Мұнайдың коллоидты-химиялық қасиеттері
Дәріс жоспары:
1. Мұнай эмульсиялары
2. Мұнай эмульсияларын бұзу тәсілдері
1. Мұнай – дисперстік ортадан және дисперстік фазадан тұратын коллоидтык система. Дисперстік орта деп құрамында ұсақ бөлшектер таралған бірыңғай фазаны айтады. Ал дисперстік фаза деп дисперстік ортада ұсақ бөлшектер түрінде таралған фазаны атайды. Мұнай системаларында дисперстік ортаның ролін су немесе төменгі және орташа молекулалық массалы көмірсутектер атқарады, ал дисперстік фаза болып ШАЗ саналады.
Молекулааралық әрекеттесу күштерінің әсерінен ШАЗ ассоциаттар конденсирленген ароматтық көмірсутектер қатпарларын түзеді. Бұндай қатпарлар сұйық көмірсутектік фазада таралып, мұнай бөлшектерінің ядроларын құрады. Шайырлар мұнай бөлшектерінің бетін қаптап, сольваттық қабат түзеді. Сонан соң шайырлар бетіне орташа молекулалық массалы көмірсутектер адсорбцияланып, өтпель қабат түзеді. Бұл қабатта молекулаларды бір бірімен байланыстыратын, дәлірек айтқанда молекулалар арасындағы тартылысты қамтамасыз ететін күштер өте әлсіз десе де болады. Сондықтан молекулааралық әрекеттесу нәтижесінде түзілген мұнай системалар термодинамика тұрғысынан алғанда тұрақсыз болып саналады, олай болса бөгде зат немесе материал әсерінен олар оп оңай бұзылуы мүмкін. Сонда бөгде заттың немесе материалдың ролін мұнай сақтайтын ыдыстың немесе мұнай тасымалдау құбырының қабырғасы атқара алады. Сол себептен мұнайды тасымалдас бұрын оның құрамына тұрақтандырғыш заттар қосу арқылы тұрақтылығын арттыру керек.
Ұзақ уақыт сақталу кезінде кәдімгі жағдайда мұнай эмульсиялары екі сұйық фазаға өздігінен бөлінуі мүмкін. Алайда көп жағдайда екі сұйық фазаға бөліну жартылай жүреді де, су мен мұнай қабаттарының арасында аралық эмульсиялық қабаттар қалады. Мұнай эмульсиялары көбінесе кері эмульсиялар, яғни су мұнайдың көлемінде тамшылар түрінде таралған системалар, түрінде кездеседі. Мұндай системаларда дисперстік орта – мұнай, дисперстік фаза – су. Эмульсиялардың бұл түрі гидрофобты деп саналады: суда оның бетіне қалқып шығады, бензин мен басқа да органикалық еріткіштерде біркелкі таралады. Тура эмульсиялар, яғни мұнай тамшылары сулы ортада біркелкі таралған системалар, сирек кездеседі. Мұндай эмульсиялар гидрофильді деп саналады: суда біркелкі таралады, ал бензин мен басқа органикалық еріткіштерде батып кетеді. Эмульсиялардың түзілуі беттік құбылыстармен тығыз байланысты. Сұйықтың ауамен немесе екінші сұйықпен жанасқан беті беттік керілу мәнімен сипатталады. Беттік керілу мәні бірлік фазааралық бөлу бетін жасау үшін қажетті энергияның шамасына тең. Кейбір заттарды шикі мұнайға қосқанда мұнай мен су арасындағы беттік керілудің шамасы төмендейді. Осындай заттарға беттік-активті заттар жатады.
