CC BY
94
УДК 665.61
А. А.-да Консейсао 1, Н. А. Самойлов
Исследование капиллярного подъема нефти и нефтепродуктов в сорбенте «DULROMABSORB»
1 Школа Жозина Машел, Республика Мозамбик 2 Уфимский государственный нефтяной технический университет 450062 г. Уфа, ул. Космонавтов, 1; тел.: (347) 243-19-52
Показано, что процесс пропитки слоя волокнистого сорбента «^иЬКОМАВБОИВ» может быть рассмотрен с позиций капиллярных явлений. Оценены потенциальные значения эффективных диаметров каналов в слое сорбента.
Ключевые слова: капилляры, высота жидкости в капилляре, капиллярный подъем нефти и нефтепродуктов.
Явление капиллярного подъема жидкости исследуется уже более 400 лет. Начало этим исследованиям дал еще Леонардо да Винчи. Продолжали эти исследования Б. Паскаль, Дж. Жюрен, Т. Юнг, П. Лаплас, Дж. Гиббс. Исследованиям капиллярных явлений, в той или иной мере, посвятили себя также К. Гаус-сон, Г. Кирхгоф, Дж. Максвелл, Дж. Радей, А. Пуанкаре, Ф. Нейман и многие другие известные ученые.
Очевидно, что интерес обусловлен не только глубокой таинственностью данного процесса, но и в не меньшей степени практическим смыслом. Ведь капиллярные явления имеют важное значение в обеспечении жизнедеятельности растений и животных; они используются в технологических процессах пропитки, сварки, склеивания, смазки; эти явления помогают ежедневно нам в быту при стирке, крашении, пайке, сушке.
Возникновение движущих сил подъема жидкости в капиллярных системах традиционно связывают с искривлением поверхности жидкости, тогда жидкость будет перемещаться в капилляре, в противном случае движение
отсутствует 1. Благодаря силам поверхностного натяжения давление внутри жидкости отличается от внешнего давления газа над поверхностью жидкости, при вогнутом мениске
жидкости в капилляре происходит подъем
2
жидкости на некоторую высоту .
Ранее был выполнен цикл исследований по сбору аварийных разливов нефти и нефтепродуктов волокнистым сорбентом ^ПЬЯОМАВБОЯВ» (Республика Мозамбик) 3-8, показавший высокую эффективность этого сорбента.
Анализ кинетики поглощения нефтепродуктов слоем сорбента «^иЬКОМАВБОКВ», соприкасающимся своей нижней частью с нефтепродуктом, показал, что высота подъема нефтепродуктов в слое сорбента «^иЬКОМАВБОКВ» достигает 6.8 см (табл. 1), при этом увеличение плотности нефтепродукта приводит к снижению высоты подъема его в слое сорбента. Можно предположить, что увеличение плотности нефтепродукта (рис. 1), как гравитационной характеристики, частично компенсирует з 8
О
к" 6 4 2 0
0,7
0,75
0,8
0,85 0,9
р, см3/г
Рис. 1. Зависимость высоты подъема (Н) нефти и нефтепродуктов в слое сорбента ^иЬКОМАВБОИВ» от плотности (р) продукта
Таблица 1
Влияние времени контакта т на высоту Л подъема нефти и нефтепродуктов в слое сорбента «DULROMABSORB»
Образцы Плотность нефтепродукта, г/см3 Кинетические параметры
Опыт 1 Опыт 2 Опыт 3 Опыт 4
т, мин Н, см т, мин Н, см т, мин Н, см т, мин Н, см
Бензин 0.730 0 0 3 6 10 6.5 60 6.8
Дизельное топливо 0.820 0 0 1 2.5 3 4 10 5.1
Нефть 0.835 0 0 5 2.5 15 2.7 60 3.5
Моторное масло 0.890 0 0 5 0.5 15 0.8 60 1.6
Дата поступления 04.04.07
Башкирский химический журнал. 2007. Том 14. №4
противоположно направленные капиллярные силы, обеспечивающие подъем нефтепродукта в слое сорбента. Наблюдаемое явление качественно подчиняется закону Жюрена, по которому высота подъема жидкости в капиллярных трубках в первом приближении обратно пропорциональна плотности жидкости. Особенностью впитывания нефтепродуктов в слое волокнистого сорбента «^ИЬКОМАВБОКВ» является кинетический характер этого процесса (табл. 1), связывающий высоту подъема (к) и время подъема (г) жидкости, который можно объяснить капиллярными явлениями несмотря на отсутствие в слое капилляров в явной форме.
