Стабильная эмульсия, способ ее получения и поверхностно-активная добавка для ее приготовления - RU2142498C1
Код документа: RU2142498C1
Чертежи
Описание
Изобретение относится к эмульсии углеводородов в воде, предпочтительно битума в воде, которая характеризуется стабильностью и которая пригодна для использования в качестве топлива, способу ее приготовления и поверхностно-активной добавке для ее приготовления.
Эмульсии битума в воде являются одним из источников топлива на мировом рынке энергоносителей. Такую эмульсию, как правило, готовят с использованием поверхностно-активных веществ, стоимость которых может существенно повысить стоимость эмульсии. Более того, некоторые поверхностно-активные вещества, такие, как этоксилированный алкилфенол, считают экологически нежелательными, а в соответствии с уставами ряда организаций, таких, как Европейское экономическое сообщество, возможен запрет на применение этоксилированного алкилфенола в топливах и в других целях.
Более близким к описываемой группе изобретений является патент US 4923483, 08.05.90, в котором описана эмульсия углеводородов в воде, включающая углеводородную фазу, водную фазу и ПАВ, содержащее неионогенное соединение, например, этоксилированный спирт, а также, возможно, другой ПАВ, например, этоксилированный амин, амидо-амин, четвертичное аммониевое соединение.
В качестве углеводородной основы предпочтителен битум Cerro Negro, содержащий природные ПАВ.
Используют воду с солями металлов, в частности, солями натрия, калия, лития, кальция, бария, магния, железа или их смеси в количестве, например, 5000-20000 ppm.
Эмульсию получают смешиванием углеводородной фазы с водной фазой, содержащей растворенные в ней соли, и с ПАВ.
Необходимость создания эмульсий углеводородов в воде и разработка способа их приготовления, в котором эмульсию готовят и стабилизируют с использованием материалов, приемлемых с экономической и экологической точек зрения, сохраняется.
Таким образом, задачей настоящего изобретения является создание эмульсии, которую можно готовить и стабилизировать без этоксилированного алкилфенола.
Другой задачей настоящего изобретения является создание эмульсии, в состав которой входят содержащиеся в углеводородной или битумной фазе природные поверхностно-активные вещества, которые активируют и используют для приготовления и стабилизации этой эмульсии.
Еще одна задача настоящего изобретения заключается в разработке способа приготовления эмульсии углеводородов в воде, для осуществления которого требуются уменьшенные количества поверхностно-активной добавки.
Другой задачей настоящего изобретения является создание поверхностно-активной добавки, которую можно применять при приготовлении эмульсий вязкого углеводородного продукта или битума в воде, где эта эмульсия нечувствительна к изменениям pH или солености водной фазы.
Кроме того, задачей настоящего изобретения является создание эмульсии углеводородов в воде и разработка способа ее приготовления, в которых для разбавления может быть использована вода из более широкого спектра источников.
Задачей настоящего изобретения является далее разработка способа приготовления эмульсий вязкого углеводородного продукта или битума в воде.
Поставленные задачи решаются созданием стабильной эмульсии углеводородов в воде, включающей углеводородную фазу, содержащую природное поверхностно-активное вещество, водную фазу, содержащую электролит, и поверхностно-активную добавку, включающую амин и этоксилированный спирт, в которой согласно изобретению амин выбран из группы, включающей моноэтаноламин, этаноламин, этилендиамин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, пропиламин, втор-пропиламин, дипропиламин, изопропиламин, бутиламин, втор-бутиламин, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси, при содержании поверхностно-активной добавки в количестве, которое эффективно активирует природное поверхностно-активное вещество и стабилизирует эмульсию, а электролита в количестве от более приблизительно 10 мас.ч./млн до не более приблизительно 100 мас.ч./млн в пересчете на водную фазу.
Указанные задачи решаются также способом приготовления стабильной эмульсии углеводородов в воде, включающим приготовление углеводородной фазы, содержащей природное поверхностно-активное вещество, приготовление водной фазы, содержащей электролит и смешение углеводородной фазы и водной фазы с поверхностно-активной добавкой, включающей амин и этоксилированный спирт, в котором согласно изобретению амин выбирают из группы, включающей моноэтаноламин, этаноламин, этилендиамин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, пропиламин, втор-пропиламин, дипропиламин, изопропиламин, бутиламин, втор-бутиламин, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси, при содержании поверхностно-активной добавки в количестве, которое эффективно активирует природное поверхностно-активное вещество и стабилизирует эмульсию, а электролита - в количестве от более приблизительно 10 мас.ч./млн до не более примерно 100 мас.ч./млн в пересчете на водную фазу.
