Лабы-2 (2). 7. Получение эмульсий различных типов и определение их дисперсности под микроскопом
 Скачать 6.6 Mb.
|
|
7.Получение эмульсий различных типов и определение их дисперсности под микроскопом Цель работы: Получение эмульсий прямого и обратного типов и определение дисперсности жидкостей при помощи микроскопа. Общие положения В процессе добычи, при совместном движении нефти и воды по стволу скважины и нефтесборным трубопроводам происходит их взаимное перемешивание. В результате диспергирования одной жидкости в другой образуются эмульсии. Эмульсии представляют собой дисперсные системы двух взаимно нерастворимых (или очень мало растворимых) жидкостей, одна из которых диспергирована в другой в виде мелких капель (глобул). Диспергированную жидкость называют внутренней, или дисперсной фазой, а жидкость, в которой она находится, – дисперсионной, или внешней средой. При смешении нефти с водой возможно образование эмульсии двух типов: прямого - нефть в воде (Н/В), и обратного - вода в нефти (В/Н). Эмульсии, встречающиеся при добыче нефти до точки инверсии, принадлежат к типу В/Н. Содержание пластовой воды в таких эмульсиях колеблется в широких пределах: от десятых долей процента до 75%. Для образования стойких эмульсий необходимо наличие особых веществ – природных эмульгаторов, в том или ином количестве всегда содержащихся в пластовой нефти. К ним относятся асфальтены, смолы, нефтерастворимые органические кислоты, механические примеси и др. В процессе перемешивания нефти с водой и образования глобул воды частицы эмульгирующего вещества на поверхности этих глобул (на поверхности раздела фаз) образуют оболочку, препятствующую слиянию капелек. На рис. 1 схематически изображена такая оболочка на поверхности глобулы воды. С явлением образования оболочки на поверхности глобулы воды связывают процесс "старения" эмульсии. Под процессом старения понимают упрочнение пленки эмульгатора с течением времени. Процесс старения эмульсии может длиться от нескольких часов до 3 – 4 дней. Первоначально этот процесс идет очень интенсивно, но по мере насыщения поверхностного слоя глобул эмульгаторами замедляется или даже прекращается, а оболочки вокруг глобул воды становятся очень прочными и трудно поддаются разрушению.  Рисунок 7.1 - Схематичное изображение пленки на поверхности глобул воды 1 – толщина оболочки; 2, 3 – эмульгирующие вещества; 4 – глобула воды; 5 – нефть В зависимости от объемного содержания дисперсной фазы Сд эмульсии подразделяются на три класса: разбавленные (Сд 0,1%), концентрированные (0,1%Сд74%) и высококонцентрированные (Сд74%). К основным характеристикам нефтяных эмульсий относятся: агрегативная устойчивость (стойкость), вязкость, размер эмульгированных глобул водной фазы. В совокупности эти параметры отражают интенсивность эмульгирования нефти, ее физико-химические свойства и адсорбцию эмульгатора. Устойчивость эмульсий – это способность в течение определенного времени не разрушаться и не разделяться на две несмешивающиеся фазы. На стойкость водонефтяных эмульсий оказывает большое влияние интенсивность перемешивания нефти с водой (дробления одной фазы в другой). Часть 1. Получение эмульсий различных типов Аппаратура: Лабораторная мешалка со скоростью вращения 300-600 об/мин; Фарфоровая кружка на 250 мл; Подставочный столик с регулятором высоты; Мерный цилиндр на 200 мл; Шприц на 5 мл. 1. Приготовление эмульсии прямого типа Материалы: 1) Вода; 2) Водорастворимый ПАВ; 3) Керасин. Цилиндром отмеряют 38 мл пресной воды и выливают ее в фарфоровую кружку. Устанавливают кружку на столик и опускают в нее мешалку, так чтобы ее лопасти покрылись водой, не касаясь при этом дна кружки. Вращением регулятора скорости устанавливают минимальную скорость перемешивания и включают мешалку. При минимальном перемешивании (во избежание вспенивания) вводят шприцом в воду 2 мл ПАВ, а после его растворения вводят в раствор углеводородную жидкость – керосин. Для получения высокодисперсной эмульсии первую порцию - 1/4 часть от всего количества керосина нужно вводить тонкой струйкой при максимальном перемешивании. Максимальное перемешивание устанавливают (во избежание вспенивания) только после введения первых капель керосина; для этого, при включенном моторе, устанавливают такую скорость перемешивания, при которой эмульсия не разбрызгивается. Оставшиеся 3/4 керосина можно ввести быстрее – примерно за 2-3 мин. После введения всего количества керосина необходимо продолжать перемешивание эмульсии еще в течение 10 мин, после чего приступают к ее исследованию под микроскопом. Зарисовывают увиденную картинку. 