При классическом подходе к задаче капиллярные явления как физический процесс обусловлены действием поверхностного натяжения на границе раздела несмешивающихся сред в каналах малого диаметра. Искривление поверхности жидкости в капилляре ведет к появлению в жидкости дополнительного капиллярного давления Ар, величина которого связана со средней кривизной г поверхности уравнением Лапласа:
Ар = р1-р2=2а12/г, где сг12 — поверхностное натяжение на границе двух сред;
р1 и р2 — давление в жидкости 1 и контактирующей с ней среде (фазе) 2
В случае вогнутой поверхности жидкости (г < 0) давление в ней понижено по сравнению с давлением в соседней фазе: р1 < р2 и Ар < 0. Для выпуклых поверхностей (г > 0) знак Ар меняется на обратный. Капиллярное давление создается силами поверхностного натяжения, действующими по касательной к поверхности раздела фаз. Искривление поверхности раздела ведет к появлению составляющей, направленной внутрь объема одной из контактирующих фаз. Для плоской поверхности раздела (г = такая составляющая отсутствует и Ар = 0.
Если известен коэффициент поверхностного натяжения 812 и радиус кривизны поверхности жидкости г, то теоретически можно рассчитать высоту подъема жидкости к в капилляре по формуле:
к = ^
дрг
где д — ускорение свободного подъема; р — плотность нефти (нефтепродуктов)
Целью данной работы является интерпретация опытных данных по пропитке волокнистого сорбента «^иЬКОМАВБОКВ» нефтепродуктами с позиций капиллярных явлений. На первом этапе работы была определена высота подъема нефти и нефтепродуктов в ряде стеклянных капилляров для оценки капиллярных явлений (табл. 2). Высота капиллярного подъема не превышала 1.4 см, была существенно ниже высоты подъема в слое сорбента и не имела кинетического характера.
На втором этапе работы был рассмотрен ряд вариантов формирования каналов в слое сорбента, связанный с особенностями упаковки волокон сорбента «^иЬКОМАВБОКВ», имеющих в среднем диаметр 0.006 мм и длину 25 мм, в слое сорбента. Были рассчитаны эквивалентные диаметры поровых каналов в слое ^ при плотной упаковке пакета из 3—6 волокон и свободной упаковке этих волокон с расстоянием между волокнами, равным диаметру волокон (рис. 2):
э П
где 5 — площадь поперечного сечения потока между волокнами;
П — смоченный периметр потока
Естественно, рассмотренные варианты формы каналов не исчерпывают возможное многообразие структурных элементов хаотической упаковки волокон в слое, однако эти
Таблица 2
Подъем нефти и нефтепродуктов в стеклянных капиллярах
Диаметр капилляра, мм Высота капиллярного подъема, см
бензин дизельное топливо нефть моторное масло
0.1 1.4 1.4 1.4 1.0
0.3 0.5 0.5 0.5 0.4
0.32 0.5 0.5 0.5 0.4
0.4 0.3 0.3 0.3 0.3
0.6 0.3 0.3 0.3 0.2
0.7 0.2 0.2 0.2 0.2
10 0.1 0.1 0.1 0.1
14 0.1 0.1 0.1 0.1
©0
Ф~Ф
Я 2 ^ 2
0
-2 -4 -6 -8
0 • > , 1 (
~2
сг
Н, см
4 5 6
Рис. 2. Формы каналов между волокнами сорбентов при их плотной упаковке (1—3) и при свободной упаковке (4—6)
варианты позволяют качественно оценить высоту впитывания нефтепродуктов в слой сорбента «ВиЬКОМЛББОКБ».
Результаты расчета эквивалентных диаметров каналов представлены в табл. 3.