Далее, указанные задачи решаются также созданием поверхностно-активной добавки для приготовления эмульсии углеводородов в воде, включающей амин и этоксилированный спирт, в которой согласно изобретению амин выбран из группы, включающей моноэтаноламин, этаноламин, этилендиамин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, пропиламин, втор-пропиламин, дипропиламин, изопропиламин, бутиламин, втор-бутиламин, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси в массовом соотношении амин: этоксилированный спирт от примерно 5:1 до примерно 1:2.
Ниже изобретение более подробно поясняется на примере
предпочтительных вариантов выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых показано:
на фиг. 1 - графическое изображение межфазного натяжения в эмульсиях битума в воде, включающих
только полиэтоксилированный тридеканол, и эмульсиях, включающих смесь полиэтоксилированного тридеканола с моноэтаноламином и ионами натрия;
на фиг. 2 - межфазное натяжение в эмульсиях битума
в воде, включающих моноэтаноламин в различных концентрациях и 5667 ч./млн полиэтоксилированного тридеканола;
на фиг. 3 - средний диаметр капелек эмульсий, включающих моноэтаноламин в
различных концентрациях и 20 ч./млн ионов натрия при соотношении между битумом и водой в эмульсиях 85:15;
на фиг. 4 - средний диаметр капелек эмульсий, включающих этоксилированный тридеканол
в различных концентрациях при соотношениях между битумом и водой 85: 15 и 70:30, причем моноэтаноламин и ионы натрия вводили во время приготовления эмульсии, а этоксилированный тридеканол добавляли во
время разбавления;
на фиг. 5 - распределение по диаметрам капелек эмульсий, одна из которых включает только моноэтаноламин и ионы натрия, а другая моноэтаноламин, натрий и этоксилированный
тридеканол;
на фиг. 6 - зависимость между соотношением Df/Di и продолжительностью сдвигового воздействия на эмульсии, включающие 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и
варьируемые количества этоксилированного тридеканола;
на фиг. 7 - зависимость между соотношением Df/Di и продолжительностью сдвигового воздействия на эмульсии, включающие 600 ч./млн
моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и варьируемые количества этоксилированного тридеканола;
на фиг. 8 - зависимость между соотношением Df/Di и продолжительностью сдвигового воздействия на
эмульсии, включающие 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола и варьируемые количества моноэтаноламина в сочетании с 20 ч./млн ионов натрия;
на фиг. 9 - зависимость между средним размером
капелек и продолжительностью хранения при 25oC эмульсий, включающих 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и варьируемые количества этоксилированного тридеканола;
на
фиг. 10 - зависимость между средним диаметром капелек и продолжительностью хранения при 45oC эмульсий, включающих 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и варьируемые количества
этоксилированного тридеканола;
на фиг. 11 - зависимость между удельной площадью поверхности частиц и продолжительностью хранения при 45oC эмульсий, включающих 800 ч./млн
моноэтаноламина, 20 ч. /млн ионов натрия и этоксилированный тридеканол в различных концентрациях;
на фиг. 12 - зависимость между удельной площадью поверхности частиц и продолжительностью
хранения при 25oC эмульсий, включающих 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч. /млн ионов натрия и этоксилированный тридеканол в различных концентрациях;
на фиг. 13 - распределение по
размерам капелек эмульсии, включающей 800 ч. /млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола, до начала хранения (0-й день) и по истечении 30 дней хранения при
25oC;
на фиг. 14 - распределение по размерам капелек эмульсии, включающей 800 ч. /млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола, до начала
хранения (0-й день) и по истечении 30 дней хранения при 45oC;
на фиг. 15 - зависимость вязкости от времени в случае эмульсий, включающих 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов
натрия и этоксилированный тридеканол в различных концентрациях, в процессе хранения при 25oC;
на фиг. 16 - зависимость между вязкостью и продолжительностью процесса хранения при
45oC эмульсий, включающих 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия и этоксилированный тридеканол в различных концентрациях.
Таким образом, изобретение относится к стабильной эмульсии углеводородов в воде, к поверхностно-активной добавке, которая может быть использована при приготовлении эмульсии, и к способу приготовления эмульсий с использованием поверхностно-активной добавки для активации природного поверхностно-активного вещества, содержащегося в углеводородном продукте.