Егер екі бір бірінде ерімейтін сұйықтар қоспасына белгілі беттік активті затты қосса, БАЗ коллоидты бөлшектердің бетінде адсорбцияланады да адсорбциялық қабат түзеді. Адсорбциялық қабаттың түзілуі біріншіден тамшылардың ұсақталуына болысады, екіншіден, тамшылар дисперсті дисперсті ортаның молекулаларымен емес, өте берік БАЗдың адсорбциялық қабыршығымен қоршаланады. Осы жағдайда өте тұрақты қиын қатпарланатын эмульсиялар түзіледі, себебі дисперсті фазаның тамшылары өзіндік бадана секілді – адсорбциялық қабыршықпен паналаған болып бір бірімен қосылмайды. Эмульсиялар түзілуіне жағдай жасайтын және эмульсияны тұрақтандыратын заттарды эмульгаторлар деп атайды. Оларға мұнайдың полюсті заттары, шайырлар, асфальтендер, асфальтогенді қышқылдар және түрлі бейорганикалық қоспалар жатады. Олар мұнайлы БАЗға жатады. Олар бөлшектердің бір біріне қосылып, тамшылардың ірілеуне кедергі етіп мұнай эмульсияларының жоғары тұрақтылығына серттілік жасайды. Эмульгатордың қасиетіне байланысты тұрақтылығы әр түрлі эмульсиялар түзіледі. Мысалы, шайырлар мұнайда гидрофобты эмульсия түзілуіне әкеледі. Олар суда жақсы ериді, бірақ суда ерімейді. Шайырлар мұнай су қабатына адсорбцияланып, мұнай жағынан беткі қабатқа өтіп, су бөлшектерінің айналасында берік бұлттық қабат түзеді. Ал мұнай қышқылдарының натрий сабындары суда жақсы ериді және көмірсутектерде нашар ериді. Сондықтан олар су фазасы жағынан беткі қабатқа адсорбцияланып, мұнай тамшыларын өзіне тартып, нәтижесінде гидрофильді эмульсия түзеді. Эмульсиялардың тұрақтылығы мұнайдың физика-химиялық қасиеттеріне, дисперсті фаза бөлшектерінің өлшеміне, температурасына, араласу интенсивтілігіне, тығыздығы мен тұтқырлығына байланысты.
2. Эмульсияларды бұзу үшін тамшылардың бір бірімен соқтығысуына жағдай туғызу қажет, яғни нәтижесінде олар бір бірімен бірігіп ірі тамшыларға айналып және сұйықтардың қабаттарға бөлуіне мүмкіндік жасауы. Мұнай эмульсияларын бұзу механизмі бірнеше сатыдан тұрады:
1) Коллоидтік бөлшектерді қақтығысуы;
2) Ұсақ тамшылардың ірі тамшыларға бірігуі;
3) Тамшылардың тұнуы.
Эмульсияларды бұзатын процестер:
1) Механикалық – тұндыру, центрифугирлеу, ультрадыбыспен өңдеу;
2) Термиялық – қыздыру және мұнайды ұзақ сақтау арқылы судан ажырату, ыстық сумен шаю;
3) Электрлік – айнымалы және тұрақты тоқ өрісімен өндеу;
4) Химиялық – әр түрлі деэмульгаторлармен өңдеу.
Механикалық процестер.
1. Тұндыру – жаңа алынған, оңай бұзылатын эмульсияларға қолданылады. Мұнай мен судың қабаттануы эмульсия компоненттері тығыздықтарының әр түрлі мәндеріне негізделген. Егер бөлшектердің мөлшері 0,5 мк-нан артық болса, онда бөлшектерді тұндыру жылдамдығы Стокс заңына бағынады:
(1),
Мұнда w – бөлшектерді тұндыру жылдамдығы, см/сек; d – бөлшектер диаметрі, см; γ1 и γ2 – бөлшек және газ тығыздықтары, г/см3, g – ауырлық күшінің жеделдетуы (ускорение), см/сек2; η – газдың динамикалық тұтқырлығы, г/(см. сек). Дисперсті фаза бөлшегінің мөлшері кіші болған сайын және мұнай мен су тығыздықтарының айырмашылықтары аз болған сайын, қабаттану процессі баяурақ жүреді.
