Нефтяные дисперсные системы. Реферат по дисциплине Коллоидная химия
 Скачать 213.92 Kb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина
РЕФЕРАТ
ОглавлениеВведение 3 1 Классификация нефтяных дисперсных систем 5 2 Надмолекулярные структуры нефти 6 3 Метод ЯМР анализа для определения свойств НДС 8 Заключение 10 Список литературы 11 ВведениеОбъектами изучения коллоидной химии являются дисперсные системы. Это такие системы, которые имеют две или большее количество фаз, при этом одна из них называется дисперсной фазой, а другая дисперсионная среда. Основная задача при изучении дисперсных систем – это изучение поверхностных явлений, протекающих на границах раздела фаз. В данной работе рассмотрим нефтяные дисперсные системы (НДС). Дисперсная система — образования из фаз (тел), которые практически не смешиваются и не реагируют друг с другом химически. В типичном случае двухфазной системы первое из веществ (дисперсная фаза) мелко распределено во втором (дисперсионная среда). Если фаз несколько, их можно отделить друг от друга физическим способом. Обычно дисперсные системы — это коллоидные растворы (золи). Сырая нефть – это смесь различных соединений, а также механических примесей. Нефть состоит из низкомолекулярных и высокомолекулярных соединений (ВМС). Низкомолекулярные соединения (НМС) представляют собой, в основном, нафтено-парафиновые, парафиновые и ароматические углеводороды. Высокомолекулярная часть нефти состоит из смол и асфальтенов, высокомолекулярных парафиновых углеводородов, моно- и конденсированных нафтено-парафиновых, моно- и би-циклических ароматических углеводородов ряда бензола и нафталина. Отсюда делаем вывод, что с позиций коллоидной химии нефть – это сложная многокомпонентная смесь, которая в зависимости от внешних условий проявляет свойства молекулярного раствора или дисперсной системы. НДС как объекты исследования характеризуются наличием частиц дисперсной фазы, дисперсионной среды и межфазной границей раздела фаз, следовательно, коллоидно-химическими свойствами – устойчивостью и реологическими свойствами [1]. Для описания многих явлений в нефтяной дисперсной системе предложена модель сложных структурных единиц (ССЕ). ССЕ представляется как ядро, окруженное сольватной оболочной. ССЕ может перемещаться в дисперсионной среде, благодаря сольватным оболочкам, частицы высокомолекулярных парафинов (ВМП) или асфальтенов, которые образуют ядро ассоциата, не слипаются между собой. Эту модель используют для визуального и подробного описания физико-химических явлений НДС. Межмолекулярные взаимодействия ВМС приводят к образованию в нефти пространственных надмолекулярных структур, состоящих из множества макромолекул. В зависимости от характера связей надмолекулярные структуры подразделяются на ассоциаты. Число молекул ВМС в физических ассоциатах, равновесное их состояние с НМС зависят в основном от концентрации компонентов смеси и состава, температуры и других условий. Изучение данных явлений дает возможности для управления химико-технологическими процессами [2]. 1 Классификация нефтяных дисперсных системНефтяные дисперсные системы, состоящие их двух фаз, по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды можно разделить на 8 типов. Классификация нефтяных дисперсных систем представлена в таблице 1. Таблица 1 – Классификация нефтяных дисперсных систем
