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压力、温度、碳原子数及分子结构对CO2-正构烷烃界面张力的影响——实验部分
来源:化工学报 浏览 471 次 发布时间:2024-07-31
目前,随着科技的不断发展与进步,全球变暖现象愈加剧烈。碳捕集、CO2利用与封存(CCUS)是应对全球气候变化的关键技术之一,可减少70%~82%的碳排放量。其中,CO2驱油技术(CO2enhanced oil recovery,CO2-EOR)是重要手段之一,可在提高原油采收率的同时,实现对CO2的封存,常用于三次采油。CO2驱油技术分为混相驱和非混相驱,区分两者的关键是最小混相压力(minimum miscibility pressure,MMP)。当压力高于MMP时,CO2与原油间的界面消失,界面张力(interfacial tension,IFT)为零。通过对界面张力外推,则可得到CO2-原油体系的MMP。因此,对CO2-不同原油组分界面张力的测定具有重要意义。
原油中主要成分为饱和链烃,同时含有少量的环烷烃与芳香烃。Li等测定了CO2-正构烷烃(n-C10~n-C20)的界面张力,并将比容平移后的P-T状态方程与密度梯度理论结合起来对结果进行了计算,所有体系的平均绝对偏差为6.1%。Mutailipu测量了CO2-正构烷烃(n-C11/C13/C14/C20)的界面张力,通过外推获得MMP,并与实验值进行比较,结果较好。商巧燕测定了CO2-正构烷烃(n-C9/C11/C13/C15/C17)的界面张力,并拟合了计算CO2-正构烷烃界面张力的经验公式,形式简单,计算的平均相对偏差为5.45%。综上所述,CO2-正构烷烃体系界面张力数据已较为全面,但CO2-环烷烃/芳香烃体系的界面张力数据比较缺乏,以往的学者将环烷烃组分等效为碳数相近的饱和链烃组分,造成了界面张力的预测误差。因此对CO2-环烷烃/芳香烃组分界面张力的测定与预测十分必要。
本团队自行设计高温高压界面张力测定装置,并对CO2-正构烷烃界面张力进行了测定。本文对此实验装置进行了重新校验,采用悬滴法对CO2-环烷烃/芳香烃等体系的界面张力进行测定,测量范围为40~120℃,0.27~14.70 MPa。探讨了压力、温度、碳原子数及分子结构对界面张力的影响。提出了关联方程,将界面张力的实验数据关联为温度、压力、碳原子数和偏心因子的函数,并对实验数据进行了拟合,得出了方程参数。
本文提供的实验数据及估算方法为CO2驱油技术提供了基础数据,可为工程上预测不同温度、压力下CO2-不同结构原油组分的界面张力提供指导。
1实验部分
1.1实验试剂
CO2(纯度99.999%),天津市东祥特种气体有限责任公司;环戊烷(纯度96.0%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;环己烷(纯度99.7%),天津市元立化工有限公司;环辛烷(纯度99.0%),凯玛特(天津)化工科技有限公司;甲苯(纯度99.5%),天津市元立化工有限公司;乙苯(纯度98.5%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;乙基环己烷(纯度99.0%),上海阿拉丁生化科技股份有限公司;正十一烷(纯度99.0%),天津市光复精细化工研究所。
1.2实验装置
悬滴法是测量高温高压界面张力的常用方法。根据其原理本团队自行设计的测量装置可耐压40 MPa。该装置主要分为四个部分:气体注入部分,液体注入部分,高温高压可视釜以及图像的采集处理。详细装置内容可参见文献。
1.3实验流程
首先通入CO2排除釜内空气,压力达到预定值时,设置温度并加热。待温度、压力稳定后,向釜内打入油品,在针头处形成油滴。保持油滴悬停10 min,以达到平衡状态,开始采集图像(图1)。得到的图像采用轴对称分析法(ADSA)进行分析,其公式为
式中,γ为界面张力,mN/m;,Δρ为两相密度差,kg/m3;g为重力加速度,g=9.80 m/s2;de为悬滴最大直径,m。油滴尺寸如图1标注,ds为距油滴顶点垂直距离为de处油滴截面直径,m。1H可由Andreas等建立的函数表得到。
图1 ADSA分析法选面示意图
目前,Δρ的获得分为两种方法,一种是测量出平衡时的汽液两相密度,代入式(1)、式(2)中计算;另一种是由平衡时两相的纯相密度代替。本文采用第二种方法,CO2的密度由NIST查得,平衡时的烷烃密度则采用Mutailipu等提供的方法查得。
1.4装置校验
为了测试并验证装置和测量方法的可靠性,本研究选用CO2-正十一烷作为测试体系,用该装置测定了其80℃下的界面张力,并与文献值进行了比较,结果如图2所示。从结果可以看出,本研究测定的数据与文献数据具有很好的一致性。结果表明,该装置可行。