油气集输原油净化节PPT课件.ppt

1 第二节原油乳状液 原油乳状液的类型 原油乳状液的生成机理 原油乳状液的性质 2 一 原油乳状液的类型 两种 或两种以上 不互溶 或微量互溶 的液体 其中一种以极小的液滴分散于另一种液体中 这种分散物系称为乳状液 3 原油乳状液的两种类型 一种是水以极微小的颗粒分散于原油中 称为 油包水 型乳状液 用符号W O表示 水是内相或称分散相 油是外相或称分散介质 因外相液体是相互连接的 故又称连续相 另一种是油以极微小颗粒分散于水中 称为 水包油 型乳状液 用符号O W表示 此时油是内相 水是外相 4 二 原油乳状液的生成机理 界面能和界面张力 乳化剂 形成稳定乳状液的必要条件 原油乳状液的形成 预防措施 5 1 界面能和界面张力 欲使液体内层分子移到表面上来 扩大液体的表面 就必须对系统作功以克服分子所受的指向液体内部的拉力 所作的功储存于表层 成为表层分子的位能 故液体表层分子比内部分子多储存一部分能量 这种能量称表面自由能 或表面能 6 1 界面能和界面张力 表面能产生的示意图 7 表面张力 在恒温 恒压条件下 液体表面积每增大一个单位所增加的表面能称为比表面能 以J m单位 在数值上 比表面能等于在液体表面上垂直作用于单位长度上的表面紧缩力 即表面张力 表面张力可解释为抑制使表面积增加而来自液体的阻力 8 两种液体相接触时 表面能与表面张力称为界面能和界面张力 界面能和界面张力 9 2 乳化剂 将煤油和水激烈搅拌 虽能使一种液体搅拌成极微小的颗粒分散于另一种液体中形成乳状液 但搅拌停止后 内相颗粒在周围液体分子热运动的撞击下发生不断改变方向的无秩序运动 即布朗运动 使内相颗粒相互碰撞 合并 很快油水就分层了 即所得乳状液的稳定性 寿命 很差 10 若向油一水系统中加入第三种物质后 经搅拌能得到稳定的乳状液 则把这种使乳状液稳定的物质称为乳化剂 2 乳化剂 11 根据热力学第二定律 在恒温 恒压下 物系都有自动向自由能减小方向进行的趋势 当煤油 水形成乳状液时 其接触界面和界面能都很大 从热力学观点看 乳状液是一种不稳定体系 分散相液滴必然会自发地合并 缩小界面面积使界面能趋向最低 这就是没有乳化剂时煤油和水不能生成稳定乳状液的原因 2 乳化剂 12 把那些溶入少量就能显著降低溶液表面张力的物质称为表面活性物质 或表面活性剂 表面活性剂降低表面张力的能力称表面活性 或表面活度 凡是能使溶液表面张力升高的物质 称为表面惰性物质 2 乳化剂 13 1 乳化剂的类型 乳化剂的类型很能多 大部分乳化剂都有表面活性剂 按生成乳状液类型可以分为两大类 形成O W型乳状液的乳化剂 它们都是亲水性 在水中的溶解度大于油中 如水溶性的皂类 蛋白质 植物胶 淀粉等 形成W O型乳状液的乳化剂 它们都是亲油性 易溶于油 如高级醇类 胶质 高级脂类等 14 乳化剂可通过多种途径使分散体转变为乳状液 乳化剂的作用表现在以下几方面 乳化剂吸附在油水界面 降低油水界面张力 乳化剂在分散相周围形成一层粘性薄膜 阻止内相液滴在碰撞时聚结成较大液滴 乳化剂可能是以某种方式排列的极性分子 使液滴表面带电 同性相斥 液滴聚结难度增大 2 乳化剂的作用 15 乳化剂使乳状液稳定的原因 是由于它在界面上形成一层薄膜 保护分散相 使其界面被掩蔽 液滴碰撞时 膜在外边保护着 液滴不会因界面接触而合并 其情形如下两图所示 3 乳状液的保护膜 16 O W型乳状液的保护膜 17 W O型乳状液的保护膜 18 3 形成稳定乳状液的必要条件 系统中必须存在两种以上互不相溶 或微量相溶 的液体 要有强烈的搅动 使一种液体破碎成微小的液滴分散于另一种液体中 要有乳化剂存在 使微小液滴能稳定地存在于另一种液体中 19 4 原油乳状液的形成 当油 气 水混合物由井底沿井筒油管举升到井口 经过油嘴的节流 以及集油管线 阀件 离心式油泵等的强烈搅拌 使水滴充分破碎成极小的颗粒 并为原油存在的环烷酸 胶质 沥青质 石蜡 粘土和砂粒等 油包水 型乳化剂所稳定 均匀地分散在原油中 从而形成稳定W O型乳状液 20 5 预防措施 提高油田地面集输系统和油气分离器的压力 减小油嘴前后压差 有助于减少乳状液的生成 尽量减少弯头 三通 阀件等局部阻力 往油井环形空间内注入破乳剂 21 三 原油乳状液的性质 原油乳状液的主要物理一化学性质有分散度 粘度 密度 电学性质和稳定性等 22 1 分散度 分散相在连续相中的分散程度称为分散度 分散度用内相颗粒平均直径的倒数表示 此外 也常用内相颗粒平均直径或内相颗粒总表面积与总体积的比值 即比表面积表示 2019 12 29 23 24 2 粘度 影响乳状液粘度的因素很多 主要有 外相粘度 内相的体积浓度 温度 