|
Реферат: Вода. Тяжелая вода (Химия)
Содержание
1. Вода в природе стр. 3
2. Физические свойства воды стр.3
3. Диаграмма состояния воды стр.6
4. Химические свойства воды стр.8
5. Тяжелая вода стр.10
6. Библиография стр.11
1. Вода в природе. Вода — весьма распространенное на Земле вещество. Почти
3/4 поверхности земного шара покрыты водой, образующей океаны, моря, реки и
озера. Много воды находится в газообразном состоянии в виде паров в
атмосфере; в виде огромных масс снега и льда лежит она круглый год на
вершинах высоких гор и в полярных странах. В недрах земли также находитcя
вода, пропитывающая почву и горные породы.
Природная вода не бывает совершенно чистой. Наиболее чистой является
дождевая вода, но и она содержит незначительные количества различных
примесей, которые захватывает из воздуха.
Количество примесей в пресных водах обычно лежит в пределах от 0,01 до
0,1% (масс.). Морская вода содержит 3,5% (масс.) растворенных веществ,
главную массу которых составляет хлорид натрия (поваренная соль).
Вода, содержащая значительное количество солей кальция и магния,
называется жесткой в отличие от мягкой воды, например дождевой. Жесткая
вода дает мало пены с мылом, а на стенках котлов образует накипь.
Чтобы освободить природную воду от взвешенных в ней частиц, ее фильтруют
сквозь слой пористого вещества, например, угля, обожженной глины и т. п.
При фильтровании больших количеств воды пользуются фильтрами из песка и
гравия. Фильтры задерживают также большую часть бактерий. Кроме того, для
обеззараживания питьевой воды ее хлорируют; для полной стерилизации воды
требуется не более 0,7 г хлора на 1 т воды.
Фильтрованием можно удалить из воды только нерастворимые примеси.
Растворенные вещества удаляют из нее путем перегонки (дистилляции) или
ионного обмена.
Вода имеет очень большое значение в жизни растений, животных и человека.
Согласно современным представлениям, само происхождение жизни связывается с
морем. Во всяком организме вода представляет собой среду, в которой
протекают химические процессы, обеспечивающие жизнедеятельность организма;
кроме того, она сама принимает участие в целом ряде биохимических реакций.
2. Физические свойства воды. Чистая вода представляет собой бесцветную
прозрачную жидкость. Плотность воды при переходе ее из твердого состояния в
жидкое не уменьшается, как почти у всех других веществ, а возрастает. При
нагревании воды от 0 до 4°С плотность ее также увеличивается. При 4°С вода
имеет максимальную плотность, и лишь при дальнейшем нагревании ее плотность
уменьшается.
Если бы при понижении температуры и при переходе из жидкого состояния в
твердое плотность воды изменялась так же, как это происходит у подавляющего
большинства веществ, то при приближении зимы поверхностные слои природных
вод охлаждались. бы до 0°С и опускались на дно, освобождая место более
теплым слоям, и так продолжалось бы до тех пор, пока вся масса водоема не
приобрела бы температуру 0°С. Далее вода начинала бы замерзать,
образующиеся льдины погружались бы на дно и водоем промерзал бы на всю его
глубину. При этом многие формы жизни в воде были бы невозможны. Но так как
наибольшей плотность вода достигает при 4 °С, то перемещение ее слоев,
вызываемое охлаждением, заканчивается при достижении этой температуры. При
дальнейшем понижении температуры охлажденный слой, обладающий меньшей
плотностью, остается на поверхности, замерзает и тем самым защищает лежащие
ниже слои от дальнейшего охлаждения и замерзания.
Большое значение в жизни природы имеет и тот факт, что вода. обладает
аномально высокой теплоемкостью [4,18 Дж/(г[pic]К)], Поэтому .в ночное
время, а также при переходе от лета к зиме вода остывает медленно, а днем
или при переходе от зимы к лету так же медленно нагревается, являясь, таким
образом, регулятором температуры на земном шаре.
