Методы разрушения нефтяных эмульсий

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

Методы разрушения нефтяных эмульсий

При подготовке нефтей к переработке разрушение эмульсий производится дважды: сначала деэмульгированию подвергают исходную эмульсионную нефть (процесс обезвоживания); затем -- искусственную эмульсию, создаваемую при перемешивании нефти с промывной пресной водой (процесс обессоливания). Задачей процесса обезвоживания является разрушение эмульсии, образовавшейся на промыслах при добыче нефти, с целью отделения от нефти соленой пластовой воды, содержащейся в ней в диспергированном состоянии. Вследствие того, что минеральные соли не растворимы в нефти, они растворимы в диспергированной воде. Количество растворенных в пластовой воде солей (в основном хлориды и сульфаты натрия, калия, кальция, магния) может быть различным, зависит от месторождения и может достигать 5-7 тысяч миллиграмм/литр нефти, содержащей воду, или 200-300 грамм на литр воды. Поэтому даже при глубоком обезвоживании нефти до содержания, например, 0,1% остаточной воды для большинства нефтей содержание хлористых солей составляет около 100-300 миллиграмм на литр, что совершенно недопустимо для товарной нефти, поставляемой на НПЗ.

Для удаления оставшихся солей применяют процесс обессолива-ния, то есть промывают нефть пресной водой, создавая искусственную эмульсию с последующим отделением воды с растворенными в ней солями. Эмульсии нефти с пресной водой при обессоливании иногда бывают более устойчивы, чем с пластовой. Это частично объясняется тем, что пресная вода имеет меньшую плотность, чем пластовая, поэтому она отстаивается значительно медленнее при прочих равных условиях. Кроме того, при обезвоживании из нефти удаляются более крупные капельки воды по сравнению с оставшимися в нефти. Чтобы удалить из нефти оставшиеся мелкие капельки пластовой воды, содержащие большое количество солей, в нефть вводится от 5 до 20% пресной промывочной воды. При перемешивании нефти с пресной водой образуется эмульсия, которая на следующей ступени обрабатывается одним из методов обезвоживания. Вода, выделяющаяся при деэмульсации этой искусственной эмульсии, выносит с собой соли, а общее количество оставшихся в нефти солей доходит до < 30 мг/л и ниже.

Таким образом, процесс подготовки нефти на промыслах упрощенно можно представить в виде следующей общей схемы:

со скважин - сепарация - обезвоживание - обессоливание - на - > НПЗ

Процесс разрушения нефтяных эмульсий можно разбить на 3 элементарные стадии:

Столкновение взвешенных водяных капелек.

Слияние их в более крупные.

Осаждение укрупнившихся капель.

Чтобы обеспечить возможно большее число столкновений водяных капелек, увеличивают скорость их движения в нефти различными способами: перемешиванием в специальных смесителях, при помощи ультразвука, электрического поля, подогрева и т. п. Как показывает опыт, не каждое столкновение приводит к слиянию столкнувшихся капель, то есть не каждое столкновение оказывается эффективным. В нефтяных эмульсиях это усугубляется наличием на поверхности водяной капельки прочной адсорбционной оболочки эмульгатора. Поэтому для того чтобы столкновение водяных капелек было эффективным, необходимо, по крайней мере: - увеличить скорость движения капелек настолько, чтобы энергия столкновения была достаточной для разрушения прочной адсорбционной оболочки, или - ослабить структурно-механическую прочность адсорбционной пленки, или - совместное воздействие на эмульсию этих двух факторов. Для осаждения укрупнившихся водяных капелек также необходимы определенные условия. Из уравнения

деэмульгатор кислота нефтяной эмульсия

U = 2/9 r2(?1 - ?0)g

следует, что скорость движения выпадающих частиц пропорциональна квадрату их радиуса, разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, ускорению свободного падения и обратно пропорциональна вязкости дисперсионной среды. Следовательно, ускорить расслоение фаз эмульсии можно, увеличив размер водяных капелек, разность плотностей воды и нефти и уменьшив вязкость нефти или применив искусственно созданные вторичные ускорения.