2. Приготовление эмульсии обратного типа Материалы: 1) Керосин; 2) Нефтерастворимый ПАВ; 3) Дистиллированная вода. Методика приготовления эмульсии аналогична предыдущему описанию. В фарфоровую кружку, содержащую 27 мл керосина, при минимальном перемешивании, используя шприц, вводят 3 мл Нефтенола НЗ-40. После его растворения начинают введение в раствор ПАВ дистиллированную воду, являющейся дисперсионной средой в количестве 170 мл (85%). Дисперсионную среду вводят порционно, учитывая особенности описания в предыдущей методике. После введения всего количества раствора хлористого кальция необходимо продолжить перемешивание эмульсии еще в течение 10 мин, после чего приступают к ее исследованию под микроскопом. Часть 2. Определение дисперсности эмульсии под микроскопом Приборы и оборудование: Микроскоп Лабомед 2 вариант-1 со степенью разрешения не менее 250); Цифровая камера DCM130E (в совокупности с объективом х10 позволяет достигнуть разрешения 630) Предметное стекло; Покровные стеклышки. Общий вид микроскопа представлен на рисунке 2. В состав микроскопа входят: штатив; револьверное устройство; предметный столик; конденсор; бинокулярная насадка (тринокулярная насадка – рис 7.2); комплект объективов и окуляров. Фокусирование на объект осуществляется вертикальным перемещением предметного столика 5 с объектом относительно неподвижного объектива с помощью фокусировочного механизма 11, 12, расположенного внутри штатива 14 микроскопа. Грубое вертикальное перемещение предметного столика осуществляется вращением рукояток грубой фокусировки 11. Револьверное устройство 2обеспечивает установку в рабочее положение объективов 3, смена которых производится вращением рифленого диска до фиксированного положения. Предметный координатный столик 5 обеспечивает перемещение препарата, установленного в препаратоводитель 4, в горизонтальной плоскости в двух взаимно перпендикулярных направлениях по координатам «X» и «Y» с помощью рукояток, расположенных на одной оси. Рукоятки перемещения конденсора 10 вверх-вниз, расположенные на одной оси с двух сторон кронштейна держателя конденсора, используются при настройке освещения для фокусирования на изображение оправы (выполняющей функции полевой диафрагмы) осветительной линзы 7. Тринокулярная насадка 2 рис.7.2 обеспечивает визуальное наблюдение изображения объекта при вдвинутом положении рукоятки; при выдвинутом положении рукоятки обеспечивается возможность фото- и видеопроекции изображения объекта.  Рис.7.2 Микроскоп Лабомед 2 вариант-1 1-окуляр; 2-револьверное устройство; 3-объектив; 4- препаратоводитель; 5-предметный столик; 6-конденсор; 7-оправа осветительной линзы; 8-регулятор напряжения лампы; 9-тумблер вкл/выкл микроскопа; 10-рукоятка перемещения конденсора вверх- вниз; 11- рукоятка тонкой фокусировки; 12-рукоятка грубой фокусировки; 13- рукоятка ограничения перемещения столика; 14-штатив; 15-насадка бинокулярная  Рисунок 7.3 - Тринокулярная насадка 1- фото/видео адаптер; 2- насадка тринокулярная Подготовка микроскопа к работе ВНИМАНИЕ! Перед включением микроскопа в сеть для долгой и надежной службы лампы следует убедиться, что регулятор напряжения лампы находится в крайнем «к наблюдателю» положении. Подсоедините сетевой шнур сначала к сетевому гнезду микроскопа, затем – к трехполюсной сетевой розетке. Для включения микроскопа установите тумблер 9 в положение «О». Поворотом регулятора напряжения лампы 8 «от наблюдателя» установите комфортный для наблюдения накал лампы. Фокусировка микроскопа на объект Опустите предметный столик 5 вращением рукояток грубой фокусировки 12. Вверните в гнезда револьверного устройства 2 объективы в порядке, удобном для работы (рекомендуется от слабого к сильному вращением рифленого диска револьверного устройства против часовой стрелки). Поместите на предметный столик 5 объект; включите в ход лучей объектив 3. Рекомендуется начинать фокусировку с объективом малого или среднего увеличения, имеющего большое рабочее расстояние и большое поле зрения. Вставьте в окулярные тубусы насадки