В соответствии с изобретением стабильные эмульсии углеводородов в воде готовят с использованием поверхностно-активной добавки, которая приемлема как по экологическим, так и по экономическим соображениям. Предпочтительны те эмульсии, которые готовят с использованием в качестве углеводородной фазы битума, в идеальном варианте такого битума, как битум из Cerro Negro, который включает природные поверхностно-активные вещества. Преимущество поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению состоит в том, что она служит для активации природных поверхностно-активных веществ битума, благодаря чему образуется целевая эмульсия углеводородного продукта в воде, и, кроме того, служит для стабилизации эмульсии, противодействуя таким факторам, как изменение pH и/или солености водной фазы.
Типичной углеводородной фазой для использования в соответствии с настоящим изобретением является битум из Cerro Negro, типичный состав которого представлен в табл. 1.
Для приготовления эмульсии углеводородов в воде используют битум, описанный в табл. 1. Эта эмульсия поставляется на рынок фирмой Bitor, S.A. под товарным знаком Orimulsion и пригодна для сжигания в качестве жидкого топлива и использования в других целях, таких, как транспортировка на нефтеперерабатывающий завод для последующей переработки и т.п. В соответствии с настоящим изобретением подобную эмульсию готовят с использованием поверхностно-активной добавки, которая придает эмульсии требуемые реологические свойства и стабильность и которая приемлема как по экономическим, так и по экологическим соображениям.
В то время, как приготовленные обычным путем эмульсии проявляют чувствительность к содержанию электролита в эмульсионной воде в количестве более приблизительно 10 ч. /млн, эмульсии, для приготовления которых используют поверхностно-активную добавку по настоящему изобретению, можно готовить с использованием воды, содержание электролита в которой достигает приблизительно 100 ч./млн. Это преимущество дает возможность использовать для приготовления эмульсии по настоящему изобретению воду из более широкого спектра источников.
Наиболее часто встречающийся в природе вязкий углеводородный материал, включая битум из Cerro Negro, который представлен выше, содержит неактивный поверхностно-активный материал, включающий карбоновые кислоты, фенолы и сложные эфиры, которые в соответствующих условиях могут быть активированы как поверхностно-активные вещества. В соответствии с настоящим изобретением предлагается поверхностно-активная добавка, которая активирует эти природные поверхностно-активные вещества и которая дополнительно служит для стабилизации эмульсии, получаемой с использованием таких природных поверхностно-активных веществ, благодаря чему снижается чувствительность этой эмульсии к изменениям pH и солености воды. Более того, поверхностно-активную добавку по настоящему изобретению можно использовать вместо экологически нежелательных поверхностно-активных добавок, таких, как этоксилированный алкилфенол.
В соответствии с изобретением описывается поверхностно-активная добавка, которая включает амин и этоксилированный спирт. При создании изобретения было установлено, что амин активирует природные поверхностно-активные вещества, находящиеся в битуме, а этоксилированный спиртовой компонент служит для стабилизации эмульсии и снижения чувствительности этой эмульсии к изменениям pH и солености водной фазы эмульсии. Более того, как очевидно из приведенного описания, поверхностно-активную добавку по настоящему изобретению можно использовать для получения стабильных эмульсий, содержащих аминовый и спиртовой компоненты в минимальных количествах, что делает такую поверхностно-активную добавку приемлемой также и по экономическим соображениям.
В соответствии с изобретением амин выбирают из группы, включающей моноэтаноламин, этаноламин, этилендиамин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, пропиламин, втор-пропиламин, дипропиламин, изопропиламин, бутиламин, втор-бутиламин, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси. В предпочтительном варианте амин представляет собой этаноламин, наиболее предпочтительно моноэтаноламин.
Предпочтительный этоксилированный спиртовой компонент поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению выбирают из группы, включающей полиэтоксилированные C12-C14спирты, насыщенные полиэтоксилированные C16-C18спирты, ненасыщенные полиэтоксилированные C16-C18спирты и их смеси, наиболее предпочтительно полиэтоксилированный тридеканол (C13).
Один из этоксилированных спиртов, которые наиболее пригодны для использования в соответствии с настоящим изобретением, представляет собой полиэтоксилированный тридеканол, который поставляется на рынок фирмой Hoechst de Venezuela под товарным знаком Genapol X-159 и который обладает следующими физическими свойствами: гидрофильно-липофильный баланс составляет 15,4; среднее число этиленоксидных молей 15; точка помутнения 83oC; содержание активного вещества 90%.
