Реферат: Образование и разрушение нефтяных эмульсий, их классификация

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ ТАТАРСТАН

АЛЬМЕТЬЕВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЯНОЙ ИНСТИТУТ

Кафедра РиЭНГМ

РЕФЕРАТ

по курсу «РиЭНГМ»

на тему: «Образованиеи разрушениенефтяных эмульсий, их классификация»

Выполнил: студент гр.

Проверил: Чекмаева Р. Р.

Альметьевск 2008

Содержание

Введение

Гетерогенные системы, называемые эмульсиями, широко распространены в природе (молоко, млечный сок растений и т. д.), их легко изготовить также искусственным путем (пропиточные со­ставы для придания тканям водонепроницаемости смазки, марга­рин, косметические кремы н т. д.).

Условия, необходимые для образования эмульсий, сходны с теми условиями которые нужны для получения коллоидных систем с твердой дисперсной фазой и жидкой дисперсионной средой. Обе жидкости, образующие эмульсию, должны быть нерастворимы или малорастворимы друг в друге и в системе должен присут­ствовать стабилизатор, который в этом случае называют эмульга­тором. Эмульсии тем седиментационно устойчивее, чем ближе плотности обеих фаз.

Отличительной особенностью не слишком концентрированних эмульсий является сферическая форма частиц (капелек). Как пра­вило, дисперсность лиофобных эмульсий значительно ниже дис­персности золей с твердой дисперсной фазой.

От типичных лиофобных эмульсий следует отличать так назы­ваемые критические—лиофильпые эмульсин. Критические эмуль­син— это системы, образующиеся обычно из двух ограниченно смешивающихся жидкостей (например, анилина и воды, изоамилового спирта и воды) при температура(весьма близких к крити­ческой температуре смешения)когда поверхностное натяжение на границе фаз становится весьма малым (порядка 0,01 эрг/см2)и теплового движения молекул уже достаточно для диспергирования одной жидкости в другой. В результате такого самопроизвольного диспергирования образуется тончайшая эмульсия, в которой коалесценциядля отдельных капелек уравновешивается стремлением обеих жидкостей равномерно распределиться в объеме,

Всякая критическая эмульсия является термодинамически устойчивой равновесной системой, для существования которой не требуется эмульгатор. Другими отличительными свойствами кри­тической эмульсии являются возможность существования ее лишьв очень узком интервалетемператур и непостоянство частиц дис­персной фазы: капельки критической эмульсии все время обра­зуются в системе и тотчас же исчезают, напоминая в этом отноше­нии ассоциаты, образующиеся в жидкости в результате флуктуации ее плотности.

Классификация эмульсий

Обычные лиофобные эмульсин классифицируют либо по поляр­ности дисперсной фазы и дисперсионной средылибопо концен­трации дисперсной фазы в системе.

Согласно первой классификации различают эмульсии неполярной или слабополярной жидкости в полярной (например, эмульсия масла в воде) — эмульсия первого рода, или прямые, и эмульсииполярной жидкости внеполярной (например, вода в масле) —эмульсиии второго рода, или обратные.

Эмульсин первого рода очень часто обозначают через м/вгде под буквой мподразумевается масло или иная неполярная жидкость, а под буквой в— вода или другая полярная жидкость

Эмульсии второго рода обозначают соответственно через в/м. В особый класс выделяют эмульсии жидких металлов (ртути, галлия) в воде, поскольку в этом случае и дисперсная фаза, и дисперсионная среда ведут себя как полярные жидкости.

Тип эмульсии устанавливается очень легко путем определения свойств ее дисперсионной среды. Для этого либо определяют способность эмульсии смачивать гидрофобную поверхность, либо проверяют возможность эмульсии разбавляться водой, либо испытывают способность эмульсии окрашиваться при введении в нее красителя, растворяющегося в дисперсионной среде, либо, наконец, определяют электропроводность эмульсии. Если эмульсия не смачивает гидрофобную поверхность, разбавляется водой, окрашивается при введении водорастворимого красителя (например, метиленового голубого) и обнаруживает сравнительно высокую электропроводность, то это эмульсия типа м/в. Наоборот, если эмульсия смачивает гидрофобную поверхность, не окрашивается водорастворимым красителем (или окрашивается при введении маслорастворимого красителя, например судана Ш) и не обнару­живает заметной электропроводности, то это эмульсия типа в/м.

<
Согласно второй классификации, эмульсии делят на разбавленные, концентрированные и высококонцентрированные, или желатинированные.>

К разбавленным эмульсиямотносятся системы жидкость-жидкость, содержаие до 0,1 объемн.% дисперсной фазы. Типичным примером таких систем может служить эмульсия машинного масла в конденсате, образующемся при работе паровых машин.

Прежде всего, разбавленные эмульсин по размеру частиц резко отличаются от концентрированных и высококонцентрированных эмульсий, являясь наиболее высоко дисперсными. Диаметр капелек в разбавленных эмульсиях составляет, как правило, порядка 10-5см, т. е. близок к размеру коллоидных частиц. Далее, разбав­ленные эмульсии обычно образуются без введения в систему спе­циальных эмульгаторов.