Вопрос об увеличении разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, а также уменьшения вязкости дисперсионной среды обычно разрешается путем увеличения температуры. При увеличении температуры до 80-100°С разность плотностей увеличивается примерно на 10-20%. Вязкость большинства нефтей очень резко снижение вязкости незначительно. Повышение температуры, кроме того, уменьшает прочность адсорбционных слоев на границе раздела фаз.

Все существующие способы по типу энергии, прилагаемой для разрушения нефтяных эмульсий, можно разделить на следующие группы:

1. Механические -- фильтрация, центрифугирование, обработка ультразвуком.

2. Термические -- подогрев и отстаивание при атмосферном давлении и под избыточным давлением, промывка горячей водой.

3. Физико-химическue -- обработка эмульсии различными (чаще всего поверхностно- активными) реагентами-деэмульгаторами.

4. Электрические -- обработка эмульсии в постоянном или переменном электрическом поле.

Ввиду того, что эффективность деэмульсации определяется множеством факторов, на практике ни один из перечисленных способов в чистом виде не применяется. В промышленности нашли применение сочетания различных способов, или комбинированные методы разрушения нефтяных эмульсий. Однако при создании или анализе работы таких комбинированных установок необходимо учитывать как достоинства, так и недостатки каждого из способов, слагающих данную комбинацию.

Механические способы разрушения эмульсий.

Все механические способы разрушения нефтяных эмульсий имеют очень ограниченное применение (фильтрация, центрифугирование), а некоторые (например, обработка ультразвуком) применяются только в лабораторных условиях. Поэтому кратко рассмотрим только два первых способа.

А. Фильтрация

Этот способ разделения фаз эмульсий основан на явлении селективного смачивания фазами фильтрующего вещества. В качестве фильтрующих веществ используются такие материалы, как гравий, битое стекло, древесные и металлические стружки, солома, стекловата и другие. Разрушение нефтяных эмульсий фильтрацией в принципе может быть осуществлено двумя путями.

Собственно фильтрация -- в качестве фильтра выбирается гидрофобный или гидрофобизированный материал, то есть материал, не смачиваемый дисперсной фазой (водой). В этом случае капельки воды удерживаются фильтром, а дисперсионная среда (нефть, углеводород) свободно проходит через него.

Псевдофильтрация -- в качестве фильтра выбирается гидрофильный материал. В этом случае дисперсная фаза (водяные капельки) в силу хорошей смачиваемости входит в капиллярные каналы фильтра и растекается по их поверхности. Фильтр при этом набухает. Дисперсионная среда (нефть), прокачиваемая через фильтр, не удерживается им. В нефтяной промышленности находит ограниченное применение второй способ фильтрации. Для осуществления фильтрации в зависимости от фильтрующих материалов используют насыпные и набивные фильтры. Насыпные фильтры состоят из слоев мелкозернистых материалов (гравий, битое стекло и т. д.). Набивные фильтры состоят из нескольких слоев волокнистых материалов (стеклоткань, стекловата, солома и т. д.). Принципиальная схема фильтрующей установки представляется следующим образом. Подогретая до 70-90°С эмульсия, прокачивается через фильтрационные колонны снизу вверх. При прохождении эмульсии через фильтры капельки воды, хорошо смачивающей фильтрующее вещество, задерживаются на фильтре, укрупняются и по капиллярным каналам стекают в нижнюю часть колонны. Нефть с верха колонны подается либо в следующую фильтрующую колонну (если это требуется по условиям деэмульсации), либо через группу сырьевых теплообменников отводится в емкость.

Деэмульсация фильтрацией широкого промышленного применения не получила и применяется крайне редко вследствие громоздкости, малой производительности и необходимости часто заменять фильтры.