В связи с тем, что при плавлении льда объем, занимаемый водой,
уменьшается, давление понижает температуру плавления льда. Эта вытекает из
принципа Ле Шателье. Действительно, пусть. лед и жидкая вода находятся в
равновесии при О°С. При увеличении давления равновесие, согласно принципу
Ле Шателье, сместится в сторону образования той фазы, которая при той же
температуре занимает меньший объем. Этой фазой является в данном случае
жидкость. Таким образом, возрастание давления при О°С вызывает превращение
льда в жидкость, а это и означает, что температура плавления льда
снижается.
Молекула воды имеет угловое строение; входящие в ее состав ядра образуют
равнобедренный треугольник, в основании которого находятся два протона, а в
вершине — ядро атома кислорода, Межъядерные расстояния О—Н близки к 0,1 нм,
расстояние между ядрами атомов водорода равно примерно 0,15 нм. Из восьми
электронов, составляющих внешний электронный слой атома кислорода в
молекуле воды
[pic]
две электронные пары образуют ковалентные связи О—Н, а остальные четыре
электрона представляют собой две неподеленных электронных пары.
Атом кислорода в молекуле воды находится в состоянии [pic]-гибридизации.
Поэтому валентный угол НОН (104,3°) близок к тетраэдрическому (109,5°).
Электроны, образующие связи О—Н, смещены к более электроотрицательному
атому кислорода. В результате атомы водорода приобретают эффективные
положительные заряды, так что на этих атомах создаются два положительных
полюса. Центры отрицательных зарядов неподеленных электронных пар атома
кислорода, находящиеся на гибридных [pic]- орбиталях, смещены относительно
ядра атома и создают два отрицательных полюса
[pic]
Молекулярная масса парообразной воды равна 18 и отвечает ее простейшей
формуле. Однако молекулярная масса жидкой воды, определяемая путем изучения
ее растворов в других растворителях оказывается более, высокой. Это
свидетельствует о том, что в жидкой воде происходит ассоциация молекул, т.
е. соединение их в более сложные агрегаты. Такой вывод подтверждается и
аномально высокими значениями температур плавления и кипения воды.
Ассоциация молекул воды вызвана образованием между ними водородных связей.
В твердой воде (лед) атом кислорода каждой молекулы участвует в
образовании двух водородных связей с соседними молекулами воды согласно
схеме,
[pic] [pic]
в которой водородные связи показаны пунктиром. Схема объемной структуры
льда изображена на рисунке. Образование водородных связей приводит к такому
расположению молекул воды, при котором они соприкасаются друг с другом
своими разноименными полюсами. Молекулы образуют слои, причем каждая из них
связана с тремя молекулами, принадлежащими к тому же слою, и с одной — из
соседнего слоя. Структура льда принадлежит к наименее плотным структурам, в
ней существуют пустоты, размеры наименее плотным структурам, в ней
существуют пустоты, размеры которых несколько превышают размеры молекулы
[pic].
При плавлении льда его структура разрушается. Но и в жидкой воде
сохраняются водородные связи между молекулами: образуются ассоциаты — как
бы обломки структуры льда, — состоящих из большего или меньшего числа
молекул воды. Однако в отличит от льда каждый ассоциат существует очень
короткое время: постоянно происходит разрушение одних и образование других
агрегатов. В пустотах таких «ледяных» агрегатов могут размещаться одиночные
молекулы воды; при этом упаковка молекул воды становится более плотной.
Именно поэтому при плавлении льда объем, занимаемый водой, уменьшается, а
ее плотность возрастает.
По мере нагревания воды обломков структуры льда в ней становится все
меньше, что приводит к дальнейшему повышению плотности воды. В интервале
температур от 0 до 4°С этот эффект преобладает над тепловым расширением,
так что плотность воды продолжает возрастать. Однако при нагревании выше
4°С преобладает влияние усиления теплового движения молекул и плотность
воды уменьшается. Поэтому при 4°С вода обладает максимальной плотностью.
При нагревании воды часть теплоты затрачивается на разрыв водородных
связей (энергия разрыва водородной связи в воде составляет примерно 25
кДж/моль). Этим объясняется высокая теплоемкость воды.
Водородные связи между молекулами воды полностью разрываются только при
переходе воды в пар.