К концентрированным эмульсиям относятся системы жидкость — жидкость со срав­нительно значительным содержанием дисперс­ной фазы, вплоть до 74 объемн.% (рис. XII, 1а). Эту концентрацию часто указывают как макси­мальную для эмульсий этого класса потому, что она в случае монодисперсной эмульсии со­ответствует максимально возможному объем­ному содержанию недеформированных сфериче­ских капель независимо от их размера. Так как концентрированные эмульсии полу­чаются обычно методом диспергирования, то размер их капелек относительно велик и состав­ляет 0,1—1 мкм и больше. Такие капельки хо­рошо видны под обычным микроскопом, и кон­центрированные эмульсии должны быть отнесе­ны к микрогетерогенным системам.

К высококонцентрированным, или желатинированным, эмульсиям обычно относят системы жидкость—жид­кость с содержанием дисперсной фазы выше чем 74 объемн.% Отличительной особенностью таких эмульсий является взаимное деформирование капелек дисперсной фазы, в результате чего они приобретают форму многогранников (полиэдров), разделенных тонкими пленками — прослойками дисперсионной среды. Такая эмульсия при рассматривании в микроскоп, напоминает соты. Вследствие плотной упаковки капе­лек высококонцентрированные эмульсии не способны к седимен­тации и обладаютмеханическими свойствами схожими со свойствами гелей Пocледняя особенность и привела к тому, что высококонцентрированные эмульсии иногда называют желатини­рованными.

Агрегативная устойчивость эмульсий и природа эмульгатора

Эмульсии, как и все коллоидные и микрогетерогенные системы, агрегативно неустойчивы из-за избытка свободной.энергии на межфазной поверхности. Агрегативная неустойчивость эмульсий проявляется в самопроизвольном образовании агрегатов капелек с последующим слиянием (коалесценцией) отдельных капелек друг с другом. В пределе это может приводить к полному разру­шению эмульсии и разделению ее на два слоя, из которых один соответствует жидкости, образующей в эмульсии дисперсную фазу, а другой — жидкости, являющейся дисперсионной средой.

Агрегативную устойчивость эмульсий характеризуют либо ско­ростью расслаивания эмульсиисии, либо продолжительностью суще­ствования “(временем жизни)”отдельных капелек в контакте друг с другом или с межфазной поверхностью.

На агрегативную устойчивость эмульсий сильнее всего влияют природа и содержание в системе эмульгатора. С термодинамиче­ской точки зрения эмульгатор, адсорбируясь на межфазной гра­нице, понижает межфазное поверхностное натяжение и в отдель­ных случаях может приводить даже к образованию равновесных коллоидных систем (эмульсии, получаемые из эмульсолов). Другое объяснение заключается в том, что при наличии стабилизатора на границе раздела фаз между капельками возникают силы отталки­вания (энергетический барьер). Повышение в известных пределах концентрации эмульгатора в системе способствует устойчивости эмульсии.

Эмульсии термодинамически нестабильны. Чтобы приготовить эмульсию с приемлемой кинетической стабильностью, необходимо присутствие третьего компонента — эмульгатора. Большинство эффективных эмульгаторов — это ПАВ, природные материалы (такие, как белки) и тонко измельченные порошки. Эмульгаторы адсорбируются на границе раздела жидкость/жидкость и препятствуют образованию капель, подобно тому, как действуют стабилизаторы золей. Существует, однако, еще один фактор, определяющий стабильность эмульсий: коалесценция (слияние капель). Эмульгатор должен образовывать плотную, но эластичную пленку вокруг капли. Если пленка разрывается, капли будут сливаться и становится возможным разделение фаз.

Природа эмульгатора определяет не только устойчивость, но и тип эмульсии. Опыт показывает, что гидрофильные эмульгаторы, лучше растворимые в воде, чем в углеводородах, способствуют об­разованию эмульсии типа м/в, а гидрофобные (или олеофильные) эмульгаторы, лучше растворимые в углеводородах, — эмульсий типа в/м .(правило Банкрофта). Это вполне понятно, так как эмульгатор препятствует слипанию, или коалесценции, капелек только тогда, когда он находится у поверхности с наружной сто­роны капельки, т. е. лучше растворяется в дисперсионной среде.

В качестве эмульгаторовмогут применяться самые различные по природе вещества: поверхностно-активные вещества, молекулы которых содержат ионогенные полярные группы, (мыла в широком смысле слова), неионогенные поверхностно-активные вещества» высокомолекулярные соединения (ВМС). Эмульгирующей способностью обладают даже порошки. Стабилизация более или менее концен­трированных эмульсий с помощью обычных неорганических элек­тролитов невозможна вследствие недостаточной адсорбции их ионов на межфазной границе неполярный углеводород — вода.

Эффективность эмульгатора характеризуютспециальным чис­лом — гидрофильно-липофильным ьалансом (ГЛБ). Если число ГЛБ лежит в пределах 3—6, образуется эмульсия в/м. Эмульгаторы с числом ГЛБ 8—13 дают эмульсию м/в. Изменяя природу эмульгатора и его концентрацию, можно добиться обра­щения фаз эмульсии.

