CC BY
103
УДК 665.622.43.0666
С. Е. Плохова, Э. Д. Саттарова, А. А. Елпидинский
О СОПОСТАВИМОСТИ ПОВЕРХНОСТНЫХ СВОЙСТВ ДЕЭМУЛЬГАТОРОВ И ИХ ДЕЭМУЛЬГИРУЮЩЕЙ АКТИВНОСТИ
Ключевые слова: нефть, эмульсия, деэмульгирование, реагент.
В работе исследованы поверхностные свойства промышленных реагентов-деэмульгаторов и ионогенных добавок тензиометрическим и сталагмометрическим методами. Отмечено, что поверхностная активность деэмульгаторов на границе раздела фаз нефть-вода является важным, но недостаточным показателем для адекватного прогнозирования эффективности реагентов в процессе обезвоживания нефти.
Keywords: oil, emulsion, demulsification, reagent.
In work are investigated superficial of properties industrial reagents-demulsifiers and ionic additives tensometric and stalagmometric methods. It is noted that the surface activity of the demulsifiers at the interface oil-water is an essential parameter, but it is not sufficient to make prediction about reagent efficiency during the oil dehydratation process.
Введение
В настоящее время основная масса нефти добывается с применением методов заводнения продуктивных пластов. Отсюда, по мере разработки пласта возрастает его обводненность и на поверхность Земли нефть поступает в виде водонефтяной эмульсии. Устойчивости эмульсии, в первую очередь, способствует наличие в нефти природных эмульгаторов, таких как асфальтены, смолы, соли нафтеновых кислот, парафины, которые создают на границе раздела фаз вода (дисперсная фаза) - нефть (дисперсионная среда) прочные адсорбционные слои [1-3]. Это приводит к тому, что без использования специальных методов обезвоживания нефтяная эмульсия практически не разрушается.
На сегодняшний день известно множество технологических приёмов и технических устройств, позволяющих с помощью определённых воздействий на эмульсию или их комбинаций вызвать её полное разрушение. При этом, самым эффективным считается термохимический метод, заключающий воздействие температуры и специальных деэмульга-торов [2]. Со временем по мере разработки нефтяного месторождения состав и свойства добываемых эмульсий меняются, поэтому возникает необходимость обновления ассортимента путем разработки новых более эффективных деэмульгаторов.
Деэмульгаторы должны обладать рядом свойств, способствующих процессу разрушения во-донефтяных эмульсий. Это, в первую очередь, высокая поверхностная активность реагентов и создаваемое ими низкое межфазное натяжение, которые способствуют быстрой адсорбции деэмульгаторов на межфазную границу, вытеснению природных эмульгаторов с границы раздела фаз и слипанию глобул дисперсной фазы. Поэтому возникает необходимость исследования поведения реагентов-деэмульгаторов или их композиций на границе раздела вода-нефть. Следует сразу сказать, что использование нефти в качестве неполярной фазы нецелесообразно, так как нефти с разных месторождений различны по составу, что препятствует объективной оценке поверхностно-активных свойств испытуемых веществ в этой системе. Поэтому такие иссле-
дования обычно проводят на системах, моделирующих нефтяную эмульсию, например: вода-бензол, вода-толуол или вода-октан.
Поверхностное и межфазное натяжение измеряют с помощью тензиометров и сталагмометров. Если исследуемая система находится в термодинамическом равновесии (параметры системы не изменяются во времени), то определяют статическое поверхностное/межфазное натяжение.
Экспериментальная часть
Определение поверхностно-активных
свойств ПАВ мы проводили на границе фаз толуол-вода и воздух- вода. Для сравнения были исследованы наиболее распространенные промышленные реа-генты-деэмульгаторы. Определение межфазного натяжения проводили методом отрыва кольца тен-зиометра в системе вода-ПАВ-толуол, и сталагмо-метрическим методом в системе вода-ПАВ-воздух.
Метод отрыва кольца на тензиометре
Это метод для определения поверхностного/межфазного натяжения, который основан на измерении максимального усилия (Б) для отрыва кольца с известной геометрией (длиной смачивания, Ь), сделанного из хорошо смачиваемого материала (угол смачивания = 0), как показано на рис.1. При подъёме кольца жидкость стремится стечь с него, что приводит к постепенному утончению плёнки жидкости и отрыву кольца.
Рис. 1 - Отрыв кольца на тензиометре
Метод счета или взвешивания капель (сталагмометрический)
Сталагмометрический метод определения поверхностного натяжения жидкости прибором, называемым сталагмометром, основан на установлении массы капли жидкости, медленно образующейся и отрывающейся с конца капилляра, как показано на рис. 2.
Рис. 2 - Отрыв капли на сталагмометре
Практически удобнее определять не массу капли, а ее объем или число капель в резервуаре с известным объемом. Число капель подсчитывают при вытекании жидкости через капилляр. Применяют сравнительный метод для определения поверхностного натяжения жидкости. Он заключается в том, что подсчитывают число капель п0 эталонной жидкости, поверхностное натяжение о0 которой известно, и число капель пх испытуемой жидкости с поверхностным натяжением ох. Поверхностное натяжение испытуемой жидкости вычисляют по уравнению (1):
^ поРх „ 7275п0рX
—0о- или ОХ = /2,/5-, (1)
ПхРо пх Р о
где р0 и рх - плотность эталонной жидкости и испытуемой жидкости соответственно; 72,75 - поверхностное натяжение воды при 20 °С, дин/см [4].
