12202

12202

پيش بيني ترموديناميكي پايداري امولسيون قطرات با قطبيت بالا در محلول ها با نگرش خاص به امولسيون آب در نفت

دكتري

شيمي

ارديبهشت 1392

ارديبهشت 1392

دكتر فرزانه فيضي

چكيده در بسياري از كاربردهاي صنعتي، مشخص سازي مرز پايداري امولسيون¬ها از اهميت ويژه¬اي برخوردار است. فرايند آب¬زدايي از نفت خام، يكي از نمونه¬هاي با اهميت اين حوزه است كه طي آن با اعمال ميدان الكتريكي، قطره¬هاي پراكنده در فاز امولسيون از نفت جدا مي-شوند. در اين رساله پس از بررسي نتايج تحقيقات موجود در موضوع پايداري امولسيون¬ها تلاش شده است كه بر مبناي روابط ترموديناميكي، مدلي براي پيش¬بيني رفتار فازي امولسيون¬ها، به ويژه امولسيون آب در نفت، توسعه داده شود. در اين راستا، با تعريف بخش¬هاي مختلف جاذبه و دافعه، پتانسيل برهم¬كنش دوتايي بين قطره¬ها در حالت¬هاي مختلف مشخص شد. با توجه به عدم وجود رابطه¬اي صريح براي محاسبه¬ي پتانسيل دوقطبي بين ذرات ماكروسكوپي، بر اساس نتايج به دست آمده از انتگرال¬گيري عددي رابطه¬ي متوسط¬گيري زاويه¬اي پتانسيل دوقطبي، معادله¬ي جديدي بر مبناي رابطه¬ي كيسام ارايه شده است كه در مقايسه با رابطه¬ي به دست آمده از فرض دوقطبي نقطه¬اي، انحراف 40 درصدي را تصحيح مي¬كند. با استفاده از مدل كرات نرم و تئوري اغتشاشي مرتبه يكم باركر- هندرسون، فشار و پتانسيل شيميايي قطره¬هاي آب در دو فاز پراكنده در امولسيون و جدا شده از آن محاسبه شده¬اند و با تعريف الگوريتم حل مناسب براي تساوي اين توابع، نقاط تعادلي در شرايط مختلف به دست آورده شده¬اند. مدل-سازي در سه مرحله¬ي اصلي و با فرض¬هاي وجود قطره¬هاي هم¬اندازه و بدون تغيير شكل، قطره¬هاي هم¬اندازه با امكان تغيير شكل و قطره¬هاي غيرهم¬اندازه صورت گرفته است تا در هر گام يكي از محدوديت¬هاي مدل كنار گذاشته شود. نتايج حاصل از اين تحقيق نشان¬دهنده¬ي افزايش جزء حجمي آب در امولسيون اشباع از آب در اثر بالا رفتن دماي كاركرد است. به علاوه نشان داده شده است كه با اعمال ميدان الكتريكي، در بيشتر موارد با گذر از يك مقدار مشخص، منحني فازي امولسيون اشباع از آب به سرعت به سمت صفر ميل مي¬كند. موضوعي كه مي¬تواند از لحاظ صنعتي براي تعيين حداقل ميدان مورد نياز جذاب باشد. در مرحله بعد حضور نمك¬هاي معدني در آب نيز مورد بررسي قرار گرفته و نتايج به دست آمده نشان داده است كه به دليل كاهش تراوايي الكتريكي ، حضور نمك كلريد سديم در قطره¬هاي آب منجر به افزايش ميدان مورد نياز براي شكستن امولسيون تا حد %8 شده است. با توجه به نتايج به دست آمده، پديده¬ي تغيير شكل قطره¬ها هنگام فرايند ائتلاف بايد براي تعادل قطره¬هاي كوچك (با قطر كمتر از يك ميكرون) در نظر گرفته شود. اين پديده موجب افزايش جزء حجمي اشباع آب در فاز امولسيون و مقاومت بيشتر امولسيون در برابر ميدان الكتريكي تا حد %14 براي قطره¬هاي 400 نانومتري مي¬شود. در مورد همين قطره¬ها با فرض ثابت بودن اندازه، كاهش كشش بين سطحي قطره¬ي آب/نفت موجب پايداري بيشتر امولسيون در محدوده¬ي 3 تا 22 درصد براي كاهش كشش سطحي از 5 به 1 ميلي¬نيوتن بر متر مي¬گردد. نتايج به دست آمده از مدل با داده¬هاي تجربي موجود در مراجع مقايسه شده است و عملكرد مدل در بازتوليد اين داده¬ها رضايتبخش به نظر مي¬رسد. در مورد قطره¬هاي غير¬هم¬اندازه در بسياري از موارد تعادل قطره¬ي بزرگتر تعيين¬كننده¬ي منحني اشباع امولسيون تشخيص داده شده است؛ هرچند كه در بعضي از موارد، در مقادير كم ميدان قطره¬هاي كوچكتر تعيين كننده¬ي تعادل هستند و با افزايش ميدان، پس از گذر از محل تقاطع منحني¬هاي مربوط به هر اندازه از قطره، تعادل به منحني قطره¬هاي بزرگتر جابجا مي¬شود. در مجموع بر مبناي روابط ترموديناميكي مدلي ارايه شده است كه برخلاف بسياري از مدل¬هاي سينتيكي توانايي پيش¬بيني رفتار فازي امولسيون در شرايط مختلف را داراست. واژگان كليدي: امولسيون آب در نفت، مدل ترموديناميكي، برهم¬كنش دوقطبي، كرات نرم، تئوري اغتشاشي باركر- هندرسون، نمودار فازي