Бұл үрдісті, судың булануына жол бермей, 2-3 сағат аралығында, 8-15 атм. қысымда және 120-1600С-ке дейін қыздыру нәтижесінде жылдамдатады. Бірақ, тамшының өлшемі және су мен мұнайдың тығыздықтары айырмашылығы аз болған сайын эмульсияның қабаттануы үрдісі жәй жүреді. Температураны жоғарлату БАЗдың қорғаныс қабатының бұзылуына, мұнайдың тығыздығы мен тұтқырлығының төмендеуіне және соның әсерінен сұйықтардың қабаттануына әкеліп соғады. Оған қоса тұндыру кезінде механикалық қоспалардың басым бөлігі бөліп алынады.
2. Центрифугирлеу. Центрифугирлеу процесінде су және механикалық қоспалар мұнайдан ортадантепкіш күші әсерінін бөлінеді. Отрадантепкіш күшінің мөлшері:
(2),
Мұнда m – су тамшысының массасы, г; R – айналу радиусы, см; n – минутында центрифуга роторының айналым саны.
3. Фильтрлеу. Фильтрді шыны мақтадан немесе кейбір ағаштардан жасайды. Судың кіші бөлшектері шыны мақтаның талшықтарына жабысып, бір бірімен бірігіп, фильтрден төмен өтеді. Өндірісте фильтрлеу колонналарын қолданады, олардың эффективтілігі өте жоғары. Фильтрлеу процесінің кемшілігі – фильтрдің механикалық қоспалармен ластануы, сондықтан оларды жиі ауыстыру қажет.
Электрлік тәсілдер. Су молекуласы поляризацияланған бөлшек екені белгілі. Мұнай эмульсиясы айнымалы тоқ электр өрісіне түскен жағдайда, мұнайға қарағанда су молекулаларының әсері күшті болады. Электр тогымен эмульсияларды бұзу су глобуласының электр өрісінің әсерімен соқтығысып іріленуіне негізделген. Мұнай эмульсиясы айнымалы электр өрісіне түскенде, теріс зарядталған су бөлігі тамшы ішінде қозғала бастайды да, пішіні өзгеріп оң зарядты электродқа бағытталады. Электродтардың полярлығын ауыстырғанда тамшы конфигурациясы өзгереді. Кейбір тамшылар электр өрісінде оң электрод бағытында, бір бірімен соқтығысып қозғала бастайды, бірігіп іріленеді де бөлініп төмен түседі.
Химиялық тәсілдер – деэмульгаторлар – эмульсияларды бұзатын арнайы химиялық заттар — БАЗ қолдану. Деэмульгаторлардың судағы ерітіндісінің әрекетіне қарап, оларды анион активті, катион активті және ионсыз активті деп бөледі. Анионактивті БАЗдар сулы ерітінділерде теріс зарядталған көмірсутекті бөлікке және оң зарядталған металл немесе сутек иондарына диссоциацияланады. Оларға карбон қышқылдары және олардың тұздары, сульфоқышқылдар және сульфотұздар, сульфоэфирлер жатады. Катионактивті БАЗдар сулы ерітінділерде оң зарядталған радикал және теріс зарядталған қышқыл қалдығына ыдырайды. Эмульгаторлар ретінде олар өте сирек кездеседі. Ең жақсы деэмульгаторлық әсер қазіргі кезде ионсыз деэмульгатор – проксамин, диссольван, прогалит, оксиэтилденген май қышқылдары.
Дәріс материалдарын игергеннен кейін білуге қажетті негізгі түсініктер: мұнай эмульсиялары, түзілу себептері, мұнай эмульсияларын бұзу тәсілдері: механикалық, химиялық, электрлік
Өзін өзі бақылауға арналған сұрақтар:
1. Мұнай эмульсиялары қалай түзіледі?
2. Мұнай эмульсияларының түрлерін атаңыз.
3. Мұнай эмульсияларын бұзу үшін қандай тәсілдер қолданылады?
Ұсынылған әдебиеттер:
1. Г.К. Бишімбаева, А.Е. Букетова. Мұнай және газ химиясы мен технологиясы. – Алматы.: Бастау, 2007. 105-114, 130-135 б.
2. Мановян А.К. Технология первичной переработки нефти и природного газа. –М.: Химия, 2001. 173-183