3. Диаграмма состояния воды. Диаграмма состояния (или фазовая диаграмма)
представляет собой графическое изображение зависимости между величинами,
характеризующими состояние системы, и фазовыми превращениями в системе
(переход из твердого состояния в жидкое, из жидкого в газообразной и т.
д.). Диаграммы состояния широко применяются в химии. Для однокомпонентных
систем обычно используются диаграммы состояния, показывающие зависимость
фазовых превращений от температуры и давления; они называются диаграммами
состояния в координатах Р—Т.
На рисунке приведена в схематической форме (без строгого соблюдения
масштаба) диаграмма состояния воды. Любой точке на диаграмме отвечают
определенные значения температуры и давления.
Диаграмма показывает те состояния воды, которые термодинамически
устойчивы при определенных значениях температуры и давления. Она состоит из
трех кривых, разграничивающих все возможные температуры и давления на три
области, отвечающие льду, жидкости и пару.
[pic]
Рассмотрим каждую из кривых более подробно. Начнем с кривой ОА (рис. 73),
отделяющей область пара от области жидкого состояния. Представим себе
цилиндр, из которого удален воздух, после чего в него введено некоторое
количество чистой, свободной от растворенных веществ, в том числе от газов,
воды; цилиндр снабжен поршнем, который закреплен в некотором положении.
Через некоторое время часть воды испарится и над ее поверхностью будет
находиться насыщенный пар. Можно измерить его давление и убедиться в том,
что оно не изменяется с течением времени и не зависит от положения поршня.
Если увеличить температуру всей системы и вновь измерить давление
насыщенного пара, то окажется, что оно возросло. Повторяя такие измерения
при различных температурах, найдем зависимость давления насыщенного
водяного пара от температуры. Кривая ОА представляет собой график этой
зависимости: точки кривой показывают те пары значений температуры и
давления, при которых жидкая вода и водяной пар находятся в равновесии друг
с другом — сосуществуют. Кривая ОА называется кривой равновесия
жидкость—пар или кривой кипения. В таблице приведены значения давления
насыщенного водяного пара при нескольких температурах.
[pic]
|Темпер|Давление |Температ|Давление |
|атура |насыщенного |ура |насыщенного |
| |пара | |пара |
| | | | | | |
| |кПа |мм рт. | |кПа |мм рт. |
| | |ст. | | |ст. |
|0 |0,61 |4,6 |50 |12,3 |92,5 |
|10 |1,23 |9,2 |60 |19,9 |149 |
|20 |2,34 |17,5 |70 |31,2 |234 |
|30 |4,24 |31,8 |80 |47.4 |355 |
|40 |7,37 |55,3 |100 |101,3 |760 |
Попытаемся осуществить в цилиндре давление, отличное от равновесного,
например, меньшее, чем равновесное. Для этого освободим поршень и поднимем
его. В первый момент давление в цилиндре, действительно, упадет, но вскоре
равновесие восстановится: испарится добавочно некоторое количество воды и
давление вновь достигнет равновесного значения. Только тогда, когда вся
вода испарится, можно осуществить давление, меньшее, чем равновесное.
Отсюда следует, что точкам, лежащим на диаграмме состояния ниже или правее
кривой ОА, отвечает область пара. Если пытаться создать давление,
превышающее равновесное, то этого можно достичь, лишь опустив поршень до
поверхности воды. Иначе говоря, точкам диаграммы, лежащим выше или левее
кривой ОА, отвечает область жидкого состояния.
До каких пор простираются влево области жидкого и парообразного
состояния? Наметим по одной точке в обеих областях и будем двигаться от них
горизонтально влево. Этому движению точек на диаграмме отвечает охлаждение
жидкости или пара при постоянном давлении. Известно, что если охлаждать
воду при нормальном атмосферном давлении, то при достижении 0°С вода начнет
замерзать. Проводя аналогичные опыты при других давлениях, придем к кривой
ОС, отделяющей область жидкой воды от области льда. Эта кривая — кривая
равновесия твердое состояние — жидкость, или кривая плавления,— показывает
те пары значений температуры и давления, при которых лед и жидкая вода
находятся в равновесии.