парные окуляры. Вращением рукояток грубой фокусировки 12 осторожно поднимите предметный столик 5 почти до соприкосновения препарата с фронтальной линзой объектива 3. Наблюдая левым глазом в окуляр, установленный в левый окулярный тубус насадки, и медленно опуская предметный столик 5 вращением рукояток грубой 12 и тонкой 11 фокусировки в направлении «к наблюдателю», сфокусируйте микроскоп на резкое изображение препарата. Наблюдая правым глазом в окуляр, установленный в правый окулярный тубус насадки, не трогая рукояток фокусировочного механизма, получите резкое изображение объекта вращением кольца диоптрийного механизма правого окулярного тубуса насадки. Меры безопасности Микроскоп включается в сеть с помощью трехпроводного сетевого шнура, который обеспечивает одновременно с подключением к питающей сети заземление корпуса микроскопа. После окончания работы микроскоп необходимо отключить от сети. Методика расчета: Дисперсность эмульсии определяется путем ее визуального наблюдения под микроскопом. Для количественной оценки необходимы прямые измерения размеров дисперсных частиц (глобул). Статистически из большого числа замеров устанавливаются интегральные кривые распределения глобул по крупности и величине суммарной поверхности Основные уравнения для расчета интегральных кривых распределения:  (7.1), (7.2),где  и S - относительная крупность глобул и относительная удельная поверхность их в пределах данной фракции с верхними и нижними границами диаметром  и  в мкм;  и  - число глобул данной фракции и суммарная поверхность их при среднем диаметре  ; и  - общее число измеренных глобул и их усредненная суммарная поверхность.Порядок проведения лабораторной работы Приготовление эмульсии с необходимыми параметрами с применением мешалки Примечание: Для того чтобы дисперсность водной фазы была более однородной, эмульсию необходимо перемешивать в течение 20-25 мин. 2. Подготовка к работе микроскопа Лабомед 2 вариант-1 с использованием цифровой камеры DCM130E 3.Необходимо поместить подготовленную эмульсию на предметное стекло, сверху накрыть покровным стеклом со шкалой (шкалой вниз). Цена деления шкалы 0,01 мм. 4. Подключить видеокамеру к компьютеру. 5. Запустить программу ScopePhoto. В программе необходимо выбрать видеокамеру с которой будет поступать сигнал. Для этого необходимо нажать: вкладку «Получить» в открывшемся меню выбрать «Живой захват» «ScopeTekDCM130E.» C помощью рукояток грубой, тонкой фокусировки и перемещения конденсора получаем четкое изображение и находим шкалу. Задаем масштаб 100%  С помощью поворота камеры необходимо добиться горизонтального положения шкалы. На шкале задаем единицу измерения: микрометры. Для этого находим позицию «Горизонтальная линия» как показано на рисунке.  После появления курсора в виде креста, отмеряем по горизонтальной прямой 10 делений шкалы (≈100 мкм) двумя нажатиями кнопки мыши. Цена деления шкалы 10 мкм.  В появившемся окне в строке «Единица измерений» необходимо задать имя в цифровом формате (Например 10). В строке «Актуальная длина» ставим цифру 100 micron, если вы отмерили 10 делений.  Далее находим на панели позицию с заданным именем (в нашем случае 10)  Если разметка автоматически не сменилась на um (micron), то нажатием правой кнопкой мыши на верхний левый угол окна Video [ScopeTekDCM130E] задаем позицию micron самостоятельно.  При помощи регулировки конденсора получаем необходимое освещение образца эмульсии. Для упрощения процесса измерения выбираем необходимую площадь для исследования. Для этого выбираем позицию «ROI прямоугольником» Примечание: Чем больше область интереса тем, точнее определяется степень дисперсности.  Двумя нажатиями левой кнопки мыши задать необходимую область интереса  Затем производим замеры дисперсных частиц. Для этого выбираем позицию «Пакетное измерение»→»Измерение длины»(Ctrl+L).  С помощью курсора мыши нажатием на границы глобул измеряем их диаметр. Операция повторяется до тех пор, пока не будут измерены все имеющиеся объекты.  Для просмотра результатов необходимо выбрать позицию «Пакетное измерение»→ «Обзор результатов»  Данные из открывшегося окна заносим в таблицу.  Далее определяют общее количество глобул, приходящееся на единицу поверхности, и число глобул по фракциям. По формулам 1 и 2 определяется относительная крупность глобул и общая поверхность фракции при среднем диаметре. Результаты измерений записываются в итоговую таблицу. Данные, сведенные в таблицу, представляют графически в виде кривых распределения (по оси ординат относительная крупность Q и относительная удельная поверхность фракции Sу в % , а по оси абсцисс средний диаметр глобул). Таблица7.1