В соответствии с изобретением предпочтительную эмульсию готовят таким образом, чтобы она включала поверхностно-активную добавку, содержащую амин в количестве не менее приблизительно 300 мас.частей на 1 миллион (мас.ч./млн) и этоксилированный спирт в количестве не менее примерно 100 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу. В более предпочтительном варианте амин, как это было установлено, особенно эффективен при использовании в количестве от примерно 300 до примерно 1500 ч./млн и наиболее предпочтительно приблизительно 800 ч./млн. В предпочтительном варианте этоксилированный спирт содержится в пределах от примерно 100 до примерно 3000 ч./млн, более предпочтительно в пределах от примерно 500 до примерно 1500 ч./млн также в пересчете на массу углеводородной фазы.
Как указано выше, в качестве водной фазы эмульсии можно использовать воду, содержание электролита в которой составляет от более приблизительно 10 мас. ч./млн и до примерно 100 мас.ч./млн в пересчете на эту водную фазу, что позволяет, таким образом, расширить запас воды, пригодной для применения при приготовлении эмульсии. Поверхностно-активная добавка по настоящему изобретению служит для поддержания стабильности эмульсии несмотря на присутствие электролита в большем количестве.
В предпочтительном варианте в соответствии с настоящим изобретением готовят эмульсии, в которых соотношение между конечной углеводородной или битумной фазой и водной фазой находится в пределах от примерно 90:10 до примерно 70: 30. В способе приготовления эмульсии предпочтительно, как это изложено ниже, готовить промежуточную эмульсию, в которой соотношение составляет приблизительно 85:15, и в последующем разбавлять эту эмульсию до соотношения приблизительно 70:30. Эти соотношения указаны в пересчете на объем углеводородной фазы и воды.
В предпочтительном варианте средний размер капелек готовой эмульсии по настоящему изобретению составляет меньше или равен приблизительно 30 мкм, а ее вязкость при 30oC и 1 с-1 составляет меньше или равна примерно 1500 сП.
Эмульсию по настоящему изобретению готовят смешением битума с водной фазой и поверхностно-активной добавкой при затратах энергии смешения, достаточных для эмульгирования смеси и образования эмульсии битумной дисперсной фазы в непрерывной водной фазе, характеризующейся целевыми размером капелек и вязкостью.
В соответствии с одним из вариантов выполнения изобретения стабильность образующейся эмульсии повышают, как это было установлено, приготовлением этой эмульсии в двухстадийном процессе, где первая стадия включает смешение углеводородной или битумной фазы с частью водной фазы, начальное содержание электролита в которой менее или равно приблизительно 10 мас.ч./млн, и с поверхностно-активной добавкой для активирования природного поверхностно-активного вещества, благодаря чему образуется промежуточная эмульсия. На второй или последующей стадии в полученную промежуточную эмульсию добавляют остаток воды, вторичное содержание электролита в которой составляет от более приблизительно 10 мас.ч./млн до не более примерно 100 мас.ч./млн, для разбавления этой промежуточной эмульсии, благодаря чему образуется целевая готовая стабильная эмульсия углеродов в воде, соответствующая настоящему изобретению.
В ходе проведения этого двухстадийного процесса стадию приготовления промежуточной эмульсии можно осуществлять таким образом, чтобы получить целевую промежуточную эмульсию с объемным соотношением между углеводородной фазой и водной фазой приблизительно 90:10, более предпочтительно примерно 85: 15, а предпочтительная стадия разбавления включает разбавление этой промежуточной эмульсии до конечного объемного соотношения между углеводородной фазой и водной фазой приблизительно 70:30.
В соответствии с изобретением поверхностно-активная добавка, которая также предлагается в соответствии с настоящим изобретением, включает амин и этоксилированный спирт, предпочтительно при соотношении между аминовым компонентом и этоксилированным спиртовым компонентом в пределах от примерно 5:1 до примерно 1:2, более предпочтительно в пределах от примерно 2:1 до примерно 1:2.
Как указано выше, при осуществлении способа по настоящему изобретению получают эмульсию, обладающую повышенной стабильностью и пониженной чувствительностью к изменениям pH и солености, а также к повышенному содержанию электролита в эмульсионной воде.