Двигаясь по горизонтали влево в области пара (в нижнею части диаграммы),
аналогичным образом придем к кривой 0В. Это—кривая равновесия твердое
состояние—пар, или кривая сублимации. Ей отвечают те пары значений
температуры к давления, при которых в равновесии находятся лед и водяной
пар.
Все три кривые пересекаются в точке О. Координаты этой точки—это
единственная пара значений температуры и давления,. при которых в
равновесии могут находиться все три фазы: лед, жидкая вода и пар. Она носит
название тройной точки.
Кривая плавления исследована до весьма высоких давлений, В этой области
обнаружено несколько модификаций льда (на диаграмме не показаны).
Справа кривая кипения оканчивается в критической точке. При температуре,
отвечающей этой точке,—критической температуре— величины, характеризующие
физические свойства жидкости и пара, становятся одинаковыми, так что
различие между жидким и парообразным состоянием исчезает.
Существование критической температуры установил в 1860 г. Д. И.
Менделеев, изучая свойства жидкостей. Он показал, что при температурах,
лежащих выше критической, вещество не может находиться в жидком состоянии.
В 1869 г. Эндрьюс, изучая свойства газов, пришел к аналогичному выводу.
Критические температура и давление для различных веществ различны. Так,
для водорода [pic] = —239,9 °С, [pic]= 1,30 МПа, для хлора [pic]=144°С,
[pic]=7,71 МПа, для воды [pic]= 374,2 °С, [pic]=22,12 МПа.
Одной из особенностей воды, отличающих ее от других веществ, является
понижение температуры плавления льда с ростом давления. Это обстоятельство
отражается на диаграмме. Кривая плавления ОС на диаграмме состояния воды
идет вверх влево, тогда как почти для всех других веществ она идет вверх
вправо.
Превращения, происходящие с водой при атмосферном давлении, отражаются на
диаграмме точками или отрезками, расположенными на горизонтали, отвечающей
101,3 кПа (760 мм рт. ст.). Так, плавление льда или кристаллизация воды
отвечает точке D, кипение воды—точке Е, нагревание или охлаждение воды —
отрезку DE и т. п.
Диаграммы состояния изучены для ряда веществ, имеющих научное или
практическое значение. В принципе они подобны рассмотренной диаграмме
состояния воды. Однако на диаграммах состояния различных веществ могут быть
особенности. Так, известны вещества, тройная точка которых лежит при
давлении, превышающем атмосферное. В этом случае нагревание кристаллов при
атмосферном давлении приводит не к плавлению этого вещества, а к его
сублимации - превращению твердой фазы непосредственно в газообразную.
4. Химические свойства воды. Молекулы воды отличаются большой
устойчивостью к нагреванию. Однако при температурах выше 1000 °С водяной
пар начинает разлагаться на водород и кислород:
2Н[pic]О [pic]2Н[pic]+О[pic]
Процесс разложения вещества в результате его нагревания называется
термической диссоциацией. Термическая диссоциация воды протекает с
поглощением теплоты. Поэтому, согласно принципу Ле Шателье, чем выше
температура, тем в большей степени разлагается вода. Однако даже при 2000
°С степень термической диссоциации воды не превышает 2%, т.е. равновесие
между газообразной водой и продуктами ее диссоциации — водородом и
кислородом — все еще остается сдвинутым в сторону воды. При охлаждении же
ниже 1000 °С равновесие практически полностью сдвигается в этом
направлении.
Вода — весьма реакционноспособное вещество. Оксиды многих металлов и
неметаллов соединяются с водой, образуя основания и кислоты; некоторые соли
образуют с водой кристаллогидраты; наиболее активные металлы
взаимодействуют с водой с выделением водорода.
Вода обладает также каталитической способностью. В отсутствие следов
влаги практически не протекают некоторые обычные реакции; например, хлор не
взаимодействует с металлами, фтороводород не разъедает стекло, натрий не
окисляется в атмосферы воздуха.