Вопросы для самоподготовки: Охарактеризуйте основные принципы классификации эмульсий по типу дисперсной фазы и дисперсионной среды, содержанию дисперсной фазы, уровню дисперсности и степени межфазного взаимодействия. Что такое старение, устойчивость эмульсий? Охарактеризуйте области практического применения прямых, обратных эмульсий в нефтяном деле. Поясните, каким образом можно регулировать процессы коалесценции и диспергирования глобул при получении эмульсий. Назовите факторы, обусловливающие величину межфазного натяжения и вязкость эмульсий. 8.Определение динамической вязкости углеводородных жидкостей при атмосферном давлении с помощью ротационного вискозиметра LeViV2-L 8.1 Общие положения Вязкость нефти является одним из основных физико-химических свойств, определяющих процессы разработки и эксплуатации нефтяных месторождений, и входит во все гидродинамические расчеты. Вязкость (внутреннее трение) - это свойство жидкости сопротивляться взаимному перемещению ее частиц, вызываемому действием приложенной к жидкости силы. Согласно закону Ньютона: F= -μ*S*  (8.1) = τ = -μ* (8.2)где τ – напряжение сдвига, Па; – скорость сдвига, с-1;μ - коэффициент пропорциональности или динамическая вязкость, Па*с; F - сила, приходящаяся на единицу площади пластины S, Н. Для ньютоновских жидкостей внутреннее трение (вязкость) при заданной температуре и давлении является величиной постоянной и не зависящей от условий определения и скорости течения, если не создаются условия для турбулентного движения. В нефтепромысловой практике пользуются понятиями динамической и кинематической вязкости. Кинематическая вязкость - это отношение динамической вязкости жидкости к ее плотности при той же температуре  (8.3) где υ - кинематическая вязкость жидкости, м2/с; μ-динамическая вязкость жидкости, Па*с; ρ - плотность жидкости, кг/м3. В зависимости от величины вязкости нефти можно классифицировать на следующие группы: -маловязкие нефти (μ = 0,5...10 мПа*с); -нефти со средней вязкостью (μ=10. ..30 мПа*с); -высоковязкие нефти (μ =30... 100 мПа*с); -битуминозные нефти (μ =100. ..1000 мПа*с); -гудроны(μ =1000...50000 мПа*с) Вязкость нефти зависит от температуры, давления, химического состава нефти и количества растворенного в пластовой нефти попутного газа. 8.2 Цель лабораторной работы Целью лабораторной работы является определение динамической вязкости жидкостей при атмосферном давлении. Для определения вязкости в нефтепромысловой практике используют следующие методы: способы измерения вязкости, основанные на истечении жидкости; используют различные виды стеклянных капиллярных вискозиметров (например, ВПЖ-2) для определения вязкости однородных жидкостей при атмосферном давлении; способы измерения вязкости, основанные на падении тела в исследуемой жидкости. Используют вискозиметры для определения вязкости при атмосферном давлении и вискозиметры для определения вязкости при пластовых термодинамических условиях (вискозиметр высокого давления); способы измерения вязкости, основанные на вращении тела в исследуемой жидкости (ротационный вискозиметр); способы определения вязкости, основанные на измерении скорости затухания колебаний магнитострикционного материала, помещенного в исследуемую жидкость (ультразвуковая вискозиметрия); способы измерения вязкости малых объемов жидкостей, основанные на подъеме жидкости под действием силы поверхностного натяжения. В лабораторной работе используют ротационный вискозиметр LeViV2-L с различными шпинделями (рисунок 8.1, 8.2).  