В предпочтительном варианте стадию смешения или стадии по настоящему изобретению осуществляют таким образом, чтобы придать смеси энергию, достаточную для образования эмульсии, обладающей целевыми физическими характеристиками конечного продукта, прежде всего размерами капелек и вязкостью. Как правило, получение капелек меньшего размера требует больших затрат энергии смешения, более высокой концентрации поверхностно-активного вещества или и того, и другого. В соответствии с изобретением эмульсию предпочтительно перемешивают при таких затратах энергии смешения, которые достаточны для достижения среднего размера капелек 30 мкм или менее. Вязкость такой эмульсии при 30oC и 1 с-1 обычно ниже приблизительно 1500 сП. Так, например, для перемешивания эмульсии со скоростью по меньшей мере приблизительно 500 об/мин можно применять обычный смеситель.
В соответствии с изобретением поверхностно-активная добавка из амина и этоксилированного спирта является приемлемой для приготовления в соответствии с изобретением стабильных эмульсий с целевыми реологическими свойствами при использовании как амина, так и этоксилированного спирта в количествах, каждое из которых значительно меньше количества, требуемого для приготовления эмульсии при применении только какого-либо одного из этих компонентов. Более того, чувствительность эмульсии к изменениям pH, концентрации соли двухвалентного катиона и/или содержанию электролита, являющаяся типичной проблемой для эмульсий, приготовленных путем активации природного поверхностно-активного вещества, содержащегося в битуме, у эмульсии, приготовленной в соответствии с настоящим изобретением, снижена.
Преимущества, отличительные особенности и характеристики эмульсии, способ приготовления эмульсии и поверхностно-активная добавка, предлагаемая в соответствии с настоящим изобретением, далее проиллюстрированы на примерах.
Пример 1.
Данный пример иллюстрирует улучшенное межфазное натяжение, проявляемое системой при использовании в качестве межфазной добавки моноэтаноламина (МЭА) и этоксилированного тридеканола в соответствии с изобретением (система битум/H2O с МЭА/Na/этоксилированный тридеканол) в сравнении с системой при использовании в качестве межфазной добавки только одного этоксилированного тридеканола (система битум/H2O с этоксилированным тридеканолом).
Межфазную добавку для системы битум/H2O с МЭА/Na/этоксилированный тридеканол готовили с использованием 4533 мг/л МЭА, 20 мг/л Na+ в воде для приготовления в сочетании с возрастающими количествами полиэтоксилированного тридеканола и измеряли межфазное натяжение на тензиометре для измерения межфазного натяжения методом вращающейся капли, созданного в Техасском университете и обозначенного как прибор UTSDT-500. Межфазная добавка (система битум/H2O с этоксилированным тридеканолом) была испытана также при возрастающих количествах этоксилированного тридеканола. На фиг. 1 графически представлено межфазное натяжение для системы, приготовленной с использованием только одного этоксилированного тридеканола, и для системы, приготовленной с применением поверхностно-активной добавки в соответствии с настоящим изобретением, включающей этоксилированный тридеканол и моноэтаноламин. Как показано, преимущество поверхностно-активной добавки в соответствии с изобретением заключается в том, что она обеспечивает значительно более низкое межфазное натяжение, чем достигаемое в случае использования только одного этоксилированного тридеканола. На фиг. 1 показано также, что выше определенного уровня межфазное натяжение в обеих системах становится практически неизменным несмотря на возрастающее содержание этоксилированного тридеканола.
На фиг. 2 графически представлено межфазное натяжение в системах, приготовленных по описанной выше методике, включающих различные количества моноэтаноламина и гидроксида натрия (Na+) в воде для приготовления и 5667 ч. /млн полиэтоксилированного тридеканола в воде для разбавления. В системах, представленных на фиг. 2, ионы натрия содержались в концентрации 281 ч./млн в пересчете на водную фазу. Концентрация моноэтаноламина и полиэтоксилированного тридеканола представлена в массовых частях на миллион в пересчете на воду в эмульсии 85:15.
Межфазное натяжение измеряли при 60oC. Как показано, при содержании моноэтаноламина приблизительно 1000 ч./млн и выше межфазное натяжение остается практически постоянным, составляя приблизительно 0,2 дин/см.
Пример 2.
С помощью лопатки Раштона в сочетании с pH-метром Хейдола готовили ряд эмульсий с использованием искусственно созданного битума из Cerro Negro, состав которого представлен в табл.1. Эмульсии готовили таким образом, чтобы начальное соотношение битум:вода составляло 85:15 при температуре приготовления 60oC путем перемешивания со скоростью 200 об/мин в течение двух минут, а затем при 1500 об/мин в течение одной минуты. После приготовления соответствующих эмульсий эмульсии 85:15 разбавляли до тех пор, пока соотношение битум: вода в конечной эмульсии не достигало 70:30. Эмульсии первой группы готовили добавлением полиэтоксилированного тридеканола в воду для приготовления в концентрациях 500, 1000 и 1500 ч./млн в сочетании с 800 ч./млн моноэтаноламина. Эти концентрации выражены в мас.ч./млн в пересчете на битумную фазу.