Кроме НДС, состоящих только из двух фаз, могут существовать системы с тремя,четырьми и более фазами. Например, при вскипании жидкой дисперсионной среды с твёрдой дисперсной фазой получается трёхфазная система «пар — капли — твёрдые частицы» [3]. Наиболее многочисленный класс среди НДС с жидкой дисперсионной средой − это класс суспензий, золей, гелей. К нему относятся практически все виды топлив, масел, природные нефти и битумы, остатки различного фракционного состава прямогонного и деструктивного происхождения. По степени устойчивости все НДС делят на две группы, т.е. дисперсные системы бывают лиофобные, т.е. обратимые и лиофильные, т.е. необратимые. Лиофобные НДС образуются из-за внешних физических воздействий. В них эффект сольватации отсутствует, они не устойчивы и их образование протекает не самопроизвольно. К ним можно отнести образование пузырьков при кипении и др. Но при этом данные системы характеризуются возможностью возвращаться в свое первоначальное состояние. Отличительная особенность лиофильных НДС от лиофобных – это то, что дисперсная фаза образуется с помощью химических превращений и при этом возвращение в прежнее состояние невозможно. К примеру, образование кокса при переработке. Ассоциированные комплексы подвержены не только воздействию, обусловленному наличию химических связей, но и образуются взаимодействия физического типа. К ним относят: образующиеся силы Ван-дер-Ваальса, образование комплексов и радикально-молекулярное взаимодействие[4]. При этом энергия взаимодействия высокомолекулярных частиц на 1 – 2 порядка больше, чем у углеводородов с малой молекулярной массой. Данный фактор оказывает большее влияние на образование ассоциатов, т.е. дисперсной фазы. 2 Надмолекулярные структуры нефтиНа образование надмолекулярных структур влияют внешние условия системы. При концентрациях выше концентраций насыщения и при температурах до 300°С высокомолекулярные соединения нефти образуют ассоциаты, являющиеся первой стадией структур, называемых надмолекулярными. Это первичные единицы НДС. Они могут быть упорядоченными (кристаллы парафина), так и неупорядоченными (ассоциаты асфальтенов и карбоидов, пузырьки газа). При температурах 300℃- 450°С при формировании физико-химических ассоциатов, наибольшее значение имеют смолы и асфальтены. А для формирования пеков кокса и сажи требуются температуры свыше 450°С. Отсюда можно сделать вывод, что если изменять внешние условия, то возможно изменять свойства и степень дисперсности НДС. В центре надмолекулярной структуры находится зародыш или ядро. Ядра окружает переходный слой, который далее граничит с дисперсионной средой, этот слой называют сольватной оболочкой. У ядер сложное строение, т.е. в центре ядра обычно асфальтеновые соединения, смолы или высокомолекулярные полициклические вещества, далее вокруг находятся по убыванию наличия колец в структуре молекул другие органические соединения (нафтены, ароматические соединения, парафины и др). На рисунке 1 представлена структура сложной структурной единицей (ССЕ), которая существует за счет сил межмолекулярного взаимодействия [5].  Рисунок 1 – Схема моделей ССЕ нефтяных дисперсных систем с ядром из твердых (а), жидких (б) и газообразных (в) веществ: 1- ядро (зародыш) радиусом R, 2 - сольватная оболочка толщиной 8; 3 - дисперсионная среда В таблице 2 представлен состав ССЕ, существование которых возможно в нефтях и различных НДС. Таблица 2 – Состав сложной структурной единицы  ССЕ и их механизм формирования оказывает влияние на свойства НДС, которые учитываются при различных технологических процессах. К примеру, при добыче нефти важно изучить нерегулируемые процессы формирования ССЕ (выпадения кристаллов парафина, образования ассоциатов асфальтенов, выделения газовых пузырьков). Все эти перечисленных процессы оказывают влияние на нефтеотдачу пласта [3]. При транспорте и хранении нефти те же процессы ведут к выпадению преимущественно парафиновых отложений, а при переработке нефти – к расслоениям, отложениям на поверхностях оборудования. На различных стадиях наполнения НДС ССЕ могут формироваться гели и золи. НДС обладают способностью сопротивляться расслоению под влиянием гравитации,это значит- обладают устойчивостью. Такие механические свойства систем как вязкость, упругость, пластичность, зависят от структуры ССЕ. Данные свойства НДС называют структурно-механическими свойствами. Эти свойства важны при учете выбора условий ведения технологических процессов. Одним из важных параметров ССЕ – это устойчивость данных единиц, т.