Фильтрация дисперсных систем через пористые среды

Классификация дисперсных систем по межфазному взаимодействию

 

В зависимости от силы межмолекулярного взаимодействия между веществами дисперсной фазы и дисперсионной среды дисперсные системы могут быть лиофобными или лиофильными (лиофобный – боящийся растворения, лиофильный - любящий растворение).

Для лиофобных систем характерно взаимодействие вещества дисперсной фазы со средой, они термодинамически неустойчивы. К этим системам относятся лиозоли, аэрозоли, эмульсии и пены.

Лиофильные золи отличаются достаточно сильным межмолекулярным взаимодействием веществ фазы и среды с образованием сольватных (гидратных) оболочек из молекул вещества дисперсионной среды. Эти системы термодинамически устойчивы и дисперсная фаза в таких средах может подвергаться самопроизвольному диспергированию.

 

Ну а теперь, вернемся к рассмотрению процессов фильтрации дисперсных систем через пористые среды, где возникают большие фильтрационные сопротивления, чем в случае при фильтрации чистых жидкостей.

В простых случаях пропитки высокодисперсными кинетически и агрегативно устойчивыми системами основные законы пропитки и фильтрации сохраняются, необходимо только учитывать изменение вязкости дисперсной системы по сравнению с вязкостью дисперсионной среды.

При пропитке происходит частичное выделение дисперсной фазы у внешней поверхности и в объёме образца. О выделении дисперсной фазы в порах во время пропитки свидетельствует неравномерное распределение её по объёму образца. Перемешивание дисперсии уменьшает отложение дисперсной фазы у внешней поверхности, повышает скорость пропитки. Значительное снижение скорости фильтрации и пропитки наблюдается в случае сопоставимых размеров дисперсной фазы (жидкой или газообразной) и пор капиллярно-пористых материалов. При этом двухфазная жидкость перемещается в капиллярах в виде отдельных чередующихся между собой столбиков (четок) дисперсионной среды и дисперсной фазы. Такой режим движения эмульсий и пен в капиллярах называют четочным.

При перемещении капель или столбиков жидкости «наступающий» участок капли или столбика всегда хуже смачивает стенки капилляра, чем «отступающий». Это явление называют гистерезисом смачивания, а обусловленное им снижение проницаемости капилляров - эффектом Жамена. Следствием гистерезиса смачивания является неравенство скачков капиллярного давления в «наступающей» и «отступающей» части капли. На рисунке 2 приведена схема деформации углеводородной жидкости при её сдвиге в капилляре.

Для того чтобы сорвать каплю со смачиваемого ею участка капилляра, необходимо приложить избыточное давление

 

Рисунок 2. Схема деформации углеводородной жидкости при её сдвиге в капилляре

 

Суммарное давление Р_j, которое потребуется приложить, чтобы преодолеть гистерезис смачивания (причину эффекта Жамена) в заполненном эмульсией капилляре, можно оценить из отношения

 

 

где σ - поверхностное натяжение между фазами эмульсии;

l - длина заполненной части капилляра;

с - объёмная концентрация дисперсной фазы,

r - радиус капель эмульсии;

R₁ - радиус непропитанного ядра;

Θ₁, Θ₂ - краевые углы при «наступающем» и «отступающем» менисках.

 

Формула (6) имеет смысл при 1 > r_к > R₁,т. е. когда капли дисперсной фазы перекрывают сечение капилляра и число четок велико. В противном случае, т. е. при r_к < R₁, эффект Жамена не имеет места. С учётом этого выражение (6) можно переписать в виде

 

Для оценки влияния эффекта Жамена на перемещение жидкостей и возможности интенсификации фильтрации, рассмотрим течение через гладкий цилиндрический капилляр эмульсии, состоящей из двух жидкостей, или раствора, полученного из этой эмульсии добавлением специального растворителя. Вязкость эмульсии и раствора считаем одинаковой. При движении в капилляре раствора под действием приложенного давления ΔР объёмная скорость в соответствии с формулой Пуазейля составит

 

 

При движении в капилляре эмульсии часть приложенного давления расходуется на преодоление гистерезиса смачивания в этом случае объёмная скорость

 

 

При движении эмульсии типа вода - масло в гидрофильном капилляре смачивание у «отступающего» мениска не изменяется, а у «наступающего» ухудшается вплоть до полного (кинетического) смачивания, при котором Θ → 180°. Поэтому при больших скоростях фильтрации Р_j возрастает вплоть до предельного значения, которое при Θ = 180°, Θ = 0° равно

 

 

Использовав уравнение (9) получим выражение для сравнения скоростей фильтрации в различных режимах – четочном и однофазном

 

 

Для интенсификации пропитки пористых материалов жидкими дисперсиями рекомендуется предварительная обработка пористых материалов поверхностно активными веществами, дополнительное введение в эмульсию поверхностно-активных веществ.

Существует, однако, потребность и в торможении, ингибировании процессов фильтрации и пропитки. Так закачку в пористые среды двухфазных жидкостей (эмульсий, пен) широко используют для создания противофильтрационных барьеров, и в этом случае переход в однофазное состояние нежелателен.

Анализ соотношений (11) и (12) позволяет обосновать приёмы, как интенсификации, так и торможения фильтрации многокомпонентных жидкостей. q₂ /q₁→1 при выполнении, хотя и одного из условий:

 

 

Общие принципы торможения фильтрации - жидкостей, т. е. снижения эффективной проницаемости капиллярно-пористых материалов. К ним следует отнести перевод многокомпонентных систем в двухфазное состояние; увеличение числа «столбиков» жидкостей; диспергирование с целью получения эмульсии с частицами размером r₁>R₁. Разделение растворов высокомолекулярных веществ на две (жидкие) фазы можно вызвать изменением рН, добавлением низкомолекулярных и высокомолекулярных электролитов (так называемые простая и комплексная коацервация).

Рациональное решение задач снижения проницаемости пористых материалов имеет огромное практическое значение в нефтепромысловом деле, в создании противофильтрационных экранов, обеспечении надежной работы гидравлических систем машин и механизмов, и т. д. К наиболее эффективным приемам снижения проницаемости относят закачку в нефтяные пласты двухфазных жидкостей - пен и эмульсий.

Взаимодействие суспензий с капиллярно-пористыми материалами сопровождается, как правило, отделением частиц твердой фазы на границе с пористым материалом или в его поровом пространстве. При этом частицы размером r>R₁ вообще не проникают в глубь пористого материала. Капиллярная пропитка в среде суспензий при r>R сопровождается отложением твердой фазы в виде плотного осадка над поверхностью пористого образца. Толщину этого осадка можно найти из соотношения

 

 

где W_∞ - водопоглощение образца;

S - поверхность, покрытая осадком;

n - объёмная концентрация частиц дисперсной фазы в суспензии;

m - пористость слоя.