Вода способна соединяться с рядом веществ, находящихся при обычных
условиях в газообразном состоянии, образуя при этом так: называемые гидраты
газов. Примерами могут служить соединения Хе[pic]6Н[pic]О,
CI[pic][pic]8H[pic]O, С[pic]Н[pic][pic]6Н[pic]О,
С[pic]Н[pic][pic]17Н[pic]О, которые выпадают в виде кристаллов при
температурах от 0 до 24 °С (обычно при повышенном давлении соответствующего
газа). Подобные соединения возникают в результате заполнения молекулами
газа («гостя») межмолекулярных полостей, имеющихся в структуре воды
(«хозяина»); они называются соединениями включения или клатратами.
В клатратных соединениях между молекулами «гостя» и «хозяина» образуются
лишь слабые межмолекулярные связи; включенная молекула не может покинуть
своего места в полости кристалла преимущественно из-за пространственных
затруднений Поэтому клатраты — неустойчивые соединения, которые могут
существовать лишь при сравнительно низких температурах.
Клатраты используют для разделения углеводородов и благородных газов. В
последнее время образование и разрушение клатратов газов (пропана и
некоторых других) успешно применяется для обессоливания воды. Нагнетая в
соленую воду при повышенном давлении соответствующий газ, получают
льдоподобные кристаллы клатратов, а соли остаются в растворе. Похожую на
снег массу кристаллов отделяют от маточного раствора и промывают, Затем при
некотором повышении температуры или уменьшении давления клатраты
разлагаются, образуя пресную воду и исходный газ, который вновь
используется для получения клатрата. Высокая экономичность и сравнительно
мягкие условия осуществления этого процесса делают его перспективным в
качестве промышленного метода опреснения морской воды.
5. Тяжелая вода. При электролизе обычной воды, содержащей наряду с
молекулами Н[pic]О также незначительное количество молекул D[pic]O,
образованных тяжелым изотопом водорода, разложению подвергаются
преимущественно молекулы Н[pic]О. Поэтому при длительном электролизе воды
остаток постепенно обогащается молекулами D[pic]O. Из такого остатка после
многократного повторения электролиза в 1933 г. впервые удалось выделить
небольшое количество воды
состоящей почти на 100% из молекул D[pic]О и получившей название тяжелой
воды.
По своим свойствам тяжелая вода заметно отличается от обычной воды
(таблица). Реакции с тяжелой водой протекают медленнее, чем с обычной.
Тяжелую воду применяют в качестве замедлителя нейтронов в ядерных
реакторах.
|Константа |Н[pic]О |D[pic]О |
|Молекулярная масса |18 |20 |
|Температура замерзания, °С, |0 |3,8 |
|Температура кипения, °С, |100 |101,4 |
|Плотность при 25°С, г/см |0,9971 |1,1042 |
|Температура максимальной |4 |11,6 |
|плотности, °С | | |
Библиография
1. Д.Э., Техника и производство. М., 1972г
2. Хомченко Г.П. , Химия для поступающих в ВУЗы. М., 1995г.
3. Прокофьев М.А., Энциклопедический словарь юного химика. М., 1982г.
4. Глинка Н.Л., Общая химия. Ленинград, 1984г.
5. Ахметов Н.С., Неорганическая химия. Москва, 1992г.
Реферат на тему: Водонефтяные эмульсии
Министерство образования РТ
АГНИ
Кафедра химии
РЕФЕРАТ
по химии
на тему: «водонефтяные эмульсии»
Выполнил: ст.гр. 11-11
Жирнов А.Е
Проверил: Будкевич Р.Л.
Альметьевск 2003
Содержание:
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
ДИСПЕРСНОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
ВЯЗКОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ГЛОБУЛ ВОДЫ НА ВЯЗКОСТЬ
ЭМУЛЬСИЙ
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ДЕГАЗИРОВАННЫХ ЭМУЛЬСИЙ
КЛАССИФИКАЦИЯ НЕФТЯНЫХ ЭМУЛЬСИЙ
В эмульсиях, т.е. механических смесях нерастворимых друг в
друге жидкостей (бывают газожидкостные эмульсии), различают две
фазы - внутреннюю и внешнюю.
