Lab4

МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Инженерная школа природных ресурсов

Направление 21.03.01 Нефтегазовое дело

Отделение нефтегазового дела

Специализация – Разработка и эксплуатация нефтяных и газовых месторождений

ОТЧЕТ

по лабораторной работе № 4

Поверхностное натяжение

Вариант - 5

по дисциплине: Химия нефти и газа

Студент,

группы О-2Б11 В.Д. Бочкарев

(подпись, дата)

Преподаватель

к.т.н., доцент ОНД ИШПР С.Н. Джалилова

_______________

оценка

Томск – 2023

Цель работы: определение поверхностного натяжения нефти. Изучение различных методов определения поверхностного натяжения. Зависимость значений поверхностного натяжения от температуры и давления.

Теоретическая часть.

Сила, действующая по касательной к границе раздела двух фаз, удерживающая поверхностный слой молекул в растянутом состоянии, отнесенная к единице длины контура, ограничивающего рассматриваемую поверхность, называется поверхностным натяжением σ. Поверхностное натяжение имеет размерность силы и в системе СИ измеряется в Н/м.

Молекулы на поверхности, не полностью реализуя свою способность к взаимодействию, обладают избытком энергии. При образовании новой поверхности необходимо совершить работу по созданию этой избыточной энергии. Для единицы площади поверхности она равна удельной свободной поверхностной энергии, которая имеет размерность энергии на единицу площади и измеряется в системе СИ в Дж/м². Таким образом, величины свободной энергии и поверхностного натяжения имеют совпадающие размерности: Дж/м2 = Н·м/м2 = Н/м и близкие или совпадающие численные значения. Поэтому они равнозначны, а граничные свойства фаз принято характеризовать с помощью поверхностного натяжения σ, которое чаще выражают в единицах энергии.

Величина поверхностного натяжения колеблется в широких пределах. Это объясняется тем, что степень различия в напряженности межмолекулярных сил, действующих в соприкасающихся фазах, т. е. степень различия полярности соприкасающихся фаз, в разных системах различна. Полярностью жидкости принято называть интенсивность поля молекулярных сил.

Внутреннее давление жидкости – это следствие межмолекулярного взаимодействия. Чем полярнее вещество, тем силы взаимодействия молекул выше и тем больше поверхностное натяжение системы. С ростом полярности жидкости, а, следовательно, и с ростом ее молекулярного давления, степень ассоциации ее и диэлектрическая постоянная возрастают, а сжимаемость – уменьшается. Чем больше отличаются друг от друга по полярности соприкасающиеся фазы, тем больше поверхностное натяжение на их границе раздела. При равной полярности двух соприкасающихся фаз поверхностное натяжение их становится равным нулю, и граница раздела отсутствует – происходит полное взаимное растворение обеих фаз. С уменьшением взаимной растворимости соприкасающихся фаз поверхностное натяжение увеличивается.

С увеличением температуры значение σ уменьшается. Объясняется это тем, что межмолекулярные силы ослабевают с увеличением среднего расстояния между молекулами. Экспериментальные данные по измерению σ при различных Т показывают, что σ вдали от критической точки Tкр уменьшается линейно с ростом Т. Критическая температура (Ткр) – температура, при которой исчезает различие между жидким и газообразным состоянием вещества, т. е. наибольшая температура, при которой возможно существование жидкости в состоянии равновесия с паром. При критической температуре вещество переходит в критическое состояние, в котором две различные фазы вещества становятся тождественны по всем свойствам. Выше критической температуры газ или образовавшийся пар не могут быть сжижены ни под каким давлением.

Так как с повышением давления взаимная растворимость газа и жидкости повышается, то поверхностное натяжение жидкости на границе с газом с повышением давления понижается.

Иначе обстоит дело с поверхностным натяжением на границе двух жидкостей. Например, поверхностное натяжение туймазинской дегазированной нефти на границе с водой не зависит от давления. Интересно отметить, что, при атмосферном давлении на границе с водой – поверхностное натяжение дегазированной туймазинской нефти не зависит от температуры. Это указывает на что, что хотя межмолекулярные силы у каждой из жидкостей с повышением температуры ослабевают, соотношение их при этом может оставаться постоянным. Поэтому, как при изменении температуры, так и при изменении давления, поверхностное натяжение нефти на границе с водой при известных условиях может остаться неизменным.

С увеличением количества растворенного газа в нефти поверхностное натяжение ее на границе с газом будет понижаться. То же самое будет происходить с водой, но в значительно меньшей степени, так как растворимость углеводородных газов при прочих равных условиях в воде меньше, чем в нефти. Различают поверхностное натяжение статическое, отвечающее состоянию равновесия, и динамическое, полученное в некоторый момент времени, когда система не пришла еще в равновесное состояние. Динамическое поверхностное натяжение жидкостей всегда больше статического.