1. Индикатор уровня 2. LCD дисплей 3. START - начать измерение 4. STOP - постановить измерение 5.UP- выбор параметра верхней строки 6.DOWN- выбор параметра нижней строки 7.ENTER- подтверждение выбранного Рисунок 8.1 – Внешний вид вискозиметра  8. Вкл./ выкл.9. Гнездо подключения сетевого кабеля 10. Гнездо подключения датчика температуры Pt-100 11. Гнездо подключения RS232 8.3 Принцип работы прибора Вискозиметр — прибор для быстрого определения вязкости в соответствии со стандартами ISO 2555 и ASTM Принцип работы данного прибора: измеряется усилие, которое необходимо для преодоления сопротивления вращению шпинделя (цилиндрического или дискового), погруженного в измеряемую жидкость. Шпиндель соединен пружиной с осью мотора, вращающегося с определенной скоростью. Угол отклонения шпинделя относительно пружины измеряется при помощи электронного блока, определяющего момент вращения. Момент вращения, определяется вискозиметром на основании скорости вращения и формы шпинделя. Результат выводится на дисплей в виде значений вязкости в мПа·с. В зависимости от вязкости, устойчивость субстанции к вращению изменяется пропорционально скорости или размеру шпинделя. Прибор калибруется путем получения значений вязкости в мПа·с или сП, с учетом скорости и типа шпинделя. Различные комбинации скоростей и шпинделей (табл.81) позволяют производить оптимальные измерения в широком диапазоне. 8.4 Техника безопасности при работе с вискозиметром При работе с вискозиметром необходимо соблюдать следующие правила техники безопасности: - включать прибор в электросеть после ознакомления с инструкцией лабораторной работы и получения разрешения у преподавателя; - запрещается работать с прибором мокрыми руками или испачканными жирными, маслянистыми веществами; - готовить растворы нефти и калибровочные растворы необходимо в вытяжном шкафу; - сливать растворы и растворители в специальные сосуды; 8.5 Порядок проведения работы Установить шпиндель, слегка приподняв ось, крепко держа ее одной рукой, а другой рукой прикрутить шпиндель. Данная операция должна проводиться очень аккуратно, чтобы быть уверенным, что ось не перекошена и не повреждена. После этого шпиндель можно погружать в жидкость с помощью рукоятки до уровня, выгравированной на нем метки. Ось прибора, на которой крепится шпиндель, не должна подвергаться ударам о стенки емкости с пробой, чтобы не нарушить его вертикальную регулировку. Внимание: если выбран дисковый шпиндель, то следует очень аккуратно погружать его в жидкость, чтобы избежать образования пузырьков на его нижней плоскости. Затем нужно установить датчик температуры. Включить питание прибора. На дисплее в течение 2 сек. появится следующее сообщение: V2-L V1.0 ENGLISH Через 2 секунды на дисплее появятся данные последних использованных параметров (шпинделя и скорости), сохраненные в памяти прибора, например: rpm 60 L4 mPas temp 20.59 °C range 1000 mPas Название шпинделя будет мигать; это значит, что данный параметр можно изменить (нажав кнопку UP или DOWN, затем кнопку ENTER). Параметр «range» отображает максимальное значение вязкости, которая может быть измерена с использованием выбранной комбинации шпинделя и скорости (rpm). Сообщение «Pressstart», появившееся в нижней строчке означает, что все необходимые установки сделаны и можно включить мотор для проведения измерений. rpm 60 L4 mPas temp 20.59 °C Press start Мотор включается кнопкой START на панели прибора. Кнопками UP или DOWN во время измерения можно увеличить (уменьшить) скорость вращения шпинделя. Вязкость исследуемой жидкости считается измеренной, когда значение в правом столбце (мПа*с) приближается к 100%. Если на дисплее появится сообщение об ошибке «ERROR», значит было превышено максимальное значение вязкости. Если значение вязкости превышает оптимальный диапазон измерения, раздастся предупредительный звуковой сигнал. Результаты измерений заносим в таблицу 8.2. Стандартные значения некоторых жидкостей (для правильной тарировки прибора) приведены в табл. 8.3 Таблица 8.1 Выбор типа шпинделя в зависимости от вязкости исследуемой жидкости
*Примечание: шпиндель L1 используется для измерений жидкостей с малой вязкостью Таблица 8.2 Экспериментальные данные
Таблица 8.3 Значение вязкостей некоторых жидкостей1
Контрольные вопросы: 1.Дайте определение понятию вязкость. 2.От каких факторов зависит вязкость? 3.Что такое кинематическая вязкость? 4.Единицы измерения динамической и кинематической вязкости. 5.Рассказать устройство и принцип работы прибора. 6.Меры безопасности при работе на вискозиметре. 7.Какое влияние оказывает вязкость нефти при выборе скважинного оборудования? 11. См. Волков А.И., Жарский И.М. Большой химический справочник -Мн.:Современная школа, 2005.- 608 с. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
,мкм