Б. Центрифугирование

Способ деэмульсации центрифугированием основан на использовании эффекта различия плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды в сочетании с искусственно создаваемым центробежным полем. Поле создается в аппарате (центрифуге), где за счет больших скоростей вращения величина центробежного ускорения может

быть во много раз больше ускорения свободного падения. При этом если плотность вещества дисперсной фазы больше плотности дисперсионной среды (что чаще всего имеет место в случае нефтяных эмульсий), то частицы дисперсной фазы будут отбрасываться к периферии центрифуги. Здесь водяные капельки дисперсной фазы эмульсии концентрируются, укрупняются и стекают вниз вдоль стенок центрифуги.

Обезвоженная нефть и вода из центрифуги отводятся по самостоятельным трубам. Водяная капелька дисперсной фазы, двигаясь в дисперсионной среде, испытывает не только действие центробежных сил (F1), но и сил трения вязкой углеводородной среды (F2).

Последняя препятствует перемещению капельки, тормозя её движение. Следовательно, при установившемся режиме движения, согласно третьему закону Ньютона, должно соблюдаться равенство:

F1 = F2

4/3 ?r3(?1 - ?0)a = 6??rU

где а -- центробежное ускорение, м/сек2

Центробежное ускорение может быть выражено через линейную скорость движения :

a = V2/R

где R -- расстояние от центра вращения, м.

Линейная скорость движения в свою очередь может быть выражена через число оборотов центрифуги в единицу времени:

V = ?Dn

где D -- диаметр центрифуги, м,

n -- число оборотов в единицу времени. Подставляя уравнение в, получим:

a = (?Dn)2 /R = 4?2Rn2=kn2

Здесь была сделана замена D = 2R. Коэффициент k = 4?2/R является для данной центрифуги величиной постоянной.

Подставляя уравнение (8) в (5) и выражая из полученного уравнения скорость осаждения капельки U в радиальном направлении от центра вращения к стенке центрифуги, получим:

U = 2/9 r2(?1 - ?0)kn2/?

Из сопоставления полученного уравнения с уравнением, выведенным для скорости осаждения капелек в гравитационном поле (3), видно, что скорость разделения фаз при центрифугировании может быть во много раз больше, так как в данном случае силы гравитационного поля заменяются в десятки тысяч раз большими центробежными силами.

Центрифугирование как способ разрушения нефтяных эмульсий получил весьма ограниченное применение ввиду большой стоимости, низкой производительности сложного аппарата центрифуги, требующего высококвалифицированного обслуживания.

Термические способы разрушения эмульсий.

Термическая обработка нефтяных эмульсий (подогрев, промывка горячей водой при атмосферном или под избыточным давлением) имеет целью увеличение скорости отстоя взвешенных в нефти водяных капелек.

Повышение температуры эмульсии способствует увеличению скорости броуновского движения капелек дисперсной фазы, а следовательно, увеличивает вероятность взаимных столкновений капелек и их укрупнение.

Кроме того, как уже указывалось, повышение температуры благотворно сказывается на вязкости нефти и разности плотностей дисперсной фазы и дисперсионной среды, значительно уменьшая первую и несколько увеличивая последнюю.

И, наконец, повышение температуры эмульсии способствует ослаблению прочности адсорбционных оболочек эмульгаторов на поверхности капелек, а также увеличению растворимости и пептизации в нефти вещества адсорбционных оболочек, что способствует увеличению эффективности столкновений водяных капелек.

К недостаткам термических способов разрушения эмульсий следует отнести следующее. Повышение температуры увеличивает давление насыщенных паров особенно легких фракций нефти. Поэтому для исключения возможных потерь нефтепродуктов отстой ведут под давлением, что в свою очередь ведет к удорожанию конструкции в связи с большей металлоемкостью. Кроме того, к недостаткам термических методов относятся потери значительного количества тепла с дренируемой водой.

