【摘要】：乳狀液是膠體化學(xué)中應(yīng)用較為廣泛的體系之一,因此有關(guān)乳狀液理論的研究一直是人們很感興趣的課題。石油乳狀液高效破乳是油田開(kāi)采、煉廠脫鹽脫水的重要生產(chǎn)環(huán)節(jié)。由于乳化和破乳過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜過(guò)程,通常同時(shí)伴隨著諸如絮凝、聚結(jié)、多重乳狀液的形成及相變等過(guò)程,需要非常專業(yè)而復(fù)雜的技術(shù)和儀器來(lái)對(duì)其跟蹤和監(jiān)視,加之這一變化過(guò)程本身進(jìn)行得很快,因此,這方面的科學(xué)研究進(jìn)展相對(duì)較慢。不論是宏觀性質(zhì),還是各種微觀現(xiàn)象都需要進(jìn)一步地理解和認(rèn)識(shí)。計(jì)算機(jī)模擬方法可以有效彌補(bǔ)實(shí)驗(yàn)研究的不足,其不僅能夠清晰直接地觀察到各物質(zhì)的構(gòu)象排列,在分子或介觀水平上獲取體系中各分子的微觀作用機(jī)制,而且可對(duì)體系的動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤和記錄,從而獲得其動(dòng)態(tài)性質(zhì)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律。通常破乳的微觀過(guò)程分為三步:破乳劑從體相擴(kuò)散到界面,破乳劑在界面吸附頂替,液滴聚集聚并。本文以簡(jiǎn)單高效的耗散粒子動(dòng)力學(xué)模擬(DPD)為研究方法,以不同支鏈長(zhǎng)度、不同支鏈數(shù)、不同EO/PO比例的嵌段聚醚為研究對(duì)象,通過(guò)計(jì)算界面體系中基團(tuán)濃度分布、界面吸附形貌等探究了嵌段聚醚分子的頂替行為,通過(guò)計(jì)算乳液體系中聚醚分子的擴(kuò)散速率、聚集與聚并速率等動(dòng)力學(xué)參數(shù)考察聚醚分子的破乳性能,同時(shí)對(duì)聚醚分子破乳的微觀動(dòng)態(tài)演化過(guò)程進(jìn)行跟蹤記錄。研究表明,在不同支鏈長(zhǎng)度的嵌段聚醚(D5a、D5b、D5c:長(zhǎng)度依次增加)體系組中,基團(tuán)濃度分布函數(shù)對(duì)界面物質(zhì)的定量描述明確了各物質(zhì)與水分子間相互作用大小的順序,表明EO基團(tuán)與水分子的相互作用比瀝青質(zhì)分子強(qiáng),說(shuō)明聚醚中EO基團(tuán)對(duì)油水界面處瀝青質(zhì)分子的頂替行為。隨著支鏈長(zhǎng)度的增加,聚醚分子在油水界面的吸附模式分別為“貼片式”吸附、“水母式”吸附和“海帶式”吸附,后兩者吸附模式占據(jù)的界面空間較大,說(shuō)明對(duì)界面分子的排擠效果更好。通過(guò)頂替行為與排擠作用的結(jié)合,獲得了聚醚分子在油水界面頂替效率的順序:D5aD5c≈D5b。在破乳過(guò)程中,由于蓬松的吸附模式,D5b與D5c聚醚分子聚集液滴的效率較高,且皆優(yōu)于D5a分子,而D5c分子因過(guò)長(zhǎng)的鏈可同時(shí)穩(wěn)定吸附于兩液滴界面,在一定程度上減緩了分子的擴(kuò)散和液滴的聚并,故聚并速率常數(shù)相對(duì)大小為:D5aD5cD5b。綜上而言,在本文模擬體系尺度下,中等長(zhǎng)度的D5b聚醚分子的破乳效率最優(yōu)。采用同樣的方法分析得出在不同支鏈數(shù)嵌段聚醚(D1、D5、D9:分別表示直鏈、5支鏈、9支鏈)體系組中,D5與D9聚醚分子的界面頂替效率比D1高,而前兩者效率相差不大。在破乳過(guò)程中,雖“水母式”吸附模式下D9分子聚集液滴的能力較優(yōu),但較大的分子體積使得D9分子的擴(kuò)散速率不如D5分子快,因此聚并速率常數(shù)大小順序?yàn)?D1D9 ≈ D5。綜合而言D5聚醚分子的破乳性能最優(yōu)。而對(duì)于不同嵌段比例聚醚(D5(1/3)、D5(3/1))體系組,D5(1/3)的界面頂替效率比D5(3/1)高,加之后者略為緊密的吸附模式使其擴(kuò)散速率較低,因此D5(1/3)分子的聚并速率常數(shù)高于D5(3/1)分子。綜合比較,D5(1/3)聚醚分子的破乳性能略優(yōu)于D5(3/1)聚醚分子。通過(guò)對(duì)聚醚分子破乳演化過(guò)程的跟蹤記錄,首次清晰而具體地揭示了在乳液體系中均可能存在的兩種微觀聚并機(jī)理。情形為兩液滴由瀝青質(zhì)聚集體“啞鈴狀”模式相連接時(shí):聚醚分子吸附至連接兩液滴的瀝青質(zhì)聚集體附近,通過(guò)分子中EO基團(tuán)與瀝青質(zhì)雜原子基團(tuán)的相互作用破壞瀝青質(zhì)聚集體的規(guī)整排列,讓其失穩(wěn)而聚并;情形為體系液滴分散不相連時(shí):吸附于液滴表面的聚醚分子的某端或多條支鏈游離于油相,游離部分的EO鏈段趁機(jī)吸附其他液滴表面的瀝青質(zhì)雜原子基團(tuán)或空隙處的水分子,進(jìn)而在液滴間進(jìn)行充分重排吸附,使兩液滴足夠靠近而聚并。以上對(duì)聚醚分子各性能規(guī)律及破乳過(guò)程的分析結(jié)果可為破乳劑分子結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供參考。
【學(xué)位授予單位】：西南石油大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TE39

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2738239