Экспериментальное определение вязкости обратной эмульсии типа «вода в масле» от содержания воды на ротационном вискозиметре

В статье исследуются реологические свойства модельных эмульсий с точки зрения прогнозирования результирующих свойств образующихся систем в результате производства.

Ключевые слова: эмульсия, вязкость, реология, вискозиметр.

Эмульсия часто образуются при добыче углеводородов, когда при подъеме на поверхность происходит смешивание нефти и воды в турбулентном потоке. Образование подобных дисперсных систем может вызывать некоторые проблемы в транспортировке и производстве нефтепродуктов. Сложность и многокомпонентность углеводородов приводит к тому, что образующиеся системы сильно отличаются по своим свойствам. Представляется актуальной задача — исследование модельных систем с простым химическим составом.

В эксперименте объектом исследования являлась обратная эмульсия, то есть «вода в масле», где дисперсионной средой являлось вазелиновое масло, а дисперсионной фазой — вода. Эмульсии были приготовлена путем добавления в смесь вазелинового масла с эмульгатором SPAN 80 (сорбитан моноолеат) покапельно воды и последующего перемешивания с помощью верхнеприводной мешалки. В эксперименте исследовались дисперсные системы с массовыми концентрациями в диапазоне от 5 до 50 %. Реологические характеристики определялись на ротационном вискозиметре Brookfield DV-II+Pro, работающего по системе CR (контролируемая скорость деформации сдвига). Существенным преимуществом вискозиметра является малый объем, необходимый для проведения эксперимента — 0,5 мл. Все исследования производилось при комнатной температуре — 20°C.

На рисунке 1 представлены кривые течения — зависимости измеренного напряжения сдвига от приложенной скорости деформации сдвига для эмульсий с различной массовой концентрацией.

Рис. 1. График сравнения зависимостей напряжений сдвига от скорости деформации сдвига для эмульсий с концентрациями дисперсной фазы 5, 10, 30, 40 %

Полученные кривые аппроксимировались в рамках трех реологических моделей: Ньютона (1), Освальда-де Ваале (2) и Бингама-Шведова (3).

(2)

(3)

Здесь τ — напряжение сдвига, Па; — скорость деформации сдвига, с ^-1 ; µ — динамический коэффициент вязкости, Па*с; K — индекс констистентности, n — показатель неньютоновского поведения, Па*с ⁿ ; τ ₀ — предельное напряжение сдвига, Па; µ _pl — пластическая вязкость, Па*с. Было выявлено, что степенная модель Освальда-де Ваале не описывает полученные данные. Ньютоновская модель хорошо аппроксимирует результаты экспериментальных исследований до концентраций 40 %. Но нарушается естественное требование повышения вязкости эмульсии с увеличением концентрации дисперсной фазы. В качестве основной модели была принята жидкость Бингама-Шведова, которая удовлетворительно описывает экспериментальные данные. Пример для 30 % эмульсии показан на рисунке 2.

Рис. 2. График зависимости напряжений сдвига от скорости сдвига для эмульсии при 30 % концентрации воды

Зависимость пластической вязкости от концентрации дисперсной фазы в эмульсии, показана на рисунке 3 (концентрации 0 соответствует вязкость вазелинового масла).

Рис. 3. Зависимость пластической вязкости эмульсии от концентрации дисперсной фазы

При концентрации дисперсной фазы — 50 % наблюдается немонотанная зависимость напряжения сдвига от скорости деформации сдвига (рисунок 4).

Рис. 4. График зависимости напряжения сдвига от скорости сдвига для эмульсии с концентрацией дисперсной фазы — 50 %

Поведение таких систем до конца не изучено, но имеется научная литература, в которой представлены математические модели подобных систем [1].

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

Модельные обратные эмульсии на основе вазелинового масла, эмульгатора SPAN 80 и воды в диапазоне концентраций дисперсной фазы до 40 % удовлетворительно описываются моделью Бингама-Шведова.

При высоких концентрациях дисперсной фазы наблюдается немонотонная зависимость напряжения сдвига от скорости деформации сдвига, что связано со сложными процессами структуробразования.

1. Худяев С. И. Пороговые явления в нелинейных уравнениях. — М.:ФИЗМАТЛИТ, 2003–272с.