Самым существенным недостатком термических способов разрушения эмульсий является то, что не все эмульсии могут быть разрушены этими способами. Прежде всего это относится к эмульсиям нефтей восточных районов нашей страны, дисперсная водяная фаза которых имеет на своей поверхности очень прочную адсорбционную оболочку эмульгаторов.

Физико-химические способы разрушения эмульсий.

Эффективность этих методов разрушения эмульсий связана с тем, что различные реагенты, вводимые в нефтяную эмульсию, способствуют уменьшению механической прочности адсорбционных оболочек эмульгаторов на поверхности раздела фаз. Это приводит к увеличению числа эффективных столкновений водяных капелек, то есть столкновений, приводящих к их слиянию.

Реагенты, применяемые для целей деэмульсации, -- деэмульгаторы представляют собой поверхностно-активные вещества различного строения.

Представление об ориентации молекул поверхностно-активных веществ на границе раздела фаз было выдвинуто Ленгмюром и в настоящее время общепризнано.

Согласно этому представлению, полярная часть молекулы поверхностно-активного вещества (ПАВ), обладающая гидрофильными свойствами, погружена в воду, а неполярная гидрофобная -- в нефть. О механизме действия деэмульгаторов существует несколько представлений.

Наиболее приемлемым и подтверждающимся на практике является следующий: деэмульгаторы, обладая большей поверхностной активностью, чем эмульгаторы, вытесняют последние из поверхностного слоя водяных капелек. Адсорбируясь на поверхности раздела фаз и частично растворяясь в эмульгаторе, деэмульгатор способствует диспергированию, пептизации и коллоидному растворению механически прочного гелеобразного слоя эмульгатора.

Вытеснив с поверхностного слоя водяных капелек природные эмульгирующие вещества, деэмульгатор образует новый адсорбционный слой, не обладающий структурно-механической прочностью. Следовательно, столкновение таких капелек, как правило, приводит к их слиянию (коалесценции), то есть к укрупнению и последующему осаждению.

Кроме того, если вводимое поверхностно-активное вещество лучше растворимо в воде, чем в масле, то при определенной его концентрации совокупность двух поверхностно-активных веществ (прежнего эмульгатора, обладающего гидрофобными свойствами, и нового гидрофильного) приводит к тому, что устойчивая эмульсия в их присутствии существовать не может. Такую концентрацию вводимого гидрофильного поверхностно-активного вещества можно считать критической. Если концентрация введенного ПАВ будет выше критической, то возможно образование эмульсии типа М/В, то есть эмульсии с обращенными фазами.

Все поверхностно-активные вещества по их отношению к воде разделяют на три основные группы:

- анионоактивные вещества (например, карбоновые кислоты и их соли, алкилсульфаты, алкилсульфонаты и алкиларилсульфонаты), в водных растворах диссоциируют на отрицательно заряженные ионы (анионы), в состав которых входят гетероатомы и углеводородная часть молекулы ПАВ, и на положительно заряженные ионы металла или водорода;

- катионактивные вещества (например, хлористые соли первичных, вторичных и третичных аминов, причем радикал в аминогруппе может быть как алкильным, так и арильным), в водных растворах распадаются на положительно заряженный радикал ПАВ и отрицательно заряженный ион кислоты (ион хлора);

- неионогенные вещества (например, продукты оксиэтилирования органических кислот, сложных эфиров, фенолов, спиртов, аминов или блоксополимеры окисей этилена и пропилена с продуктами оксиэтилирования), в водных растворах на ионы не распадаются.

Неионогенные ПАВ являются наиболее эффективными реагентами для деэмульсации нефтей. Кроме того, производство этих веществ оказалось экономически более выгодным, технологический процесс их получения более прост по сравнению с ПАВ других групп.

