Нефтяные дисперсные системы. Классификация НДС
Информация - Химия
Другие материалы по предмету Химия
Тема: Нефтяные дисперсные системы. Классификация НДС
Формирование дисперсной фазы в НДС
Учение о дисперсном состоянии веществ берет свое начало от первых трудов (1955 - 58 гг.) акад. П.А. Ребиндера. Нефтяные дисперсные системы (НДС), изучение которых началось с 60-х годов проф. З.И. Сюняевым и сотр., относятся к разбавленным системам (в отличие от таких высококонцентрированных систем, как пасты, порошки, бетоны и др.).
В общей классификации дисперсных систем (табл.1) НДС занимают существенное место и включают по крайней мере 8 типов.
Кроме перечисленных двойных НДС могут существовать также тройные, например газ-твердое тело-жидкость в добываемой из недр нефти или газ-жидкость-твердое тело в добываемом из недр попутном газе.
НДС могут существовать в природных условиях (нефть и газ в пластах) или образовываться в технологических процессах добычи нефти и газа (эмульсии "вода в нефти", "газ в нефти"), при их транспорте и переработке (выпадение кристаллов парафина, кипение, коксование и т. д.). Первыми среди НДС были изучены коллоидно-дисперсные свойства битумов (1923 г.), впервые была показана их коллоидная структура.
Таблица 1. Типы нефтяных дисперсных систем
В дальнейшем это направление развивалось, и в настоящее время природа различных НДС серьезно изучается в непосредственной взаимосвязи с технологией переработки нефти.
По степени устойчивости все НДС делят на две группы -обратимые и необратимые.
Обратимые НДС - это системы, образующиеся в результате физических превращений (образование кристаллов парафина, пузырьков пара при кипении, ассоциатов смол и асфальтенов), которые путем внешних воздействий (изменением температуры, давления или добавкой растворителя) можно вернуть в первоначальное состояние растворов.
Необратимые НДС - это системы, образующиеся в результате химических превращений с образованием дисперсной фазы, которую внешними воздействиями вернуть в растворенное состояние нельзя (выпадение карбоидов, образование кокса или сажи).
Формирование дисперсной фазы в НДС обусловлено различной склонностью углеводородов к межмолекулярным взаимодействиям.
Все углеводородные и гетероатомные соединения нефти могут находиться в молекулярном и ассоциированном состоянии.
В молекулярном состоянии (истинные растворы) они характеризуются только химическими связями атомов в молекуле, которые зависят от расстояний между атомами в молекуле. Энергия этих связей составляет примерно 330 - 800 кДж/моль для различных типов углеводородов и связей.
В ассоциированном состоянии молекулы подвержены суммарному воздействию химических и физических взаимодействий Природа физических межмолекулярных взаимодействий (ММВ) - это силы Ван-дер-Ваальса, образование комплексов и радикально-молекулярное взаимодействие. Основные из них: силы Ван-дер-Ваальса - взаимодействие между двумя полярными молекулами, т. е. ориентационные силы (энергия такого взаимодействия снижается с ростом температуры), и взаимодействие между дипольной молекулой и другой, в которой диполь наводится первой, т. е. индукционные силы (это взаимодействие не зависит от температуры).
К основным особенностям ММВ можно отнести следующие:
энергия их связей на 2 порядка меньше (3,4 - 4,2 кДж/моль) энергии химической связи из-за разного расстояния между атомами взаимодействующих молекул (330 - 600 пм и 120 - 160 пм соответственно);
энергия химической связи не зависит от молекулярной массы, а энергия физической связи с ростом молекулярной массы возрастает: при большом числе атомов в молекуле энергия ММВ может превышать энергию химической связи и образующиеся при этом ассоциаты обладают очень высокой прочностью;
энергия притяжения больших молекул (потенциальная) при ММВ в равновесном состоянии уравновешивается силами отталкивания за счет теплового движения (кинетические), поэтому ассоциированное состояние зависит от соотношения этих энергий, что для обратимых НДС имеет решающее значение.
Из сказанного можно заключить, что в создании дисперсной фазы (ассоциатов) решающая роль принадлежит высокомолекулярным соединениям, энергия взаимодействия которых на 1 - 2 порядка выше, чем у низкомолекулярных.
К высокомолекулярным относят обычно парафиновые углеводороды с числом атомов углерода выше 30, способные к образованию ассоциатов (кристаллов) при обычных температурах (0 - 40 С). Кроме того, к высокомолекулярным относят полициклические, ароматические и нафтеноароматические соединения, смолы и асфальтены.
Надмолекулярные структуры нефти
При концентрациях выше концентраций насыщения высокомолекулярные соединения нефти образуют ассоциаты, являющиеся первой стадией структур, называемых надмолекулярными. Это первичные единицы НДС. Они могут быть упорядоченными (кристаллы парафина) или неупорядоченными (ассоциаты асфальтенов и карбоидов).
Формирование надмолекулярных структур связано с условиями системы. Так, при относительно низких (до 300 С) температурах формируются физические ассоциаты, как упорядоченные (кристаллические), так и неупорядоченные (пузырьки пара, асфальтеновые ассоциаты).
При температурах 300-450 С формируются физико-химические ассоциаты, в образовании которых большая роль принадлежит смолам и асфальтенам (физические асфальтеновые ассоциаты, химические ассоциаты типа карбенов и карбо