Результаты исследования поверхностных свойств реагентов представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Сводная таблица результатов измерения поверхностного натяжения тензиометри-ческим и сталагмометрическим методами
Название испытуемого реагента Поверхностное натяжение водного раствора реагента ( мН/м ) при концентрации реагента в воде, % мас
0,002 0,005 0,01 0,02 0,03
на границе фаз вода-воздух, мН/м
Лапрол 6003 - - 74,9 65,3 52,7
Лапрол 4202 - - 48,3 45 42
Реапон-4В 67,5 65,3 55,7 45,3 44,3
Д-157 53 52,9 52,9 52,6 52,2
а - олефин-сульфонат - 75 70,5 60,5 52,3
Алкил-сульфат натрия - 76 71,7 61,7 53,5
ДФ-1 - 73,2 71,4 63,4 50,8
Ф-3761 - 79,7 69,3 59,5 48,5
на границе фаз вода-толуол, мН/м
Лапрол 6003 17,03 16,2 15,5 15,4 14,6
Лапрол 4202 14,1 13,3 12,3 11,3 10,6
Реапон-4В 12,2 10,5 8,3 5,85 2
Д-157 12,8 11,7 11,2 10,6 10,2
а - олефин-сульфонат 21,8 19,06 16,2 13,7 9,8
Алкил-сульфат натрия 19,9 17,4 13,2 9,6 7,7
ДФ-1 - 18,3 15,3 8,03 4,2
Ф-3761 - 2,5 1,6 1,5 1
Классически считается, что большей де-эмульгирующей активности реагентов соответствует большая их поверхностная активность на границе раздела различных фаз, например, воздуха - воды и толуола - воды. Однако, опыт показывает, что подобная прямая взаимосвязь прослеживается весьма нерегулярно [5].
На рисунке 3 показано снижение поверхностного натяжения реагентами в системе вода-толуол и вода-воздух относительно чистых фаз.
■ гол у ол-вода ■ вода-воздух
Рис. 3 - Сводные данные поверхностного натяжения реагентов - деэмульгаторов тензиометриче-ским и сталагмометрическим методами в % соотношении
В таблице 2 приведены результаты обезвоживания разных нефтей испытуемыми реагентами.
Из таблицы 2 видно, что лучшая динамика и глубина обезвоживания нефти №1 характерна для Лапрола 4202 и Реапона-4В, что соотносится с данными по поверхностной активности в системе вода-воздух (но не подтверждается на примере Ф-3761). Однако на границе вода-толуол поверхностное натяжение у Реапона-4В существенно ниже, чем у Ла-прола 4202. Это, в свою очередь, находит отклик в
результатах обезвоживания нефти №2, где Реапон-4В, единственный из реагентов, отделил некоторое количество воды.
Таблица 2 - Оценка эффективности реагентов по глубине обезвоживания
Название реагента Нефть №1 Нефть №2
22 °С 45°С 22 °С 70 °С
Лапрол 6003 12 84 0 0
Лапрол 4202 51 84 0 0
Реапон-4В 54 78 0 36
Д-157 0 84,5 0 следы
и-олефинсульфонат 0 90 0 0
Aлкилсульфатнатрия 0 0 0 следы
ДФ-1 6 93 0 0
Ф-3761 48 96 0 следы
В целом можно видеть, что результаты по снижению поверхностного натяжения в системе вода-воздух соотносимы лишь с глубиной обезвоживания при холодном отстое (220С), но не отражают ситуацию по обезвоживанию при повышенных температурах.
Неоднозначна ситуация и в интерпретации результатов на системе толуол-вода. Наибольшее снижение поверхностного натяжения наблюдается у Реапона-4В и Ф-3761 и, действительно, на той или иной нефти можно отметить их преимущества, особенно в случае Реапона-4В на нефти №2. Но в случае остальных реагентов не представляется возмож-
ным выразить какие-либо пропорциональные взаимосвязи между натяжением и деэмульгирующей активностью.
По-видимому, поверхностные свойства де-эмульгаторов, как прогнозирующий фактор, могут быть использованы в математическом аппарате только в тесной взаимосвязи с другими свойствами ПAB и используемых нефтей. И, безусловно, не следует отказываться от измерения поверхностного натяжения в системе вода-воздух в пользу системы вода-толуол, так как даже в рамках приведенных результатов, каждая система способна дать некоторые намеки на механизмы происходящих процессов при обезвоживании нефти реагентами-деэмульгаторами.
Литература
1. Морданенко Б.П., Беньковский В.Г. О методике выделения и исследования природных эмульгаторов воды и нефти // Химия и технология тонлив и масел. 1965. № 7. С. 41-45
2. Познышев Г.В. Стабилизация и разрушение нефтяных эмульсий. М.: Недра. 1982. 221 с.
3. Gamal M. E., Mohamed A.-M.O., Zekri A.Y. Effect of asphaltene, carbonate, and clay mineral contents on water cut determination in water - oil emulsions // J. Petrol. Sci. Eng. 2005. P. 109-224.
4. Плохова С.Е., Саттарова Э.Д., Елнидинский A.A. Изучение влияния анионных и катионных ПЛВ на деэмуль-гирующую эффективность неионогенных ПЛВ [Текст]/ С.Е. Плохова, Э.Д. Саттарова, A.A. Елнидинский // Вестник Казанского технологического университета.-2012.- № 16.- С. 39-40
5. Плохова С.Е., Саттарова Э.Д., Елнидинский A.A. Изучение поверхностных свойств композиционных реагентов [Текст]/ С.Е. Плохова, Э.Д. Саттарова, A.A. Елни-динский // Вестник Казанского технологического университета.- 2013.- № 2.- С. 167-169
© С. Е. Плохова - магистрант каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ, [email protected]; Э. Д. Саттарова - аспирант каф. химической технологии переработки нефти и газа КНИТУ [email protected]; А. А. Елпидинский -канд. техн. наук, доцент той же кафедры, [email protected].
