Файл: Бабалян, Г. А. Физико-химические процессы в добыче нефти.pdf

А. В. Лыкова [67] и обширную монографию Д. А. Франк-Каменец­ кого [98] по вопросам диффузии в химической кинетике).

В основе всевозможных расчетов распределений концентрации диффундирующего вещества лежит экспериментальное определе­ ние его коэффициента диффузии. Число опубликованных работ по экспериментальному определению коэффициента диффузии поверх­ ностно-активных веществ весьма ограничено.

Поскольку многие гетерогенные процессы, где участвуют ПАВ, протекают по диффузионной кинетике, подробное изучение диффу­ зионных свойств ПАВ имеет большое теоретическое и практиче­ ское значение. Под диффузионными свойствами ПАВ будем под­ разумевать зависимость скорости диффузии от концентрации, тем­ пературы, минерализации среды, степени полпднсперсности веще­ ства и структуры молекул.

Сведения о диффузионных свойствах различных веществ необ­ ходимы для целенаправленного научно обоснованного синтеза их, подбора реагентов, установления оптимального технологического режима при их использовании для совершенствования различных процессов добычи нефти, бурения, переработки нефти и т. д.

2. УСТАНОВКА И /МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ДИФФУЗИИ

Приведенная на рис. 18 схема разработанной нами установки для измерения коэффициента диффузии [2] дает возможность изме­ рять смещение делений шкал без фотографирования, непосред­ ственно в процессе диффузии с помощью специально подобранной оптической системы. Диффузионный столбик в этом устройстве на­ ходится между двумя идентичными шкалами. Визуальное наблю­ дение за процессом диффузии позволяет правильно установить ин­ тервалы времени -для измерений.

Источник света 12 (см. рис. 18) — точечная лампа на 20 в и две линзы 11 с фокусным расстоянием F = 7,5 см создают параллель­ ный пучок лучей, который проходит через основную шкалу 7 типа окулярмикрометра (100 делений на 1 см) и через диффузионный сосуд (ячейку) 6. Для изготовления диффузионной ячейки 6 ис­ пользована кварцевая кювета толщиной 1,00 см со строго парал­ лельными стенками от спектрофотометра СФ-4. Вместо дна к кювете приклеен эпоксидной смолой капилляр, который имеет по­ степенное воронкообразное утолщение. Благодаря этому жидкость при переходе из капилляра в кварцевую кювету не испытывает особых возмущений, и граница раздела раствор — растворитель

сохраняется.

Термостатирующее устройство представляет собой воздушную камеру размерами 150ХІ50ХІ50 мм, окруженную со всех сторон двойными стенками (из органического стекла и медных пластинок) 5, между которыми циркулирует вода. В стенке термостата на пути луча устроены круглые окошечки 14 диаметром 22 мм.

Линза-объектив 4 измерительного устройства обеспечивает 11-

56

кратное увеличение. Оптическая система дает прямое (ие пере­ вернутое) изображение шкалы с общим увеличением в 14 раз.

За первой линзой окуляра 1 измерительного устройства уста­ новлена идентичная с основной контрольная шкала 2. Увеличение' основной 7 и контрольной 2 шкал подобрано так, что соответст­ вующие штрихи шкал точно совпадают между собой. Оптическое

Рис. 18. Схема установки для измерения коэффициента диффузии:

устройство снабжается микрометрическим устройством (лимбом) 16, которое дает возможность перемещать систему в вертикальном' направлении. При этом смещается контрольная шкала относитель­ но основной шкалы, что позволяет измерять относительное смеще­ ние-штрихов по лимбу 16 с точностью до 1—2 мк.

Перед измерениями нужно добиться совпадения контрольной' и основной шкал, включить термостат и установить постояннуютемпературу в нем. Контроль температуры осуществляется потермометру 9 с делениями через 0,02° С. После этого левый сосуд. 13 диффузионной ячейки заполняют исследуемым раствором, а 'ос­ новной сосуд 6 — дистиллированной водой и оставляют на 1 ч для установления постоянной равномерной температуры. На этом под­ готовка к измерениям заканчивается. Через 1 ч, не открывая крыш­ ки термостата, поворотом двухходового крана 8 дают стечь дистил­ лированной воде до середины диффузионного сосуда, т. е. до 50-го- деления шкалы.