Эмульсии второй группы готовили добавлением в воду для приготовления метаноламина одновременно с источником гидроксида натрия с последующим добавлением этоксилированного тридеканола в порцию воды для разбавления. Эмульсии готовили таким образом, чтобы они содержали 0, 150, 250, 350, 550, 1000 и 1500 ч./млн полиэтоксилированного тридеканола на каждые 600 и 800 ч./млн моноэтаноламина, а также готовили при концентрации 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола с 300, 400 и 500 ч./млн моноэтаноламина. В каждом случае гидроксид натрия добавляли в воду для приготовления при концентрации ионов натрия 20 ч./млн в пересчете на готовую эмульсию.
В эмульсиях, приготовленных по описанной выше методике, определяли средний диаметр капелек и распределение капелек по диаметрам. На фиг. 3 представлен размер капелек для эмульсии 85:15, приготовленной с использованием в воде для приготовления только одного моноэтаноламина с 20 ч./млн ионов натрия. На диаграмме показано, что при концентрации моноэтаноламина 800 ч. /млн или выше образуется эмульсия со средним диаметром капелек менее приблизительно 15 мкм. Однако при разбавлении этих эмульсий пресной водой до конечного целевого соотношения 70: 30 средний диаметр капелек этих эмульсий увеличивается до нежелательного. Не основываясь на какой-либо конкретной теории, полагают, что добавление пресной воды вызывает снижение величины pH водной фазы и, кроме того, в результате добавления пресной воды, содержащей некоторое количество Ca+2-электролита, снижается активность природного поверхностно-активного вещества битума.
На фиг. 4 представлен средний диаметр капелек, приготовленных по описанной выше методике промежуточных эмульсий, которые характеризуются соотношением 85: 15, и готовой эмульсии с соотношением 70:30, причем такие эмульсии готовили с использованием 800 ч./млн моноэтаноламина и 20 ч./млн ионов натрия в воде для приготовления и варьируемых количеств этоксилированного тридеканола в воде для разбавления. Как показано, в конечной эмульсии 70:30 при концентрации этоксилированного тридеканола 200 ч./млн и выше обеспечивался целевой средний диаметр капелек приблизительно 15 мкм. Следует отметить, что при концентрации этоксилированного тридеканола 0 ч./млн значение среднего диаметра капелек составляло приблизительно 30 мкм.
На фиг. 5 показано распределение капелек по размерам в двух готовых эмульсиях, в которых объемное соотношение битум:вода составляет 70:30, при этом одну из них готовили с использованием 800 ч./млн моноэтаноламина и 20 ч./млн ионов натрия в воде для приготовления и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола в воде для разбавления, а другую готовили с использованием 800 ч. /млн этаноламина и 20 ч./млн ионов натрия в воде для приготовления и 0 ч. /млн этоксилированного тридеканола в воде для разбавления. Как показано, эмульсия, приготовленная в соответствии с настоящим изобретением, с использованием поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению характеризовалась более узким и более оптимальным распределением капелек по размерам.
Пример 3.
Данный пример демонстрирует динамическую стабильность эмульсий, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии с настоящим изобретением готовили ряд эмульсий, которые подвергали воздействию сдвигового усилия при скорости 5000 об/мин в течение 60 мин при температуре 30oC. За этот период времени каждые 5 мин в течение первых 20 мин, а после этого каждые 10 мин отбирали образцы, которые испытывали с целью определить распределение по размерам и средний диаметр капелек, а также вязкость перед и после обработки воздействием сдвигового усилия. С помощью вискозиметра Хааке модели RV 20 с концентрическими цилиндрами типа MV-1 проводили измерения вязкости. Среднее распределение по диаметрам капелек определяли с помощью анализатора частиц (Mastersizer/E Malvern), а сдвиговое воздействие производили с помощью смесителя (T.K. Mixing Analyzer MA-2500) с лопаткой для высокой вязкости. На фиг. 6 графически представлены результаты испытания на динамическую стабильность с использованием конечной эмульсии с соотношением 70:30, которую готовили с применением 800 ч./млн моноэтаноламина и 20 ч. /млн ионов натрия в воде для приготовления и которую разбавляли пресной водой, содержавшей этоксилированный тридеканол в концентрации в интервале 150-1000 ч./млн. Результаты этих измерений также представлены в табл. 2.