Продуктами оксиэтилирования, применяемыми в качестве деэмульгаторов, являются вещества, получаемые: на основе жирных кислот (оксиэтилированные жирные кислоты, ОЖК) путем взаимодействия окиси этилена с фракциями жирных кислот (например, С7 -С9, С10 -С16 и т. д.) в присутствии катализатора; на основе сложных эфиров путем неполной этерификации многоатомных спиртов органическими кислотами с последующим присоединением к оставшимся свободным гидроксильным группам окиси этилена; на основе алкилфенолов путем оксиэтилирования моно- и диалкилфенолов: наиболее широко известен деэмульгатор ОП-10, представляющий собой следующее соединение:

R-C6H4-(CH2CH20)nH и (R)2-C6H3-0-(CH2CH20)nH;

на основе высших жирных спиртов путем их непосредственного оксиэтилирования (сначала фракция жирных парафиновых углеводородов, например С15- С18, окисляется до спиртов, а затем производится оксиэтилирование); на основе аминов и амидов путем оксиэтилирования соответствующих веществ, например:

(СH2СН2O)nН

C17H35COOCH2CH2N <

(CH2CH20)nH

Или

(CH2CH20)nH

C17H35CON <

(CH2CH20)nH

Блоксополимерами называют высокомолекулярные вещества, молекулы которых состоят из двух и более частей (блоков) -- гидрофобных и гидрофильных. Если исходными веществами являются одноатомные спирты, фенолы или кислоты, то в результате взаимодействия с окисью этилена получают блоксополимер, состоящий из двух блоков. При взаимодействии окиси этилена с двухатомными спиртами, фенолами, кислотами получают блоксополимер, состоящий из трех блоков

Блоксополимеры могут иметь самое различное расположение блоков в зависимости от предъявляемых требований (величина молекулярной массы, гидрофильность или гидрофобность и т. д.).

Быстрый рост производства неионогенных ПАВ, нашедших широкое применение во многих отраслях промышленности (например, в текстильной) объясняется еще и тем, что из одного и того же сырья на одной и той же установке можно получать несколько поверхностно-активных веществ с различными свойствами.

В нашей стране для целей деэмульсации применяется несколько ПАВ. Еще лет 10-15 назад самым распространенным из них был НЧК(нейтрализованный черный контакт). Деэмульгатор НЧК является анионактивным и представляет собой техническую смесь продуктов сульфирования нафтеновых кислот, смолистых веществ и др. В 40-х годах НЧК получали как побочный продукт при производстве сульфонафтеновых кислот, а также при очистке нефтяных дестиллятов серной кислотой. В настоящее время НЧК в основном получают сульфоокислением нефтяных дестиллатов. Полученный кислый гудрон промывается водой от остатков непрореагировавшей кислоты и нейтрализуется щелочью или аммиаком. Средний расход НЧК при подготовке нефти на промыслах составляет 4-5 кг/т, а при обессоливании на нефтеперерабатывающих заводах -- 0,5-3 кг/т. Но часто даже притаких больших расходах НЧК не удается достигнуть необходимого качества нефти.

В настоящее время при подготовке нефтей к переработке широкое применение находят неионогенные поверхностно-активные вещества как отечественные (ОЖК, ОП-7, ОП-10 и др.), так и зарубежные (дисольваны 4400, 4411, 4422, 4433; бескол, сепаролы) -- соединения блоксополимеров окисей этилена и пропилена, высокомолекулярные полиалкиленгликоли.

Расход этих деэмульгаторов составляе 30-50 г/т нефти. Из дисольванов наиболее эффективны 4400 и 4411. C применением эффективных неионогенных деэмульгаторов вместо НЧК значительно снижаются их расходы при повышении качества обезвоживания и обессоливания нефти.

Электрические способы разрушения эмульсий.

Электрические способы разрушения нефтяных эмульсий являются эффективными и широко распространенными в промысловой и особенно заводской практике.

