原油膠體分散體系理論

原油膠體分散體系理論該理論以膠體理論為基礎(chǔ)：膠體之間既存在著斥力勢(shì)能也存在著引力勢(shì)能［69］。前者是由于帶電膠粒相互靠攏時(shí)形成雙電層交疊產(chǎn)生的靜電排斥力，后者是由于長(zhǎng)程范德華引力形成的。膠粒之間的總勢(shì)能u可用其斥力勢(shì)能UR和引力勢(shì)能UA來表示。斥力勢(shì)能和引力勢(shì)能的相對(duì)大小決定了膠體的穩(wěn)定性?？倓?shì)能U、斥力勢(shì)能UR和引力勢(shì)能UA隨粒子間距的變化如圖4-2所示。在總勢(shì)能曲線上有一個(gè)勢(shì)能峰值和兩個(gè)勢(shì)能最小值。兩個(gè)勢(shì)能最小值中，距離原點(diǎn)較近且深的稱為第一最小值；距離原點(diǎn)較遠(yuǎn)而且淺的稱為第二最小值。峰值的大小構(gòu)成了阻礙膠粒聚結(jié)的勢(shì)壘（Umax）,如果膠粒要發(fā)生聚結(jié)，則必須要越過這一勢(shì)壘才能實(shí)現(xiàn)。通常情況下膠粒在第一最小值處聚結(jié)，形成結(jié)構(gòu)、性質(zhì)較為穩(wěn)定的物質(zhì)，但對(duì)于較大的粒子，特別是形狀不對(duì)稱的粒子如片狀粒子或者棒狀粒子，則很容易在第二最小值處聚結(jié)，形成結(jié)構(gòu)松散的物質(zhì)。當(dāng)原油的溫度低于蠟的結(jié)晶溫度時(shí)，液態(tài)的蠟質(zhì)從原油中析出，由于原油中所含有的膠質(zhì)和瀝青質(zhì)等物質(zhì)的存在，使得析出的蠟質(zhì)膠體具有膠粒的性質(zhì)。這種蠟質(zhì)晶體膠粒本身的性質(zhì)，使得位能上有較深的第二最小值的存在。在外磁場(chǎng)作用下，膠粒間的范德華引力勢(shì)能的增加導(dǎo)致蠟質(zhì)的聚結(jié)在第一和第二最小值處同時(shí)發(fā)生。蠟質(zhì)在第一最小值處聚結(jié)生成結(jié)構(gòu)致密的晶體，但是在聚結(jié)速率較大的條件下，生成的蠟晶結(jié)構(gòu)與蠟晶膠粒在第二最小值處生成的蠟晶聚集體有相似之處，蠟晶間距較大，吸引力不強(qiáng)，結(jié)構(gòu)松散。另外，原油粘度的大小與原油中所含輕餾分的濃度有關(guān)。磁處理前原油中蠟晶膠粒體積小，相對(duì)來說表面積較大，有較多的輕餾分油吸附在蠟晶表面，因而游離的輕餾分油的濃度較低，原油的粘度大。而磁處理原油中蠟晶膠粒聚結(jié)成為較大蠟晶或蠟晶聚集體，將吸附的輕餾分油完全或部分釋放出來，從而增加了輕餾分油的濃度，降低了原油的粘度［70,71］石油膠體分散體系理論”為“DLVO理論”在磁處理機(jī)理探討中的應(yīng)用提供了必要的理論前提［72］。原油的膠凝過程也就是石蠟等物質(zhì)的結(jié)晶析出并結(jié)成網(wǎng)絡(luò)的過程。對(duì)于非極性分子而言，色散力是物質(zhì)分子間相互吸引的主要原因。長(zhǎng)程范德華力是分子間色散力的宏觀表現(xiàn)。根據(jù)DLVO理論，影響蠟晶顆粒能否發(fā)生凝聚的一個(gè)重要因素就是蠟晶顆粒的長(zhǎng)程范德華引力的作用。在原油管道輸運(yùn)中，采用磁處理來防蠟、降粘增輸，正是利用了磁場(chǎng)對(duì)于分子間色散力的影響。磁處理的原油是具有相變趨勢(shì)的原油，此時(shí)原油中已經(jīng)析出大量蠟晶顆粒，它們的表面吸附著輕餾分油懸浮于原油中。從梁長(zhǎng)青等的試驗(yàn)結(jié)論可知，磁場(chǎng)均勻性對(duì)磁處理效果的影響是至關(guān)重要的，用永磁體的磁場(chǎng)處理原油，沿軸向分布的均勻磁場(chǎng)可以獲得最好的效果[73]磁場(chǎng)影響分子體系瞬時(shí)偶極矩在垂直于磁場(chǎng)方向上的漲落，使分子在垂直于磁場(chǎng)方向上產(chǎn)生＜7振動(dòng)。根據(jù)景輝對(duì)低維色散能的研究結(jié)果，在低維情況下，色散作用能不僅與電偶極矩漲落的大小有關(guān)，還與漲落的相對(duì)取向有關(guān)。對(duì)于二維色散作用能，瞬時(shí)電偶極矩在同一平面內(nèi)（縱向）的兩個(gè)分子較不在同一平面內(nèi)的其它情況色散作用能大?？v向、橫向、以及混合型二維色散三作用能之比為1:0.4:0.7[74]。磁場(chǎng)方向與原油流向正交并且沿軸向均勻分布，保證了蠟晶分子瞬時(shí)電偶極矩的漲落在同一平面內(nèi)，最強(qiáng)的色散作用發(fā)生在原油流動(dòng)的方向上。均勻的磁場(chǎng)對(duì)蠟晶分子的影響相同，保證了在外加磁場(chǎng)作用下，蠟晶分子瞬時(shí)偶極矩能夠精確的同位相，從而分子間產(chǎn)生較強(qiáng)的色散作用。分子間的色散作用在均勻磁場(chǎng)作用下增強(qiáng)，蠟晶顆粒間的范德華力引力勢(shì)能也相應(yīng)的隨之增強(qiáng)。于是蠟晶顆粒在無磁場(chǎng)時(shí)尚不能聚結(jié)的條件下聚結(jié)，并釋放出吸附的液態(tài)輕餾分油，這種聚結(jié)發(fā)生在原油內(nèi)部并且形成的蠟晶懸浮于原油中，因而防止了其網(wǎng)絡(luò)化以及在輸油管壁上的聚結(jié)。由于色散作用的累加效應(yīng)，磁場(chǎng)對(duì)高分子量石蠟分子的影響顯著于液態(tài)輕餾分油的影響，在流經(jīng)磁場(chǎng)作用的區(qū)域后，由于磁處理效應(yīng)的暫態(tài)性，輕餾分又很快恢復(fù)到原來的狀態(tài)，而磁場(chǎng)對(duì)石蠟顆粒的影響卻在輸油管道持續(xù)降溫的背景條件下保