乳状液的分散度 乳化剂及界面膜的性质 内相颗粒表面带电强弱等 25 原油粘度愈大 生成W O型乳状液后其粘度也愈大 例如 50 时 大庆某油区所产原油粘度为3 09mPa s 当含水23 7 时实测粘度为11 43mPa s 而50 粘度为9 49mPa s的原油 含水24 7 时实测粘度为30mPa s 乳状液粘度与温度的关系同原油类似 随温度的升高而降低 2 粘度 26 原油乳状液粘度随含水率的变化却呈现较为复杂的关系 如下图所示 含水率较低时 乳状液的粘度随含水率的增加而缓慢上升 含水率较高时 粘度迅速上升 当含水率超过某一数值 图中约为65 75 时 粘度又迅速下降 此时W O型乳状液转相为O W型或W O W型乳状液 此后 随含水率的进一步增加 油水混合物的粘度变化不大 2 粘度 27 原油乳状液粘度与含水率的关系 28 3 密度 原油含水 含盐后 其密度显著增大 若已知乳状液体积含水率 原油和含盐水的密度分别为 o和 w 则原油乳状液的密度可按下式确定 Vo Vw 分别为油和水的体积 m3 29 4 电学性质 当水中溶有少量酸 碱 盐类时 其电导率成数十倍地增加 因此 原油乳状液的电导率除取决于其含水率和水颗粒的分散度外 在很大程度上决定于水中的含盐 含酸 含碱量 乳状液的电导率还随温度的增高而增大 30 介电系数是乳状液另一项重要的电性质 原油的介电系数为2 水的介电系数约为油的40倍 即为80 由于原油和水介电系数的悬殊差别 当把乳状液置于电场内时 乳状液的内相水滴将沿电力线排列 并使乳状液的电导率激烈增加 这种性质常被用来破坏原油乳状液 脱除原油中所含的水 4 电学性质 31 5 稳定性和老化 原油乳状液的稳定性是指 乳状液不被破坏 抗油水分层的能力 它是原油乳状液最重要的性质之一 影响乳状液稳定性的主要因素有 乳状液的分散度和原油粘度 乳化剂的类型和保护膜的性质 内相颗粒表面带电 乳状液温度和水的pH值等 32 1 分散度和原油粘度 若油水混合物内有足够的乳化剂 并受到充分搅拌 则形成内相颗粒小 分散度高的原油乳状液 水滴愈小 分散度愈大 布朗运动愈强烈 就能克服重力影响不下沉 而保持稳定 此外 原油粘度愈大 水滴愈不易下沉 原油乳状液也就愈稳定 33 2 乳化剂的类型和保护膜的性质 原油中存在的天然乳化剂大体上可分为三类 第一类乳化剂是低分子有机物 如脂肪酸 环烷酸和某些低分子胶质 这类物质有较强的表面活性 易在内相颗粒界面形成界面膜 但由于分子量低 界面保护膜强度不高 故乳状液的稳定性较低 34 第二类是高分子有机物 如沥青 沥青质等 它们在内相颗粒界面形成较厚的 粘性和弹性较高的凝胶状界面膜 机械强度很高 使乳状液有较高的稳定性 第三类是粘土 砂粒和高熔点石蜡等固体乳化剂 由这类乳化剂构成的界面膜的机械强度很高 因而乳状液的稳定性也很高 由蜡晶粒作为固体乳化剂 因温度增高时蜡晶粒的溶解而使乳状液稳定性下降 2 乳化剂的类型和保护膜的性质 35 3 内相颗粒表面带电 内相颗粒界面上带有极性相同的电荷是乳状液稳定的重要原因 乳状液内相颗粒界面上力场的不平衡 会选择性地从外相介质中吸附阳离子或阴离子以降低界面张力 这样 内相颗粒界面上稍有同种电荷 而贴近颗粒的外相介质内则带有极性相反的电荷 36 处于内相颗粒界面上的分子电离 电离后的阳离子或阴离子分布到邻近颗粒的外相介质中去 由于内相颗粒在外相介质中的布朗运动 因摩擦而带电 3 内相颗粒表面带电 37 乳状液内相颗粒界面上和其邻近的介质中带有数量相等而符号相反的电荷 构成双电层 如下图所示 显然 全部内相颗粒界面上均带有同种电荷 由于静电斥力 内相颗粒难于碰撞 或碰撞后又迅即分开 因而小颗粒难于合并成大颗粒下沉 乳状液变得稳定 相比之下 内相颗粒界面带电对含水率低的原油乳状液稳定性的影响更为明显 3 内相颗粒表面带电 38 水滴相互作用示意图 a 水滴的双电层 b 两水滴的静电排斥 39 4 温度 乳状液温度对其稳定性有很大影响 随温度的增高 乳状液稳定性下降 乳状液的主要乳化剂一沥青质 胶质 石蜡等在原油中的溶解度增加 内相颗粒体积膨胀 使界面膜变薄 机械强度减弱 40 加剧了内相颗粒的布朗运动 增加了互相碰撞 合并成大颗粒的机率 油水体积膨胀系数不同 原油体积膨胀系数较大 使水和油的密度差增大 水滴易于在油相中下沉 降低了原油的粘度 水滴易于沉降 4 温度 41 由上述可知 对原油乳状液加热 能使乳状液稳定性降低 有利于原油脱水 但加热需要消耗燃料 将增加原油蒸发损耗 一般不希望把加热作为主要的脱水手段 在达到脱水要求的前提下 应尽可能对乳状液少加热或不加热 4 温度 42 5 水的pH值 水的pH值对原油乳状液的稳定性存在影响 一般 pH值增加 内相