Из представленного на фиг. 6 графика очевидно, что соотношение между конечным диаметром капелек и начальным диаметром капелек Df/Di в течение требуемого времени перемешивания остается практически постоянным, что указывает на стабильность эмульсии.
Согласно представленному на фиг. 7 графику подобные результаты достигались для эмульсии, приготовленной в соответствии с тем же самым способом, но при содержании моноэтаноламина 600 ч./млн. Эти данные содержатся в табл. 3.
Как показано на фиг. 7, когда этаноламин используют в концентрации 600 ч. /млн, соотношение Df/Di все еще остается практически постоянным. Кроме того, в табл. 2 и 3 конечные показатели вязкости приемлемо близки к начальным показателям вязкости до воздействия сдвиговым усилием.
На фиг. 8 и в табл. 4, приведенной ниже, содержатся дополнительные данные для эмульсий, приготовленных и испытанных по описанной выше методике с использованием этоксилированного тридеканола в концентрации 1000 ч./млн в воде для разбавления и 20 ч./млн Na+ в воде для приготовления, содержавшей моноэтаноламин в концентрациях 300, 400 и 500 ч./млн.
Из представленного на фиг. 8 графика очевидно, что при различном испытываемом содержании моноэтаноламина соотношение Df/Di остается практически постоянным. Более того, данные из табл. 4 показывают, что начальные и конечные значения вязкости также приемлемо близки к начальному уровню вязкости.
Результаты испытания эмульсий, которые проиллюстрированы на фиг. 6-8, ясно показывают, что при приготовлении эмульсий битума в воде с использованием поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению и в соответствии со способом по настоящему изобретению образуются эмульсии, которые обладают высокой динамической стабильностью в широком диапазоне варьирования концентрации как моноэтаноламина, так и этоксилированного тридеканола. Преимущество этого состоит в том, что тем самым обеспечивается высокая степень технологической гибкости, дающая возможность выбора концентраций моноэтаноламина и/или этоксилированного тридеканола, приемлемых для достижения других целевых характеристик эмульсии.
Пример 4.
Этот пример иллюстрирует статическую стабильность эмульсий, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением. В соответствии со способом по настоящему изобретению готовили эмульсии с различным содержанием моноэтаноламина, ионов натрия и полиэтоксилированного тридеканола и их хранили в закрывающихся крышками стеклянных контейнерах в термостатируемых банях при 25 и 45oC. Через одинаковые интервалы времени из контейнеров отбирали пробы и с помощью приборов, которые описаны выше, анализировали их на распределение капелек по размерам, для определения среднего диаметра капелек и вязкости.
На фиг. 9 и 10 представлены соответственно графики зависимости среднего диаметра капелек от времени хранения для эмульсий, приготовленных с использованием 800 ч./млн моноэтаноламина, 20 ч./млн ионов натрия в виде гидроксида натрия и 500, 1000 и 1500 ч./млн этоксилированного тридеканола, которые хранили соответственно при 25 и 45oC. Графики, представленные на фиг. 9 и 10, демонстрируют незначительное увеличение среднего диаметра капелек в первый день, после чего в течение остального периода хранения средний диаметр капелек оставался практически неизменным.
Определяли также удельную площадь поверхности частиц эмульсий, при этом полученные результаты проиллюстрированы на фиг. 11 в случае хранения при 45oC и на фиг. 12 в случае хранения при 25oC. Как следует из представленных графиков, эмульсии, приготовленные в соответствии с настоящим изобретением, характеризуются практически постоянной удельной площадью поверхности частиц в течение всего периода хранения, указывая тем самым на слабую коалесценцию или ее отсутствие и, следовательно, на превосходную стабильность эмульсии.
На фиг. 13 и 14 представлен график распределения капелек по размерам в эмульсиях, приготовленных с использованием 800 ч./млн моноэтаноламина и 20 ч./млн ионов натрия в воде для приготовления и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола в воде для разбавления, в случае хранения этих эмульсий соответственно при 25 и 45oC. Как показано, на 30-й день распределение практически не изменялось в сравнении с распределением до начала хранения (в 0-й день), что дополнительно указывает на превосходную стабильность эмульсий, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением.