Сущность процесса электрообезвоживания заключается в том, что под влиянием внешнего электрического поля, образующегося между электродами, через которое прокачивается нефтяная эмульсия, между водяными капельками вследствие их поляризации образуются дополнительные (локальные) электрические поля и возникают электрические силы, способные преодолеть сопротивление дисперсионной среды и стабилизирующих слоев на капельках воды. В результате действия основного (внешнего) и дополнительного (между каждой парой капелек) электрических полей увеличивается число эффективных столкновений водяных капелек друг с другом, что способствует их коалесценции и образованию более крупных капель, которые затем отделяются от нефти под действием силы тяжести.

Разрушение эмульсий в переменном электрическом поле.

Рассмотрим поведение взвешенных в нефти водяных капелек, образующие эмульсию и находящихся в переменном электрическом поле. Если безводную нефть поместить между двумя плоскими электродами, находящимися под высоким напряжением, то возникает однородное электрическое поле, силовые линии которого параллельны друг другу (рис. 9, а). Если же в нефти присутствуют водяные капельки (эмульсия), то однородность поля нарушается (рис. 9, б). При этом на поверхности водяной капельки под действием внешнего электрического поля индуцируются два равных по величине и противоположных по знаку электрических заряда (капелька поляризуется), в основном за счет разделения противоположно заряженных ионов. Индуцированные заряды располагаются на поверхности капельки таким образом, что положительные заряды находятся на той стороне капельки, которая обращена к отрицательному электроду, а отрицательные заряды -- на противоположной стороне. Необходимо помнить, что, когда мы говорим о положительном или отрицательном электроде, имеется ввиду знак заряда электрода в данный момент времени, так как в действительности знак заряда электрода меняется во времени с частотой переменного напряжения, приложенного к электродам.

В результате кулоновского взаимодействия индуцированных зарядов с внешним электрическим полем капелька вытягивается в направлении поля, превращаясь в эллипсоид вращения. При этом, если электрическое поле является переменным (промышленная частота равна 50 герц), направленное движение капельки к одному из электродов невозможно, даже если учесть некоторый избыточный заряд какого-либо знака (зависит от природы компонентов эмульсии).

Две смежные капельки, находящиеся на одной силовой линии, вследствие близости их концов с разной полярностью зарядов взаимно притягиваются и еще более вытягиваются. Причем, вследствие вытягивания и соответствующего уменьшения расстояния между ними, напряженность местного электрического поля растет. При этом, как показывают расчеты, величина напряженности электрического поля между капельками оказывается намного больше напряженности внешнего электрического поля и при достаточном сближении капелек не исключена возможность местного электрического пробоя между капельками, а это способствует разрушению адсорбционной оболочки эмульгатора и слиянию капелек.

Сила взаимного притяжения капелек, представляющих собой диполи, определяется уравнением:

F = kE2r6/d4

где к -- коэффициент пропорциональности,

Е -- напряженность электрического поля между капельками,

r -- радиус капельки,

d -- расстояние между центрами капелек.

Из этого уравнения видно, что если расстояние между капельками будет уменьшаться, например, по линейному закону, то сила притяжения капелек будет увеличиваться пропорционально 4-й степени и при незначительных расстояниях может стать настолько большой, что оболочки эмульгатора, разделяющие капельки, сдавливаются и разрушаются, а капельки сливаются в более крупные. Например, в высокодисперсной 5%-ной эмульсии капельки воды в среднем находятся на расстоянии двух диаметров друг от друга и процесс их слияния под действием электрического поля протекает очень быстро. К недостаткам метода разрушения эмульсий в переменном однородном электрическом поле следует отнести невозможность полного отделения водной фазы от нефтяной. Действительно, с увеличением расстояния между капельками (например, в ходе процесса деэмульсации) напряженность электрического поля и сила взаимодействия между остающимися капельками быстро убывают. При малом содержании воды в нефти коалесценция продолжается только вследствие случайных сближений капелек, имеющих место при турбулентном движении жидкости. При содержании в эмульсии 1% диспергированной воды среднее расстояние между капельками равно примерно четырем их диаметрам, а силы дипольного притяжения по сравнению с аналогичными силами в 5%-ной эмульсии в 16 раз меньше. Если содержание воды в нефти будет равно 0,1%, то расстояния между капельками в среднем будут равны их восьми диаметрам и дипольные силы меньше в 256 раз, чем в 5%-ной эмульсии, то есть практически никакого слияния без принудительного перемешивания происходить не будет.