Лиофобные, т.е. термодинамически неустойчивые, эмульсии
классифицируют по полярности дисперсной фазы и дисперсионной
среды, а также по концентрации дисперсной фазы в системе:
Согласно первой классификации, различают эмульсии:
- неполярной жидкости (нефти) в полярной воде - эмульсии первого
рода, или прямые (М/В),;
- эмульсии полярной жидкости в неполярной среде эмульсии второго
рода, или обратные (В/М).
Жидкость, в которой содержатся мелкие капли другой
жидкости, называют дисперсионной средой (внешней, неразрывной,
сплошной), а капли жидкости, размещенные в дисперсионной среде,
- дисперсной фазой (внутренней, разобщенной).
В эмульсиях М/В внешней фазой является вода, и поэтому они
смешиваются с водой в любых отношениях и обладают высокой
электропроводностью, в то время как эмульсии В/М смешиваются
только с углеводородной жидкостью и не обладают заметной
электропроводностью. Установлено, что тип образующейся эмульсии
в основном зависит от соотношения объемов нефти и воды;
дисперсионной средой (внешней) обычно стремится стать та
жидкость, объем которой больше.
Иногда нефтяные эмульсии классифицируют по концентрации
дисперсной фазы в дисперсионной среде, в связи с чем они
подразделяются на три типа: разбавленные, концентрированные и
высококонцентрированные .
К разбавленным эмульсиям относят системы жидкость -
жидкость, содержащие до 0,2. объем. % дисперсной фазы; к
концентрированным эмульсиям - с содержанием дисперсной фазы до
74 объем. %; к высококонцентрированным - с содержанием
дисперсной фазы свыше, чем 74 объем. %.
Особенности разбавленных эмульсий:
1) незначительный диаметр капель дисперсной фазы (10'5 см);
2) наличие на каплях электрических зарядов;
3) низкая вероятность их столкновения;
4) высокая стойкость.
Особенности концентрированных эмульсий:
1)капли имеют относительно большие размеры и могут
седиментировать;
2) могут быть как устойчивыми, так и неустойчивыми.
Особенности высококонцентрированных эмульсий:
1) капли (одиночные) дисперсной фазы практически не способны к
седиментации;
2) вследствие большой концентрации могут быть деформированы.
Размеры капель дисперсной фазы в эмульсиях могут быть
самыми разнообразными и колебаться в пределах от 0,1 до 100 и
более
мкм. Нефтяные эмульсии относятся к полидисперсным системам, т.е.
к системам, содержащим частицы самых разных размеров. Нефтяные
эмульсии характеризуются следующими основными физико-химическими
свойствами: дисперсностью, вязкостью, плотностью и
электрическими свойствами. Кратко остановимся на этих свойствах
эмульсий.
ДИСПЕРСНОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
Под дисперсностью эмульсий понимают степень
раздробленности дисперсной фазы в дисперсной среде.
Дисперсность является важной характеристикой эмульсий,
определяющей их свойства. Дисперсность эмульсий характеризуется
тремя величинами: диаметром капелек d, обратной величиной
диаметра капельки D= 1/d, называемой обычно дисперсностью,
удельной межфазной поверхностью, т.е. отношением суммарной
поверхности глобул к общему их объему. Все эти величины
взаимосвязаны.
Чем больше удельная поверхность, чем более стойкой является
эмульсия, тем будет больше расход деэмульгатора для разрушения
бронирующих оболочек на глобулах воды.
Дисперсные системы, состоящие из капель различного диаметра
называются полидисперсными. Нефтяные эмульсии относятся к
полидисперсным системам.
Удельная поверхность дисперсной системы Sуд равна общей
поверхности между фазами S, деленной на объем дисперсной фазы
V. Удельную поверхность эмульсий, содержащих в дисперсной фазе
сферические частицы диаметром d, определяют по формуле:
[pic]
Из формулы видно, что удельная поверхность обратно
пропорциональна размеру капель.
ВЯЗКОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
Вязкость нефтяных эмульсий - не аддитивное свойство, т.е.
