Кафедра физической и коллоидной химии
В.Я. БАРАНОВ, В.И. ФРОЛОВ
ПЕНЫ
ПОЛУЧЕНИЕ, СВОЙСТВА И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В НЕФТЕПРОМЫСЛОВОМ ДЕЛЕ
Методические указания
к лабораторному практикуму по курсу
«Физическая химия»
Москва, 2000 г.
УДК 541.18
Баранов В.Я., Фролов В.И.
Пены.Получение, свойства и их применение в нефтепромысловом деле: Метод. указ.: - М.: РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина, 2000 г. - с.
Методические указания содержат описание лабораторных работ по получению, свойствам пен и их применение в нефтепромысловом деле. Описаны методики определения устойчивости, кратности, времени жизни, взыешивающей способности пен.
Предназначены для работы студентов специальностей 2501, 2504 и 3207 в лабораторном практикуме по физической химии
Рецензент - В.А. Скобло, канд. хим. наук, проф. каф.физ. и коллоид. химии РГУ нефти и газа им.И.М. Губкина.
ã Государственный Университет нефти и газа им.
И.М. Губкина, 2000
Пена - низкодисперсная, высококонцентрированная система, где сравнительно крупные пузырьки газа(от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров) разделены тонкими жидкостными прослойками, которые в виде пленок образуют непрерывную фазу. Для получения пены в системе жидкость-газ необходимо присутствие третьего компонента-пенообразователя.
Различают слабые пенообразователи(пенообразователи I рода) - низкомолекулярные вещества(спирты, органические кислоты, амины, кетоны и др.), которые не образуют пен, обладающих заметным структурно-механическими свойствами: время жизни таких пен не превышает нескольких минут или секунд, и сильные пенообразователи(пенообразователи II рода) - высокомолекулярные вещества(ВМС) с малой поверхностной активностью(белки, сапонин, глюкозид, карбоксиметилцеллюлоза(КМЦ), этансульфатцеллюлоза(ЭСЦ), полиакриламид, крахмал), но образующие механически прочные гелеподобные пленки, сдерживающих истечение межпленочной жидкости. Устойчивость таких пен определяется часами даже сутками.
Для повышения устойчивости пен к раствору пенообразователя добавляют специальные стабилизаторы, роль которых могут выполнять ВМС и другие вещества. В нефтепромысловой практике в качестве стабилизаторов используют карбоксиметилцеллюлозу(КМЦ), этансульфатцеллюлозу(ЭСЦ), полиакриламид и другие вещества. Такие стабилизаторы образуют на поверхности пузырьков коллоидные пленки с высокими структуно-механическими свойствами, что повышает устойчивость пен.
При избытке газовой фазы отдельные пузырьки газа слипаются и теряют сферическую форму, превращаясь в полиэдрические ячейки, стенки которых состоят из довольно тонких пленок дисперсной среды. Такая структура называется ячеистой или сотообразной.
На рис.1 показано:
а) образование единичного пузырька газа в жидкости и на поверхности);
б) образование единичного пузырька газа на воздухе
в) схема строения пузырька ячеистой пены.
 |  | ||||
 | |||||
а) б)
Рис.1. Строение пены в)
Часто возникает необходимость разрушать пену или предотвращать ее образование. Для этой цели применяют противопенные или пеногасящие вещества. Эти вещества обладают высокой поверхностной активностью, вытесняют пенообразователь с поверхности жидкости, но сами не делают стойкой пены. К таким веществам относятся циклогексанол, амиловый и октиловые спирты, а также смеси высших жирных спиртов, получающихся, как побочные продукты в синтезе метанола.
Пены могут быть 2-х и 3-х фазными. Трехфазная пена стабилизируется за счет прилипания к пузырькам воздуха твердых частичек и в результате образуются в узлах между пузырьками «пробки», замедляющие стекание жидкости в пене, что затрудняет дальнейшее утончение прослоек воды(рис.2а и 2б).
Устойчивость 2-х и 3-х фазных пен в значительной степени зависит от размеров их пузырьков. Помимо природы и концентрации пенообразователя и стабилизатора, на устойчивость пен влияют температура, вязкость раствора, примсутствие электролитов и рН жидкой фазы.
Физико-химические свойства пены
1. Плотность пены( r) - отношение массы пены к занимаемому ею объему.
r = m / V
где r - плотность пены, г/cм3; m - масса пены, г; V - объем пены, cм3.
2. Кратность пены( К) - отношение объема пены к объему жидкости полученной после гашения пены или обратная величина плотности пены.
К = Vп / Vж = 1 / r
где Vп - объем пены, cм3; Vж - объем жидкости, cм3
3. Время жизни пены( U ). Определяется по количеству жидкости, выделившейся за время t (сек) или скоростью выделения жидкости из пены. Если для пенообразования взять 50 см3 жидкости, то за среднюю скорость выделения жидкости берут время выделения 25 см3 жидкости.
U = Vж / t
4. Стабильность пены - величина обратная скорости выделения жидкости или определяется временем разрушения пены до появления поверхности жидкости свободной от пузырьков.
5. Время жизни элементарной пены.