Понятие о топливно-дисперсных системах и элементах структуры дисперсной фазы – дисперсной частице и сложной структурной единице

Размещено на http://www.allbest.ru/

Понятие о топливно-дисперсных системах и элементах структуры дисперсной фазы - дисперсной частице и сложной структурной единице

Дисперсными называют системы, состоящие из некоторого вещества определенного состава, называемого дисперсионной средой, в котором в виде отдельных образований, агрегатов молекул, распространены частицы другого вещества - дисперсной фазы, находящиеся в системе в хаотическом движении или связанные определенным образом в пространственный каркас и физически взаимодействующие с дисперсионной средой.

В отличие от истинных растворов, являющихся гомогенными, то есть не имеющими поверхности раздела фаз между составляющими их компонентами, дисперсные системы гетерогенны, многофазны, в простейшем случае двухфазны. Фазой в этом случае называется совокупность однородных элементов системы, одинаковых по составу и свойствам и ограниченных от других элементов системы физическими поверхностями раздела. Необходимым условием для образования таких поверхностей и, следовательно, дисперсных систем, является нерастворимость или малая взаимная растворимость веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Свойства дисперсных систем в первую очередь зависят от степени раздробленности частиц дисперсной фазы. Учитывая, что дисперсные частицы в большинстве случаев не имеют правильной формы, при оценке дисперсности системы пользуются значением эквивалентного диаметра условной сферической частицы. Величина, обратная условному диаметру, называется дисперсностью. Чем меньше размеры частиц дисперсной фазы, тем больше дисперсность, и наоборот.

Наиболее распространенной является классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Учитывая три возможных агрегатных состояния последних, возможные типы дисперсных систем, можно представить в следующем виде (табл. 3).

Дисперсные системы принято разделять на свободнодисперсные и связнодисперсные.

Свободнодисперсные системы проявляют свойства жидкостей: обладают текучестью, не оказывают сопротивления сдвиговому усилию. К такому типу систем относятся аэрозоли, эмульсии и разбавленные суспензии.

Таблица 3. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

В определенных условиях, в результате действия межмолекулярных сил, физических, слабых взаимодействий, коллоидные частицы способны связываться с образованием пространственных структур. Такие структурированные связанно-дисперсные системы получили название гелей. Переход золя в гель зависит от ряда факторов.

Дисперсная система считается обратимой, если сухой остаток, полученный после выпаривания дисперсионной среды, самопроизвольно в ней растворяется при повторном контакте, образуя коллоидную систему. Дисперсная система является необратимой, если сухой остаток не способен самопроизвольно диспергироваться при контакте с чистой дисперсионной средой.

Объединение атомов, ионов и ли молекул приводит к образованию надмолекулярных образований. При этом возможно возникновение и начальное развитие новой фазы за счет внутренней энергии и внешних условий. Эти гетерофазные образования способны к дальнейшему росту и развитию. Их называют зародышем или надмолекулярной структурой. Атомы и молекулы, находящиеся в объеме надмолекулярной структуры обладают нескомпенсированной избыточной поверхностной энергией и формируют вокруг себя сольватные оболочки. Вместе с сольватной оболочкой зародыш образует сложную структурную единицу (ССЕ), которая при изменении внешних условий может разрушаться или расти. ССЕ является элементарной составляющей нефтяной дисперсной системы.

В составе ССЕ различают более упорядоченную внутреннюю область - ядро и сольватную оболочку, окружающую ядро и образованную из менее склонных к межмолекулярным взаимодействиям.

Нефтяные системы характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением, свойствами и размерами частиц структурных образований, уровнем межмолекулярного взаимодействия в системе и имеют много различий с типичными коллоидными системами. Несмотря на это многие нефтяные и коллоидные системы объединяет одно общее свойство, заключающееся в том, что для них характерны высокоразвитые поверхности раздела фаз и все связанные с этим особенности их поведения в различных условиях существования.

В практике нефтепереработки нефтяные дисперсные системы наиболее часто имеют дисперсную фазу в твердом, жидком и газообразном состоянии и жидкой дисперсной средой. Как дисперсную систему - жидкостную эмульсию - следует рассматривать в предкритической области нефтяное сырье, подвергаемое очистке селективными растворителями. При критической температуре происходит нарушение агрегатной устойчивости системы и разделение ее на рафинатный и экстрактный растворы. Нефтяные масла рассматриваются в виде дисперсных систем. Установлено, что в зависимости от способа получения и соответственно вязкости масел, дистиллятных, остаточных, компаундированных в них образуются структурные элементы различного строения. Показано, что бензольное кольцо является специфическим центром межмолекулярных взаимодействий, за счет чего ароматические углеводороды в растворах образуют ассоциаты, состав и устойчивость которых зависит от химического строения взаимодействующих молекул. В маслах и топливах обнаружены явления самоассоциации ароматических углеводородов и ассоциации их с присадками. нефтяная дисперсная агрегатное прочность

Структурные единицы имеют сложное строение, обусловленное природой и геометрической формой макромолекул ВМС, поверхностными силами между ними, взаимодействием дисперсной фазы с дисперсионной средой и другими факторами. Нефтяные фракции, состоящие из смеси полярных и неполярных соединений, взаимодействуют с надмолекулярными структурами, в результате чего вокруг надмолекулярной структуры (ассоциата или комплекса) формируются сольватные оболочки различной толщины. Такая дисперсная частица сложного строения (надмолекулярная структура + сольватный слой) способна к самостоятельному существованию и получила название сложной структурной единицы (ССЕ).