[pic]
где [pic] и [pic]- абсолютные вязкости нефти и воды, и она
зависит от следующих основных факторов:
1) вязкости самой нефти;
2) температуры, при которой формируется эмульсия;
3) количества содержащейся воды в нефти;
4) степени дисперсности, или диаметра капель дисперсной фазы в
дисперсионной среде (для эмульсий типа В/Н).
У нефтяных эмульсий, как и у парафинистых нефтей, не
подчиняющихся закону Ньютона, вязкость [pic] изменяется в
зависимости от градиента скорости. В этом случае [pic] называют
кажущейся вязкостью.
Основной причиной аномалии вязкости эмульсий является
деформация диспергированных частиц, возникающая в процессе
увеличения напряжения сдвига. С возрастанием приложенной силы
капли эмульгированной жидкости удлиняются, превращаясь из
шариков в эллипсоиды, что затрудняет течение и приводит к
повышению кажущейся вязкости эмульсии.
Над изучением вязкости дисперсных систем и, в частности,
эмульсий работали многие исследователи, которые предложили
несколько уравнений для расчета вязкости систем с различным
содержанием диспергированного вещества.
А. Эйнштейн предложил следующую формулу:
[pic]
где [pic]-цязкость эмульсии; [pic]- вязкость дисперсионной среды
(нефти); [pic] - коэффициент обводненности - отношение объема
дисперсной фазы (воды) к общему объему системы (воды + нефти).
Формула справедлива только при низких концентрациях
диспергированного вещества (воды).
При выводе формулы предполагалось, что диспергированные
частицы имеют вид упругих шариков, диаметр которых мал по
сравнению с расстоянием между ними.
Позднее была установлена возможность использования формулы
Эйнштейна при обводненности нефти до 15%. Тейлор предложил
следующую формулу
[pic]
где [pic]—вязкость эмульсии; [pic]- вязкость внутренней фазы;
[pic] - вязкость внешней фазы. Но и она не позволяет достаточно
точно определять вязкость эмульсий.
Одной из таких более универсальных формул является формула
Монсона, полученная на калифорнийских нефтях:
[pic]
Однако она применима, как указывает сам автор, для
эмульсий, в которых [pic]< 0,5
В формуле не учитывается влияние размеров капель воды на
величину вязкости эмульсии, что противоречит выводам, сделанным
П.А. Ребиндером.
ВЛИЯНИЕ ДИСПЕРСНОСТИ ГЛОБУЛ ВОДЫ НА ВЯЗКОСТЬ ЭМУЛЬСИЙ
Уменьшение размера частиц при одинаковой концентрации
дисперсной фазы приводит к увеличению вязкости системы. Связь
эта нелинейна и ослабевает по мере увеличения размера частиц.
Установлено, что при диаметрах частиц более 100 мкм влияние их
размера на вязкость системы становится пренебрежимо малым и оно
становится весьма ощутимым, когда размер капель достигает 10 и
менее мкм.
27
Опираясь на исследования и др. автором в была предложена
формула и графики, учитывающие влияние на вязкость
дегазированных эмульсий размеров глобул воды при различной
обводненности.
Из графика видно, что влияние дисперсности на увеличение
вязкости эмульсии весьма существенна при небольших размерах
капель, но оно быстро ослабевает при увеличении их размеров до
120-160 мкм.
[pic]
Зависимость [pic]:
1, 2, 3 - соответственно при [pic] равном 0,2; 0,3; 0,4; 4 -
экспериментальные данные Б.А. Соломыкова при ([pic]-0,3; [pic] -
содержание воды в нефти в долях единицы; а - размер глобул, мкм.
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ВЯЗКОСТИ ДЕГАЗИРОВАННЫХ ЭМУЛЬСИЙ
При составлении проектов разработки и обустройства
нефтяных месторождений необходимо располагать данными о вязкости
разгазированных водонефтяных эмульсий при различной температуре
в широком диапазоне обводненности (10-60 %). Однако таких
данных, как правило, не хватает в связи с неразбуренностью
месторождения и небольшим числом скважин, прошедших стадию
пробной эксплуатации. Поэтому проблема прогнозирования вязкости
водонефтяных эмульсий по ограниченному объему материалов и
небольшому числу параметров всегда весьма актуальна. Наиболее
часто известными параметрами оказываются вязкость безводной
нефти по нескольким скважинам и заданные значения обводненности
и температуры.
