6.2. Феноменологическое описание фазовых переходов в нефтяных системах

В большинстве случаев образование УДС является результатом протекания фазовых переходов. Особенности строения элементов внутренней организации УДС и их изменения в процессе фазовых переходов являются предметом рассмотрения в данном параграфе.

6.2.1. Фаза и межфазный слой

Фазой называется однородная часть системы с тождественным химическим составом, одинаковыми физическими и термодинамическими свойствами, отделенная от других частей межфазной поверхностью, при переходе через которую свойства изменяются скачкообразно. Между свойствами и параметрами термодинамической системы имеется определенная зависимость, или, другими словами, состояние системы строго определяется совокупностью ее термодинамических параметров (р, V, Т).

Межфазный слой, как реальный объект, состоит из элементов структуры дисперсной фазы и характеризуется высотой Н.

Процесс фазообразования в нефтяных системах можно расчленить на следующие три стадии.

1 стадия: образование дозародышей, имеющих докритические размеры (при этом в системе фазообразование не происходит, так как возникающие вследствие флуктуации дозародыши термодинамически неустойчивы и распадаются в исходной фазе).

2 стадия: формирование зародышей критических размеров, находящихся в неустойчивом равновесии с исходной фазой, по гомогенному или гетерогенному механизму.

3 стадия: самопроизвольный рост критических зародышей, который приводит к развитию фазообразования во всем объеме нефтяной системы.

Третья стадия характеризуется агрегативной и кинетической неустойчивостью двухфазной системы, в которой начинается:

– перемещение дозародышей или структурных единиц (слой А, рис. 6),

– переходом путем седиментации структурных единиц в развитый межфазный слой (В),

– коалесценцией — разрушением структурных единиц и формированием фазы с минимальной межфазной поверхностью (слой С).

Рис.6. Стадии фазового перехода в нефтяной системе

Работа формирования зародышей критических размеров по гетерогенному (A_гет) и гомогенному механизмам (A_гом) связана соотношением:

A_гет = k·A_гом.

Коэффициент К зависит от краевого угла смачивания и может изменяться от 1 до 0.

При хорошем смачивании поверхности посторонних включений работа образования новой фазы будет снижаться и составлять только часть работы формирования зародышей по гомогенному механизму.

Независимо от механизма фазообразования поведение сформировавшихся гетерогенных систем определяется в дальнейшем соотношением сил тяжести возникших дисперсных частиц и противодействием движению возникающих сил вязкого сопротивления, определяемых законом Стокса

Р = 6πηrυ,

где η — вязкость дисперсионной среды; r — радиус частицы; υ — скорость движения.

В случае очень вязких сред возникает ситуация, когда образовавшиеся частицы фиксируются во всем объеме дисперсионной среды в строго определенном положении. Характерной особенностью такой ситуации является постоянная частичная концентрация неоднородностей в объеме дисперсионной среды. Хотя в этой стадии неоднородности имеют некоторые возможности для роста своих размеров, но они не могут преодолеть сил сопротивления среды и в ней зависают — «замораживаются». Так формируются материалы, имеющие важное значение в промышленности (коксы, сажи, адсорбенты, нефтеносные породы), различные вяжущие и пластичные нефтепродукты (битумы, пеки, пластичные смазки, профилактические средства на нефтяной ос­нове и др.).

Первая стадия (см. стр.4) формирования гетерогенной системы уже влияет на ее физико-химические свойства:

– появляется структурно-механическая прочность,

– происходит перераспределение углеводородов,

– возникают каталитические эффекты и др.

На второй стадии (см. стр.5) фазовые переходы в гетерогенной системе полностью еще не происходят, она находится в состоянии, устойчивом против расслоения. Изменением внешних воздействий можно создать условия, при которых частицы в поле силы тяжести начнут перемещаться в дисперсионной среде (пузырьки в жидкости, ассоциаты в жидкости). На второй кинетической стадии в гетерогенной системе создаются новые условия, изменяющие принципиально ее поведение, в системе реализуются процессы расслоения (фазового разделения).

На третьей стадии (см. стр.5) после установления равенства сил тяжести зародышей с силой вязкого сопротивления дисперсионной среды происходит равноускоренное движение с постоянной скоростью (кинетическая стадия)

υ = 2r²g(d_дф — d_дс)/(9η),

где r — радиус зародыша новой фазы; g — ускорение свободного падения; d_дф, d_дс — соответственно плотности частиц дисперсной фазы и дисперсионной среды.

В зависимости от знака перед (d_дф — d_дс) будет либо оседание (+), либо всплывание (—) частиц дисперсной фазы. Поскольку реальные системы полидисперсны, то частички дисперсной фазы (зародыши) с различными радиусами будут всплывать или оседать в течение неодинакового времени. Всплывание или оседание частиц дисперсной фазы приводит к изменениям дисперсности УДС, вплоть до полного разделения макрофаз. Граница (поверхность), отделяющая исходную и новую фазы, называется межфазной поверхностью (межфазным слоем).

Кинетические стадии перемещений зародышей в нефтяной системе (например, процесс перегонки) могут быть представлены в виде следующей последовательности:

,

где k₁ и k₂ — скорости формирования и разрушения структурных единиц в слое A и на границе слоев В и С соответственно (см. рис.6).

Из этой схемы видно, что, изменяя значения k₁ (например, увеличивая) и k₂ (уменьшая), представляется возможным регулировать (например, увеличивать) высоту межфазного слоя В. Регулирование значений k₁ и k₂ может быть достигнуто в результате изменения баланса сил межмолекулярного взаимодействия в элементе структуры дисперсной фазы и дисперсионной среде.

Обозначим силы, действующие в слое А и приводящие к формированию элемента структуры дисперсной фазы, через Р—Ж (разность сил отталкивания и притяжения), а в слое С — через С_ммв. Существование межфазного слоя В обеспечивается разностью сил С_ММВ—Р + Ж.