Однако оказывается, что переменное электрическое поле невысокой частоты (например, промышленной частоты 50 герц) может способствовать перемешиванию. Для не сильно обводненных эмульсий целесообразно применять неоднородное электрическое поле. В таком поле капельки воды, имеющие большую диэлектрическую постоянную, чем нефть, увлекаются в зону с большей напряженностью электрического поля. Таким образом, в областях большей напряженности поля концентрация капель воды повышается, вследствие чего растет частота их столкновений и вероятность слияния. Поэтому путем комбинирования однородного и неоднородного электрических полей можно проводить достаточно глубокое обезвоживание эмульсий типа В/М.

Дипольное взаимодействие капелек можно усилить, увеличив напряженность внешнего электрического поля. Однако при этом будет наблюдаться электрическое диспергирование капелек. Капельки воды, вытягиваясь под влиянием сил дипольного притяжения, удлиняются, в результате чего обволакивающие их пленки, адсорбированные на границе раздела фаз, натягиваются и на вытянутых концах капелек лопаются. Разрыв пленок иногда сопровождается выбросом облака мельчайших водяных частичек, которые разбрызгиваются вокруг места разрыва.

Этот процесс усиливается с повышением напряженности электрического поля и увеличением размеров капель, то есть для каждого данного размера капель существует своя критическая напряженность электрического поля, при которой капельки данного размера (и большего) диспергируют. Диспергирование капельки прекращается, когда ее размеры становятся такими, для которых данная напряженность электрического поля не является критической. Явление электрического диспергирования весьма нежелательно, так как образующиеся высокодисперсные капельки очень трудно удаляются из нефти.

Разрушение эмульсий в постоянном электрическом поле.

Применение постоянного электрического поля для целей деэмульсации до последнего времени было весьма ограниченным. Это связано с тем, что поведение эмульсий в этом виде поля имеет свои особенности. Для того, чтобы не повторяться, скажем, что все то, что было сказано о воздействии переменного электрического поля на дисперсную фазу эмульсии: поляризация капелек, их деформация в направлении поля, диспергирование и наличие критической напряженности поля -- справедливо и для постоянного электрического поля.

Основной причиной, ограничивающей применение постоянного электрического поля для деэмульсации, является то, что при обводненностях эмульсии порядка 5% и выше расстояния между отдельными взвешенными капельками становятся соизмеримыми с размерами капелек. Это приводит к тому, что напряженности местных электрических полей между капельками становятся значительными и они, деформируясь, вытягиваются и выстраиваются в токо-проводящие цепочки в направлении вектора напряженности поля, что ведет к короткому замыканию электродов.

Конечно, образование токопроводящих цепочек из водяных капелек не исключено и при обработке эмульсий в переменном электрическом поле. Однако в последнем случае они менее устойчивы, так как полярность электродов, образующих поле, меняется во времени с промышленной частотой 50 герц. В постоянном же электрическом поле такой смены полярности нет, поэтому для разрушения токопроводящих цепочек необходимо принимать какие-то специальные меры. Говорить о возможности деэмульсации в постоянном электрическом поле можно лишь в смысле обработки в этом поле малообводненных эмульсий (не выше 1-2% воды), то есть тогда, когда расстояния между отдельными капельками равны нескольким их диаметрам и влияние местных электрических полей настолько мало, что вероятность образования токопроводящих цепочек между электродами стремится к нулю. Следовательно, в отличие от переменного электрического поля, где движущей силой процесса деэмульсации является диполь-ди-польное взаимодействие, в постоянном электрическом поле это взаимодействие должно быть сведено к минимуму.