Особенно важно располагать прогнозными данными по
месторождениям и залежам тяжелых нефтей плотностью 900-930
кг/м3, объем добычи которых постоянно возрастает. Как
отмечалось, на вязкость эмульсии существенно влияет степень
дисперсности глобул
воды. При проектировании принимают максимальные значения
вязкости эмульсий, соответствующие размерам глобул воды в нефти
в
промысловых условиях порядка 3-10 мк.
Для приготовления искусственных эмульсий безводные нефти
скв. 1, 2, 3 плотностью соответственно 910, 913 и 930 кг/м3 и
вязкостью 74, 90, 144 мПа-с при температуре 20°С использовалась
лабораторная четырехлопастная мешалка и соленая пластовая вода
плотностью 1,17 кг/м3 обеспечивающая дробление капель пластовой
воды до размера 3-10 мк. Стабильность приготовленных эмульсий
проверяли путем статического отстоя при температуре 20-22°С в
течение 120 мин. Они считались стабильными, если количество
выделившейся свободной воды не превышало 0,5% ее исходного
содержания.
Вязкость безводных нефтей и искусственных эмульсий
определяли на ротационном вискозиметре типа ФАНН, где их
выдерживали при заданной температуре в течение 10 мин. Показания
снимали после включения ротора при частотах вращения п, равных
600, 300, 200 и 100 мин"1. Так как способы эксплуатации скважин,
количество извлекаемой жидкости и обводненность нефти в процессе
разработки месторождений постоянно изменяются, что влияет на
скорость движения жидкости и степень дисперсности эмульсий,
пропускную способность трубопроводов обычно рассчитывают по
усредненным значениям вязкости эмульсий в диапазоне градиентов
скоростей 0,2-1,2 м/с. Усредненный расчетный градиент скорости
был принят равным
0,56м/с.
Кажущуюся динамическую вязкость нефти и эмульсий
определяли по формуле
[pic]=SФfc
где S - фактор скорости (для n, равной 600, 300, 200 и 100 мин-1
S соответственно равен 0,5; 1; 1,5 и 3); Ф - показание шкалы
вискозиметра; f- коэффициент пружины (1 и 10); с = 1 -
коэффициент ротора.
Закономерности изменения вязкости эмульсий в зависимости
от обводненности при температуре процесса 30-50°С оказались
практически одинаковыми. Из этого следует, что вязкость
свежесформированных эмульсий различной обводненности при прочих
равных условиях (температура и др.) определяется в основном
вязкостью безводных нефтей. Следовательно, в первом приближении
темп увеличения вязкости эмульсии можно считать пропорциональным
коэффициенту обводненности [pic], равному отношению вязкости
эмульсии [pic], замеренной при температуре t, к вязкости
безводной нефти г|о(ф определенной при той же температуре.
Значения [pic] при температуре t = 20-60°С и
обводненности w = 0-60%, рассчитанные по экспериментальным
данным. Cредние значения [pic] для различных типов нефтей при
одном и том же w для всех скважин достаточно хорошо совпадают и
увеличиваются с повышением w. Аналогичные закономерности
изменения [pic] и [pic] в зависимости от w получены и для
эмульсий, сформированных опресненными водами.
Для исключения промежуточных замеров вязкости безводной
нефти при разных температурах был введен поправочный
безразмерный коэффициент [pic], равный отношению вязкости
безводной нефти при t = 20°С к вязкости этой же нефти при
температуре t(x). Значения коэффициентов [pic] рассчитанные по
экспериментальным данным. После соответствующих преобразований
линейной зависимости [pic], от t(x) получена формула
[pic] = 0,0733t(x) - 0,632.
С учетом этого выражения можно ориентировочно
рассчитывать прогнозные значения вязкости обводненной нефти при
заданных температурах по известной вязкости безводной нефти при
фиксированной температуре t(x) и значению параметра [pic].
Анализ показал, что рассматриваемая методика оценки
прогнозной вязкости приемлема для w | |