Разгазирование нефтей следует рассматривать как процесс кипения, при котором отдельные компоненты (молекулы растворенных газов), обладающие наибольшей кинетической энергией, преодолевают некоторый активационный барьер (силы молекулярного притяжения) и выходят из объема нефти через поверхностный слой в газообразную фазу. Чем легче нефти подвергаются процессу разгазирования, тем меньшим поверхностным натяжением они обладают на границе с газом. Чем выше растворимость газа в нефти, тем более заметно влияние повышения давления насыщения на степень снижения поверхностного натяжения нефтей.

Методы определения поверхностного натяжения делятся на статические и динамические. В статических методах поверхностное натяжение определяется у сформировавшейся поверхности, находящейся в равновесии. Динамические методы связаны с разрушением поверхностного слоя.

Статические методы:

• метод капиллярного поднятия;

• метод Вильгельми;

• метод лежачей капли;

• метод определения по форме висячей капли.

Динамические методы:

• метод Дю Нуи (метод отрыва кольца);

• сталагмометрический или метод счета капель;

• метод максимального давления пузырька (по Ребиндеру).

• метод осциллирующей струи;

• метод стоячих волн.

Расчетная часть

Задача 1. Решить типовую задачу используя исходные данные из таблицы в прикрепленном файле.

Решение.

Таблица 1 – Исходные данные.

Фазы	Компонентный состав, мольн.доли													Плотность, кг/м3			Молекулярная масса, кг/кмоль
	С1	С2	С3	i-С4	n-С4	i-С5	n-С5	С6	С7	С8	С9	С10	П		Ж	П		Ж
Пар	0,8865	0,0212	0,0894	0,0002	0,0014	0,0006	0,0001	0,0002	0,0003	0,0001	0	0	42,5		625,23	19,0		66,01
Жид	0,219	0,026	0,362	0,002	0,019	0,019	0,006	0,025	0,046	0,069	0,092	0,115

Таблица 2 – Результаты вычислений

Компонент	Пi	xi	xiρж*103	yi	yiρп*103	(xiρж-yiρп)*103	П*(xiρж-yiρп)
С1	77	0,219	2,074	0,8865	1,986	0,088	0,0068
С2	108	0,026	0,246	0,0212	0,047	0,199	0,0215
С3	150	0,362	3,428	0,0894	0,200	3,228	0,4842
i-С4	181,5	0,002	0,019	0,0002	0,000	0,018	0,0034
n-С4	189,5	0,019	0,180	0,0014	0,003	0,177	0,0335
i-С5	225	0,019	0,180	0,0006	0,001	0,179	0,0402
n-С5	231,5	0,006	0,057	0,0001	0,000	0,057	0,0131
С6	271	0,025	0,237	0,0002	0,000	0,236	0,0640
С7	312,5	0,046	0,436	0,0003	0,001	0,435	0,1359
С8	351,5	0,069	0,653	0,0001	0,000	0,653	0,2296
С9	370	0,092	0,871		0	0,871	0,3224
С10	390	0,115	1,089		0	1,089	0,4247
		=1		=1			=1,7792

Молярные плотности будут равны:

Парахоры компонентов вычисляем по формулам , для компонентов, молекулярная масса которых лежит в интервале 16<M_i≤114, и , для компонентов, молекулярная масса которых лежит в интервале 114<M_i≤170.

Остальные вычисления произведем в автоматическом режиме, используя Excel.

Аналитическая часть

По итогам рассчитанных в табличном редакторе Excel данных можно определить поверхностное натяжение нефти. Данный метод определения поверхностного натяжения называется «Аналитический расчет межфазного натяжения по составам жидкой и паровой фаз». Натяжение определяем по формуле:

В нашем случае среднее арифметическое подстепенной функции уже найдено, осталось возвести в степень.

Ответ: 10,021*10^-3 Н/м

Вывод

Изучены различные методы определения поверхностного натяжения. Наиболее распространённым является сталагмометрический, с использованием сталагмометра. Проведено вычисление поверхностного натяжения исследуемого образца аналитическим методом, с использованием формулы Маклеода-Сагдена. Поверхностное натяжение образца получилось 10,021*10^-3 Н/м. Проанализирована зависимость поверхностного натяжения от температуры и давления, выяснено, что с увеличением температуры и давления, натяжение ослабевает (граница раздела жидкость-газ). Выявлена важная особенность – с увеличением количества растворенного газа в жидкости ее поверхностное натяжение падает.