Методы получения и разрушения эмульсий

Эмульсии получают механическим диспергированием дисперс­ной фазы в дисперсионной среде в присутствии соответствую­щего эмульгатора. Для диспергирования эмульгируемые жидкости сильно перемешивают, встряхивают или подвергают вибрацион­ному воздействию. Для этого используют специальные эмульгаторы, мешалки, коллоидные мельницы. В последнее время для эмульгирования начинают применять ультразвук. Иногда получен­ные грубые Эмульсии подвергают дополнительной гомогенизации в специальных гомогенизаторах разнообразных конструкций. Наи­более часто в качестве гомогенизаторов применяют устройства, в которых дополнительное диспергирование капелек грубой эмуль­сии достигается продавливанием ее через малые отверстия подвысоким давлением. При обработке в таких гомогенизаторах, на­пример молока, диаметр жировых капелек понижается с 3 до 0,2 мкм. В результате значительно увеличившейся седиментационной устойчивости такое молоко расслаивается значительно мед­леннее.

Процесс эмульгирования состоит из собственно диспергирова­ния, т. е. образования капелек дисперсной фазы в дисперсионной среде и их стабилизации в результате адсорбции на поверхности эмульгатора. Процесс гомогенизации всегда заключается в обра­зовании из дисперсной фазы тонких цилиндриков, которые весьма неустойчивы и легко распадаются на ряд капелек. Как известно из молекулярной физики, цилиндрик жидкости начинает распа­даться на капельки, когда его длина становится больше окружно­сти его сечения.

Следует учесть, что при эмульгировании наряду с диспергиро­ванием всегда в той или иной степени происходит коалесценция возникших капелек, так как эмульгатор не успевает полностью адсорбироваться на поверхности капелек и они еще не обладают той устойчивостью, которая соответствует устойчивости капелек в готовой эмульсии. П. А. Ребиндер показал, что при эмульгирова­нии всегда образуется два типа эмульсии — м/в и в/м и только вследствие большей устойчивости «выживает» та эмульсия, кото­рая соответствует природе примененного эмульгатора.

Влияние эмульгатора на образование эмульсии того или иного рода становится более сложным, когда эмульгатор способен да­вать как эмульсию м/в, так и в/м. В этом случае на род образую­щейся эмульсии может влиять природа стенок сосуда и мешалки, равно как и другие предметы, с которыми соприкасается эмульсия. Например, если стенки сосуда смачиваются только какой-нибудь одной жидкостью, то соприкосновение эмульсии с этой стенкой может приводить к обращению типа эмульсии, причем жидкость, смачивающая стенки сосуда, становится дисперсионной средой.

На результат эмульгирования влияет не только природа при­мененного эмульгатора и вид механического воздействия, но и ряд других условий — температура, количественное соотношение фаз и т. д. При всех прочих равных условиях более низкоконцентрированная эмульсияполучаетсяболее устойчивой, так как вероятность, столкновения двух ее частиц меньше.

Таким образом, эмульгирование представляет собой весьма сложный процесс и для приготовления стойких высокодисперсных эмульсий от технолога требуется много знаний и опыта.

Помимо механического диспергированияэмульсии могут быть получены путем самопроизвольного диспергирования. Однако при самодиспергирова­нии полученные весьма высокодисперсные равновесные системы резко отличаются по термодинамической устойчивости от обычных эмульсий, агрегативная устойчивость которых является временной. Поверхностно-активные вещества (ПАВ) применяются при самопроизвольном диспергировании, также не могут рассматриваться как типичные эмульгаторы, поскольку их берут в таких количествах, что происходит изменение объемных свойств фазы.

Самопроизвольное эмульгирование играет существеннуюрольв процессах, связанных с перевариванием и усвоением пищи организмом. При попадании, например, в кишечник жира сначала про­исходит самодиспергирование жира под влиянием поверхностно-активных веществ (холевых кислот), содержащихся в желчи, а за­тем полученная таким образом высокодисперсная эмульсия вса­сывается через стенку кишечника в организм.

Все методы получения эмульсий, как и любой другой дисперсной системы, можно разделить на конденсационные и диспергационные. Конденсационные методы связаны с образованием капелек эмульсии из отдельных молекул. Таким образом получаются критические эмульсии при выделении капель новой фазы из раствора вблизи критической температуры смешения.

В промышленности и лабораторной практике эмульсии получают диспергированием одной жидкости в другой. В свою очередь, диспергационные методы можно разделить на методы, в основе которых лежит взбалтывание, и методы перемешивания. Диспергирование взбалтыванием производится при возвратно-поступательном движении либо сосуда, в котором находится смесь жидкостей, либо специального приспособления, например, спиральной пружины, находящейся внутри жидкости. Методы перемешивания основаны на использовании лопастных или пропеллерных мешалок. Иногда для приготовления эмульсии используют коллоидные мельницы.

Общим для приготовления любой эмульсии является очередность смешения фаз. Всегда к жидкости, которая должна стать дисперсионной средой, постепенно прибавляется вторая жидкость. Для получения устойчивой эмульсии во внешней фазе уже должен присутствовать стабилизатор. Для облегчения диспергиров