За счет каких же сил водяные капельки будут коалесцировать в этом поле? Характерной особенностью поведения дисперсных систем в постоянном электрическом поле даже пространственно-однородном (не градиентном) является то, что водяные капельки дисперсной фазы имеют тенденцию к направленному движению в сторону одного из электродов (в однородном переменном электрическом поле направленное движение капелек, образующих мало обводненную эмульсию, вообще невозможно).

Это объясняется наличием электрокинетического потенциала (дзета- потенциала), обусловленного двойным электрическим слоем. Скорость движения водяных капелек, взвешенных в углеводородной среде и помещенных в постоянное электрическое поле, определяется уравнением Гельмгольца:

U = ??0Е0?/?

где ? -- электрокинетический потенциал, В;

Е0 -- напряженность внешнего электрического поля, В/м;

? -- относительная диэлектрическая постоянная дисперсионной среды;

?0 -- электрическая размерная постоянная (диэлектрическая проницаемость вакуума), Ф/м;

? -- коэффициент внутреннего трения (динамическая вязкость) дисперсионной среды, Па?с;

U -- скорость движения частиц дисперсной фазы, м/с.

Анализ этого уравнения показывает, что скорость движения частиц дисперсной фазы крайне мала, то есть для того, чтобы водяные капельки, находящиеся в объеме эмульсии вдали от электродов, достигли их поверхности, нужно очень много времени. Однако для капелек, находящихся у поверхности электрода (например, на расстоянии диаметра капельки), эта скорость уже оказывается достаточной для того, чтобы покрыть этот путь в течение долей секунды. При контакте с поверхностью электрода водяная капелька не удерживается около него, а отталкивается и с увеличившейся во много раз скоростью устремляется к противоположному электроду. Объясняется это тем, что капелька в результате контакта с электродом получает от него электрический заряд, величина которого во много раз больше ее «естественного» заряда (то есть заряда, обусловленного наличием двойного электрического слоя).

Величина заряда, получаемого капелькой от электрода в результате контакта, определяется выражением

q = 2/3 ?3??0Еr2

где r -- радиус капельки, м,

q -- заряд водяной капельки, Кл.

В результате взаимодействия внешнего электрического поля с этим зарядом и происходит увеличение скорости движения капелек. Приблизившись к противоположному электроду, капелька касается его своей поверхностью, в результате чего происходит электрическая перезарядка (капелька получает равный по величине и противоположный по знаку электрический заряд), и устремляется к первому электроду, где опять происходит ее перезарядка, и так далее.

В частности, пусть, например, при горизонтальном расположении электродов верхний электрод находится под высоким потенциалом, а нижний электрод заземлён. Тогда, соприкоснувшись с нижним электродом, капелька получает отрицательный заряд по отношению к верхнему электроду и двигается в сторону увеличения потенциала.

При контакте с верхним электродом она получает положительный заряд по отношению к нижнему электроду и двигается в сторону уменьшения потенциала, то есть к нижнему электроду.

Таким образом, водяные капельки дисперсной фазы эмульсии, помещенной в постоянное электрическое поле, совершают колебательные движения между электродами, образующими поле. Причем при своем перемещении между электродами они сталкиваются друг с другом, как имеющие противоположные заряды, так и с незаряженными капельками, находящимися в объеме, и укрупняются. Укрупнившиеся капельки при контакте с электродом получают от него еще больший заряд (величина заряда, при прочих равных условиях, прямо пропорциональна квадрату радиуса капельки), а следовательно, и большую скорость, что, во-первых, увеличивает вероятность столкновений с другими капельками и, во-вторых, увеличивает эффективность этих столкновений.

Размещено на Allbest.ur