При визуальном наблюдении в окуляр эта операция осущест­ вляется очень точно по сравнению с наблюдением по матовому стеклу в установке Ламма — Польсона, где увеличение не больше-

57

1,2 раза. После этого осторожно поворачивают кран на 180° и сое­ диняют диффузионный сосуд с сосудом, где имеется исследуемый оаствор. Момент первого контакта раствора с растворителем в уз­ ком капилляре отмечается как начало диффузионного процесса. Процесс подслаивания контролируется наблюдением в окуляр за движением уровня жидкости. При достижении максимумом гра­ диента концентрации 50-го деления шкалы кран осторожно закры­ вают.

Как отмечалось выше, выполнение начальных условий и соот­ ветствие опытных данных решению уравнения Фика в большей ча­ сти зависит от качества подслаивания. В установке Ламма — Польсона нет контрольной шкалы, и максимум градиента концентрации определяется только после расшифровки снимков. В связи с этим отсутствует идентичность заполнения ячейки, т. е. максимум кри­ вой никогда не совпадает с 50-м делением шкалы. Применение же контрольной шкалы с системой линз дает возможность установить с помощью крана воспроизводимую скорость заполнения и установ­ ления максимума градиента концентрации на 50-е деление с точ­ ностью до одного деления шкалы, т. е. до 100 мк. При медленном подслаивании в течение 20—30 мин можно получить достаточно четкую границу раздела раствор — растворитель.

После заполнения диффузионной ячейки первые и сотые деле­ ния контрольной и основной шкал должны совпадать соответст­ венно между собой,-так как за это время молекулы в процессе диф- ■фузии еще не успевают дойти до нижних и верхних делений. При разности показателей преломления раствора и растворителя 0,00450 максимальное смещение может составлять 400—500 мк. А смеще­ ния остальных делений шкал будут закономерно уменьшаться по мере приближения к делениям 100 и 1. В дальнейшем относитель­ ное смещение всех делений уменьшается тем быстрее, чем больше коэффициент диффузии вещества.

Через определенные промежутки времени измеряют относитель­ ные смещения делений шкал. Для этого удобно пользоваться мил­ лиметровой бумагой, предварительно наметив на ней деления шка­ лы. Поворотом микрометрического винта добиваются совпадения 50-х делений основной и контрольной шкал. Но при перемещении контрольной шкалы относительно основной имеется возможность •фиксировать совпадение и остальных делений. Для этого на мил­ лиметровой бумаге с предварительно нанесенными номерами деле­ ний шкалы, напротив соответствующего деления при каждом сов­ ладении записывают показания лимба микрометрического устрой­ ства. При соответствующих навыках в течение 1—2 мин можно успеть сделать 20—30 замеров, что достаточно для построения кривой диффузии.

После окончания измерений показания лимба для каждого де­ ления шкалы (они соответствуют относительным смещениям z) переводят в микроны. Затем строят график зависимости z от номе­ ра делений п.

.58

Расчет коэффициента диффузии проводят следующим образом. В описанном эксперименте мы имеем дело с градиентом показате­ ля преломления dti/dx. Для такого случая решение уравнения (2) приобретает вид [1]:

Максимальный градиент показателя преломления соответству­ ет границе раствор — растворитель, т. е. л‘=0:

ПпПі

(4)

2 У 2лDt ’

откуда получаем уравнение для вычисления коэффициента диф­ фузии D:

Градиент показателя преломления dnjdx связан со смещением г соотношением:

где б — фотографическое увеличение шкалы; а — толщина кюветы, т. е. геометрическая толщина слоя жидкости, в котором происхо­ дит диффузия; b — оптическое расстояние от шкалы до середины кюветы.

Расчет коэффициентов диффузии D по формуле (5) с учетом соотношения (6) значительно упрощается при пользовании опи­ санной установкой. Так, например, нет необходимости определять фотографическое увеличение б, и эта величина из расчетов выпа­ дает. Геометрическая толщина слоя жидкости подобрана равной единице, а оптическое расстояние от шкалы до середины кюветы

где «г—ti\.— разность показателей преломления, определяемая пре­

59