ССЕ, формируемую на промежуточной стадии перехода ассоциата в кристаллит, назвали промежуточной структурной единицей (мезофазой), которая состоит из нескольких ориентированных определенным образом полициклических ароматических углеводородов и имеет сферическую форму. Мезофаза может растворяться в некоторых растворителях, что свидетельствует о преимущественной физической связи между отдельными слоями (надмолекулярной структурой и сольватной оболочкой) и внутри CCЕ.

Характерной особенностью ССЕ является разница поверхностных энергий между надмолекулярной структурой и сольватным слоем и между сольватным слоем и дисперсионной средой. В отличие от дисперсионной среды ССЕ сохраняет приданную форму и имеет предельное напряжение сдвига. ССЕ может взаимодействовать с дисперсионной средой. В этом случае возможны два варианта. Первый, когда поверхностное натяжение дисперсионной среды меньше, чем у сольватных слоев ССЕ. В результате взаимодействия части сложной структурной единицы с дисперсионной средой формируется активная ССЕ с некомпенсированной поверхностной энергией. Это приводит к слиянию двух или нескольких активированных ССЕ друг с другом, сопровождающимся ростом размеров надмолекулярной структуры.

Второй вариант - поверхностное натяжение дисперсионной среды значительно больше, чем у сольватного слоя ССЕ. Такое соотношение приводит к вытеснению из сольватного слоя ССЕ углеводородов, обладающих малыми значениями поверхностного натяжения. При высоких значениях разницы поверхностных натяжений может не только уменьшаться толщина сольватного слоя и изменяться углеводородный состав в нем, но и разрушаться надмолекулярная структура, вплоть до полного ее исчезновения.

Из вновь формируемых сложных структурных единиц могут образоваться золи (свободнодисперсные системы) и гели (связнодисперсные системы). В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и могут перемещаться в пространстве под действием внешних сил (силы тяжести или броуновского движения). Дисперсная фаза связнодисперсных систем образует сплошной каркас (пространственную структуру), внутри которого содержится дисперсионная среда.

Нефтяные дисперсные системы характеризуются структурно-механической прочностью, способностью сопротивляться действию внешних сил. Чем больше силы взаимодействия макромолекул ВМС в ассоциате и между ассоциатами в системе, тем выше структурно-механическая прочность НДС.

Структурно-механическая прочность нефтяных дисперсных систем определяется главным образом толщиной сольватной оболочки, образующейся вокруг твердой фазы (надмолекулярной структуры). Чем меньше толщина сольватной оболочки, тем выше структурно-механическая прочность нефтяной дисперсной системы.

С другой стороны структурно-механическая прочность НДС тем выше, чем больше в системе сложных структурных единиц разных типов (асфальтенов, смол, парафинов, полициклических углеводородов). В то же время одинаковая концентрация разных типов сложных структурных единиц в НДС вызывает разную структурно-механическую прочность системы.

По величине структурно-механической прочности структурные единицы НДС располагаются в ряд: гель > золь > ССЕ.

НДС могут быть обратимыми и необратимыми. Если дисперсная фаза способна обратимо взаимодействовать с дисперсионной средой, то такие дисперсные системы являются обратимыми. К подобным системам относится основная масса НДС, в которых дисперсная фаза может самопроизвольно растворяться в дисперсионной среде вплоть до образования молекулярных растворов.

Наивысшая концентрация ВМС в системе, при которой она еще сохраняет состояние молекулярных растворов, называется пределом насыщения, а температура, при которой достигается насыщение, называется критической температурой.

Дисперсная фаза необратимых НДС (например, карбоиды, частицы сажи и др.) не может растворяться в дисперсионной среде; поэтому такие НДС относят к типичным коллоидным (необратимым) системам. Необратимые НДС более неустойчивы и в результате взаимодействия частиц системы друг с другом расслаиваются. При изменении внешних условий (например, температуры) обратимые системы могут также стать неустойчивыми.

При переработке нефти, а в дальнейшем при использовании нефтепродуктов в нефтяных системах под действием различных факторов могут происходить процессы формирования и деформирования ССЕ, влияющие на вязкость и текучесть системы. Нефть и нефтепродукты, вязкость которых зависит от скорости сдвига, принято называть аномально вязкими нефтями и нефтепродуктами, а само явление - аномалией вязкости. Большая часть нефтяных остатков в условиях хранения и переработки обладает аномалией вязкости. Дисперсная фаза аномально вязких нефтей и нефтепродуктов обычно содержит парафины и асфальтены, а дисперсионная среда - сложную смесь различных растворителей (парафино-иафтеновые, ароматические углеводороды). Полициклические ароматические углеводороды и смолы в зависимости от степени взаимодействия дисперсной фазы с дисперсионной средой могут входить в состав той или другой фазы.

Аномалию свойств нефтепродуктов можно наблюдать при низких температурах (в присутствии парафиновых, асфальтеновых и других ассоциатов) и при высоких температурах, что обусловлено наличием в системе ССЕ, которые могут существовать при этих условиях (ассоциаты асфальтенов, смол, полициклических ароматических углеводородов).

Размещено на Allbest.ru