е. способность долгое время не разрушаться. Устойчивость - это время τ, в течение которого ССЕ проходит определенный путь под действием разности силы тяжести и сопротивления среды. Получается, что чем больше время, тем устойчивее НДС [6]. 3 Метод ЯМР анализа для определения свойств НДС На свойства НДС особым образом влияет структура и строение молекул. Особую значимость в изучении пространственных структур имеет метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Одним из направлений ЯМР спектроскопии являются структурные исследования. ЯМР позволяет глубоко и детально определять пространственные структуры НДС. При методе ЯМР объектом изучения являются такие высокомолекулярные соединения, например асфальтены. Асфальтены представляют собой класс полярных полициклических соединений, входящих в состав нефти. Это связано с их строением и полярностью молекул, что обуславливает их повышенную способность к образованию надмолекулярных структур. В 1ом приближении строение молекулы асфальтена можно представить в виде конденсированных ароматических колец, к которым присоединены алифатические цепи. Это связано с их строением и полярностью молекул, что обуславливает их повышенную способность к образованию надмолекулярных структур. На рисунке 2 представлены различные структурные формулы асфальтенов.  Рисунок 2 – Виды гипотетических моделей асфальтеновых молекул Образуемые надмолекулярные будут зависеть от взаимодействия с молекулами растворителя и от внутреннего строения [7]. В ходе исследования разных проб нефтей, была выявлена зависимость установлена корреляция между параметрами поперечной релаксации и структурно-групповым составом нефти. Анализы показали, что есть два типичных показателя времени спин-решеточной релаксации. Это позволяет сделать вывод о сложной структуре дисперсной системы и наблюдается при температурах от 5℃ до 100℃. Данный анализ характеризует НДС как устойчивую структуру [8]. ЗаключениеВ данной работе была показана и описана классификация нефтяных дисперсных систем и свойства этих систем. Изучение нефти как дисперсных систем , служит, в основном, для объяснения и понимания многих физическо-химических явлений, которые протекают на границе раздела фаз, что позволяет прогнозировать поведение таких систем в различных технологических процессах. Например, транспортировка нефти, добыча нефти и другие. Более детальное изучение НДС открывает новые возможности для оптимизации процессов добычи, транспортировки и переработки нефти на реальных нефтяных объектах. Список литературы1. Сюняев З. И., Сафиева Р. З., Сюняев Р. З. Нефтяные дисперсные системы. - М.: Химия, 1990. – 224-226 с. 2. Сафиева Р.З. Физикохимия нефти. Физико-Химические основы технологии переработки нефти. – М.: Химия ,1998. – 448 с. 3. Иванов Б.Н., Костромин Р.Н., Суханов А.П., Минкин В.С. Вестник Казанского технологического университета. 2004. No 1. С- 25-40 с. 4. Гилязетдинов Л. П., М. Аль Джомаа. Определение параметров темных частиц дисперсной фазы в нефтяных системах // Химия и технология топлив и масел. - 1994. - № 3. - С. 27. 5. Ахметов Б. Р., Евдокимов И. Н., Елисеев Н. Ю. Некоторые особенности надмолекулярных структур в нефтяных средах // Химия и технология топлив и масел. - 2002. - № 4. - С. 41-43. 6. Туманян Б. П. Научные и прикладные аспекты теории нефтяных дисперсных систем. - М.: ООО «ТУМА ГРУПП»; Изд-во «Техника», 2000. - 336 с. 7. Калобин Г.А., Каницкая Л.В., Кушнарев Д.Ф. Количественная спектроскопия ЯМР природного органического сырья и продуктов его переработки. М.: Химия, 2000. – 407 с 8. Яушев Э. А. и др. Применение метода ЯМР анализа для определения физико-химических характеристик нефтяных дисперсных систем //Вестник Казанского технологического университета. – 2015. – Т. 18. – №. 1. | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||