Как следует из рис. 3, пространственные структуры в слое сорбента не имеющие сплошных стенок также подчиняются принципам капиллярного подъема жидкости. При этом непосредственный контакт жидкости с волокном сорбента определяется работой адгезии, а в объеме жидкости между волокнами — работой когезии. Так как эти два вида работы связи не равны между собой (работа адгезии обычно выше работы когезии), то впитывание нефтепродукта в хаотический слой волокнистого сорбента должно нести кинетический характер. При этом по мере пропитки слоя при попадании жидкости на пересечение волокон
Рис. 3. Влияние диаметра капилляра (Ьп на высоту подъема бензина Н. Кривая — опытная, точка 1 соответствует каналам 1, 2, 3, точка 2 — каналам 4, 5, 6
с низкой величиной эквивалентного диаметра (рис. 4) создаются условия для интенсивного подъема жидкости вверх. Попадая затем в зону свободной упаковки волокон, нефтепродукты испытывают меньшую подъемную силу и замедляют скорость подъема. При анализе задачи принято, что радиус кривизны поверхности жидкости в канале г пропорционален величине ¿э.
Предельная высота подъема нефтепродукта в слой сорбента будет определяться стохастической величиной усредненного эквивалентного диаметра потоков в слое, который является достаточно большой величиной. Если при диаметре капилляра 0.1 мм подъем нефтепродуктов составляет 1 — 1.4 см (табл. 2), то при всасывании изученных продуктов капилляром диаметром 0.001 мм расчетная высота подъема нефтепродукта составит
Таблица 3
Диаметры эквивалентных поровых каналов для различных форм каналов между волокнами сорбента «DULROMABSORB»
4
1
Форма канала К расчету эквивалентного диаметра канала мм
по рис. 1 Расчетная формула мм 1п аз
1 N И ц 0.0016 -6.4377
2 {43- ж] —и ж 0,0012 -6.7254
3 ¿У (М 3 2ж 0.0019 -6.2659
4 , 16Х-жХ ¿3 _ ж 0.0245 -3.7090
5 X _ 8^43 - жХ 3 ж 0.0204 -3.8922
6 X (1243-ж) ¿3 ж 0.0336 -3.3932
ного давления HDP по высоте канала Н: 1 — нефтепродукт; 2 — сорбент; 3 — канал
100—140 см, а при хаотической объемной 3. структуре волокнистого слоя с эквивалентным диаметром 0.02 мм высота подъема составляет 4 около 5—7 см, что хорошо согласуется с данными табл. 1. 5.
Таким образом, с позиций капиллярных явлений рассмотрена пропитка волокнистого сорбента «ОиЬКОМАВБОКВ» нефтепродуктами и определены эффективные диаметры ^ потоков при различной форме упаковки волокон в слое. Показано, что высота подъема нефтепродуктов коррелируется со свободной упаковкой волокон в слое.
7.
Литература
1. Айнштейн В. Г., Закоров М. К., Носов Г. А., Захаренко В. В., Зиновкина Т. В., Таран А. Л., Костанян А. Е. Общий курс процессов и аппаратов химической технологии, книга 1.— М.: 8. Логос; Высшая школа, 2002.— 872 с.
2. www.statva.com.ua. Капилляры и математика.-news703.html.-14/08/06.
Консейсао А. А.-да. Самойлов Н. А., Хлесткин Р. Н. // Баш. хим. ж.- 2006.- Том 13, № 4.- С. 76.
Конейсао А. А.-да. // Баш. хим. ж.- Том 12, № 4.- 2005.- С. 97.
Консейсао А. А.-да. Самойлов Н. А., Хлесткин Р. Н. // Труды II Международной научно-практической конференции «Экологические проблемы современности».- Пенза.- 2006.-С. 126.
Самойлов Н. А, Консейсао А. А.-да. // Труды III Всероссийской конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)».-Уфа.- 2006.- С. 148.
Консейсао А. А.-да. Самойлов Н. А., Хлесткин Р. Н., Кудряшова К. Л., Рахматуллин Т. Т. // Труды III Всероссийской конференции «Теория и практика массообменных процессов химической технологии (Марушкинские чтения)».-Уфа.- 2006.- С. 150.
Консейсао А. А.-да. Самойлов Н. А., Хлесткин Р. Н. // Труды IV Международной научно-практической конференции «Природноре-сурсный потенциал, экология и устойчивое развитие регионов России».- Пенза.- 2006.- С. 114.
