А. Разрушение эмульсий в переменном электрическом поле

Рассмотрим поведение взвешенных в нефти водяных капелек, образующих эмульсию и находящихся в переменном электрическом поле. Если безводную нефть поместить между двумя плоскими электродами, находящимися под высоким напряжением, то возникает однородное электрическое поле, силовые линии которого параллельны друг другу (рис. 9, а). Если же в нефти присутствуют водяные капельки (эмульсия), то однородность поля нарушается (рис. 9, б). При этом на поверхности водяной капельки под действием внешнего электрического поля индуцируются два равных по величине и противоположных по знаку электрических заряда (капелька поляризуется), в основном за счет разделения противоположно заряженных ионов.

Индуцированные заряды располагаются на поверхности капельки таким образом, что положительные заряды находятся на той стороне капельки, которая обращена к отрицательному электроду, а отрицательные заряды — на противоположной стороне. Необходимо помнить, что, когда мы говорим о положительном или отрицательном электроде, имеется ввиду знак заряда электрода в данный момент времени, так как в действительности знак заряда электрода меняется во времени с частотой переменного напряжения, приложенного к электродам.

Рис.9

В результате кулоновского взаимодействия индуцированных зарядов с внешним электрическим полем капелька вытягивается в направлении поля, превращаясь в эллипсоид вращения. При этом, если электрическое поле является переменным (промышленная частота равна 50 герц), направленное движение капельки к одному из электродов невозможно, даже если учесть некоторый избыточный заряд какого-либо знака (зависит от природы компонентов эмульсии).

Две смежные капельки, находящиеся на одной силовой линии (рис.9,б), вследствие близости их концов с разной полярностью зарядов взаимно притягиваются и еще более вытягиваются. Причем, вследствие вытягивания и соответствующего уменьшения расстояния между ними, напряженность местного электрического поля растет. При этом, как показывают расчеты, величина напряженности электрического поля между капельками оказывается намного больше напряженности внешнего электрического поля и при достаточном сближении капелек не исключена возможность местного электрического пробоя между капельками, а это способствует разрушению адсорбционной оболочки эмульгатора и слиянию капелек.

Сила взаимного притяжения капелек, представляющих собой диполи, определяется уравнением:

F = kE²r⁶/d⁴, (10)

где к — коэффициент пропорциональности,

Е — напряженность электрического поля между капельками,

r — радиус капельки,

d — расстояние между центрами капелек.

Из этого уравнения видно, что если расстояние между капельками будет уменьшаться, например, по линейному закону, то сила притяжения капелек будет увеличиваться пропорционально 4-й степени и при незначительных расстояниях может стать настолько большой, что оболочки эмульгатора, разделяющие капельки, сдавливаются и разрушаются, а капельки сливаются в более крупные. Например, в высокодисперсной 5%-ной эмульсии капельки воды в среднем находятся на расстоянии двух диаметров друг от друга и процесс их слияния под действием электрического поля протекает очень быстро.

К недостаткам метода разрушения эмульсий в переменном однородном электрическом поле следует отнести невозможность полного отделения водной фазы от нефтяной. Действительно, с увеличением расстояния между капельками (например, в ходе процесса деэмуль-сации) напряженность электрического поля и сила взаимодействия между остающимися капельками быстро убывают. При малом содержании воды в нефти коалесценция продолжается только вследствие случайных сближений капелек, имеющих место при турбулентном движении жидкости. При содержании в эмульсии 1% диспергированной воды среднее расстояние между капельками равно примерно четырем их диаметрам, а силы дипольного притяжения по сравнению с аналогичными силами в 5%-ной эмульсии в 16 раз меньше. Если содержание воды в нефти будет равно 0,1%, то расстояния между капельками в среднем будут равны их восьми диаметрам и диполь-ные силы меньше в 256 раз, чем в 5%-ной эмульсии, то есть практически никакого слияния без принудительного перемешивания происходить не будет.

Однако оказывается, что переменное электрическое поле невысокой частоты (например, промышленной частоты 50 герц) может способствовать перемешиванию. Для не сильно обводненных эмульсий целесообразно применять неоднородное электрическое поле. В таком поле капельки воды, имеющие большую диэлектрическую постоянную, чем нефть, увлекаются в зону с большей напряженностью электрического поля. Таким образом, в областях большей напряженности поля концентрация капель воды повышается, вследствие чего растет частота их столкновений и вероятность слияния. Поэтому путем комбинирования однородного и неоднородного электрических полей можно проводить достаточно глубокое обезвоживание эмульсий типа В/М.

Дипольное взаимодействие капелек можно усилить, увеличив напряженность внешнего электрического поля. Однако при этом будет наблюдаться электрическое диспергирование капелек. Капельки воды, вытягиваясь под влиянием сил дипольного притяжения, удлиняются, в результате чего обволакивающие их пленки, адсорбированные на границе раздела фаз, натягиваются и на вытянутых концах капелек лопаются. Разрыв пленок иногда сопровождается выбросом облака мельчайших водяных частичек, которые разбрызгиваются вокруг места разрыва.

Этот процесс усиливается с повышением напряженности электрического поля и увеличением размеров капель, то есть для каждого данного размера капель существует своя критическая напряженность электрического поля, при которой капельки данного размера (и большего) диспергируют. Диспергирование капельки прекращается, когда ее размеры становятся такими, для которых данная напряженность электрического поля не является критической. Явление электрического диспергирования весьма нежелательно, так как образующиеся высокодисперсные капельки очень трудно удаляются из нефти.

Дата добавления: 2015-12-07