 1 - рабочая ёмкость; 2 - пластинчатый насос; 3 - вентиль регулировки расхода жидкости; 4 - байпасная линия; 5 - нагнетательная линия; 6 - набор сетчатых мембран с различными размерами отверстий для «дробления» частиц дисперсной фазы

T =

m - m

0

mr

где и т - массовый расход жидкости соответственно без добавки и с добавкой полимера, а также значения приведённых эффектов Тома Т/С [11].

Величину адсорбции А оценивали по разнице концентраций полимера до и после контакта с частицами дисперсной фазы с использованием градуировочных зависимостей Пуд=^С), где С - концентрация сополимера в водном слое после разделения эмульсии (рис. 5). Для проведения более корректного вискозиметрического анализа при построении градуировочной зависимости ПУД=^С) в качестве растворителя использовали водный слой, полученный после разделения двух эмульсий (с различными значениями V), не содержащих полимера. Такая предосторожность была связана с тем, что в водной фазе эмульсий нельзя исключать наличия следовых количеств стабилизатора и водорастворимых компонентов дисперсной фазы, способных оказать влияние на значения удельных вязкостей анализируемых растворов полимеров.

Рис. 5 - Градуировочные зависимости удельной вязкости ПуД водного слоя прямых нефтяных эмульсий от концентрации сополимера С для прямых эмульсий с различными значениями вязкости дисперсной фазы V,•106 м2/с: 1 - 50,3; 2 - 1,25

В каждом эксперименте концентрацию сополимера в водной фазе эмульсии Сх определяли по следующей методике. На первом этапе эмульсию в количестве 100 см3 центрифугировали на центрифуге ОПн-8 при угловой скорости вращения ротора 8000 об/мин. в течение 15 минут. Затем водный (нижний) слой подвергали очистке от остаточной нефти путём экстракции растворителем (в объёмном соотношении 1:1). В качестве растворителей нами были испробованы гексановая, керосиновая, этилбензольная фракции углеводородов. После проведения серии предварительных экспериментов в качестве оптимального был выбран легколетучий растворитель - этиловый эфир уксусной кислоты. Он обладал высокой растворимостью по отношению к нефти и к стабилизатору, что позволило почти полностью избавиться от присутствия в растворе последних. Уксусноэтиловый эфир, содержащийся в водном слое после экстракции, удаляли путём барботажа воздуха через водный слой с применением водоструйного насоса.

После проведения очистки водного слоя от нефти и стабилизатора измеряли удельную вязкость раствора полимера Пуд и по градуировочной зависимости Пуд=^С) определяли остаточную концентрацию полимера Сх в водной фазе, а также разность концентраций полимера до и после контакта с частицами дисперсной фазы эмульсии ДС=С0-Сх. Для повышения точности при оценке параметра А все эксперименты по адсорбции проведены для систем с максимальным концентрации сополимера в водной фазе, т. е. для случая С0=0,012 %. После этого рассчитывали величину адсорбции А по формуле

А = ^ р-V, ’

где Vв =90 см и Vн = 10 см - объёмы соответственно водной и нефтяной фаз в эмульсии, р=860 кг/м3- плотность нефтяной фазы.

Выводы

1. По данным экспериментов на модифицированном турбулентном реометре зафиксирована слабовыраженная тенденция снижения величины эффекта Томса с увеличением среднего размера частиц дисперсной фазы у стабилизированных Неонолом АФд-10 прямых эмульсиях нефти

2. Установлено, что наиболее вероятная причина снижения величины эффекта Томса при уменьшении размеров частиц дисперсной фазы эмульсии связана с повышением адсорбции полимера на частицах с более высокой удельной поверхностью раздела фаз.

Литература

1. Ибрагимов Г.З., Сорокин В.А., Хисамутдинов Н.М. Химические реагенты для добычи нефти. -М.: Недра, 1986. - 240 с.

2. Порайко И.Н. Применение полиакриламида в технологических процессах, связанных с добычей нефти: Темат. науч.-техн. обзор. М.: ВНИИОЭНГ, 1974. 85 с.

3. Мягченков В.А., Чичканов С.В. // Журнал прикладной химии. 2003. Т. 76. Вып. 11. С. 1901-1905.

4. Чичканов С.В., Мягченков В.А. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2003. № 1-2. С. 322-334.

5. Мягченков В.А., Чичканов С.В. // Нефтяное хозяйство. 2004. №1. С. 93-95.

6. Позднышев Г.Н. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. - М: Недра, 1982. - 221 с.

7. Тронов В.П. Промысловая подготовка нефти. -Казань: Фэн, 2000. - 416 с.

8. Чичканов С.В., Крупин С.В., Мягченков В.А. // Интервал. 2004. №6. С. 29-32.

9. Сюняев, З.И., СюняевР.З., СафиеваР.З. Нефтяные дисперсные системы. -М.: Химия, 1990. -224 с.

10. Чичканов С.В., Яковенко Д.Ф., Шамсуллин А.И. и др. // Вестник Казан. технол. ун-та. 2004. №1-2. С. 221-229.

11. Mjagchenkov V.A., Chichkanov S. V., Proskurina V.E., Krupin S. V. // Оеоге8оигсе8. 2002. N 6. Р. 19-23.

© С. В. Чичканов - асп. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; А. И. Шамсуллин - асп. той же кафедры; В. А. Мягченков - д-р хим. наук, проф. каф. физической и коллоидной химии КГТУ.