И, наконец, на фиг. 15 и 16 представлены графики зависимости вязкости от времени хранения при 25 и 45oC эмульсий, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением, включавших по 800 ч./млн моноэтаноламина и 20 ч./млн ионов натрия в воде для приготовления и этоксилированный тридеканол в различных концентрациях в воде для разбавления. Графики на фиг. 15 и 16 показывают, что в течение начального дня вязкость эмульсий, приготовленных в соответствии с настоящим изобретением и с использованием поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению, несколько возрастает, а затем стабилизируется, оставаясь на практически неизменном уровне, начиная со второго дня хранения. Начальное повышение вязкости может быть обусловлено естественной тенденцией к хлопьеобразованию, которую демонстрирует дисперсная система, а конечная практически постоянная вязкость служит индикатором стабильности эмульсии.
Пример 5.
Этот пример иллюстрирует стабильность эмульсий в соответствии с настоящим изобретением при содержании электролита в эмульсионной воде свыше 10, но до приблизительно 100 ч./млн.
Эмульсии готовили в соответствии с изобретением с использованием эмульсионной воды, которая в качестве электролита содержала ионы Mg++ в количестве 20, 40 и 60 ч. /млн. Эти эмульсии готовили в соответствии со способом по настоящему изобретению с использованием 800 ч./млн моноэтаноламина и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола. Далее приготовленные таким образом эмульсии испытывали на статическую стабильность в течение периода хранения при температурах хранения 30 и 45oC. Результаты такого испытания представлены в табл.5.
Как видно из данных табл. 5, эмульсии, приготовленные в соответствии с изобретением с использованием воды для разбавления, содержавшей в качестве электролита Mg++ в концентрациях 20, 40 и 60 ч./млн, проявляли превосходную статическую стабильность, на что указывали практически постоянные с течением времени диаметр капелек и вязкость как при 30oC, так и при 45oC.
Эмульсии готовили в соответствии с изобретением с использованием эмульсионной воды с различным содержанием электролита и эти эмульсии испытывали на динамическую стабильность.
В соответствии с изобретением ряд эмульсий готовили с использованием 800 ч. /млн моноэтаноламина и 1000 ч./млн этоксилированного тридеканола, а также с использованием воды для разбавления, которая содержала в качестве электролита Mg++ в концентрациях 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90 и 100 ч./млн. Эти эмульсии испытывали на динамическую стабильность в соответствии с методикой примера 3. Результаты этого испытания представлены в табл. 6.
Как показывают данные в приведенной табл. 6, эмульсии, приготовленные в соответствии с изобретением с использованием моноэтаноламина и этоксилированного тридеканола, демонстрировали превосходную стабильность, когда эти эмульсии готовили с применением воды для разбавления, которая в качестве электролита включала Mg++ при содержании более 10 ч./млн и до 100 ч./млн.
Эти результаты контрастируют с результатами для эмульсий, приготовленных с использованием только моноэтаноламина, поскольку когда эти эмульсии готовили с использованием эмульсионной воды, содержавшей в качестве электролита всего 10 ч./млн Mg++, они оказывались нестабильными.
Таким образом, этот пример ясно демонстрирует преимущество способа и природы поверхностно-активной добавки по настоящему изобретению, позволяющие использовать воду для разбавления, которая содержит электролит в количестве, превышающем приемлемый в обычных условиях уровень. Очевидно, что экономическая выгода от этого состоит в том, что в соответствии с настоящим изобретением эмульсии могут быть приготовлены без дополнительных затрат, с которыми связано применение воды, где гарантированное содержание электролита составляет менее 10 ч./млн.
Приведенные выше примеры дополнительно показывают, что настоящее изобретение позволяет приготовить стабильную эмульсию битума в воде, которая характеризуется очень высокой стабильностью и приемлемыми реологическими свойствами и которая образуется при использовании поверхностно-активной добавки, обладающей выгодными с экономической и экологической точек зрения характеристиками. Более того, приготовленные таким образом эмульсии проявляют стойкость и существенно более низкую чувствительность к изменениям pH, солености воды и/или содержанию электролита, чем эмульсии, стабилизированные с использованием только моноэтаноламина и природного поверхностно-активного вещества битума.
С учетом вышеизложенного очевидно, что в соответствии с изобретением предлагаются эмульсия, способ приготовления эмульсии и поверхностно-активная добавка, которые позволяют легко решить вышеуказанные задачи и достичь соответствующие преимущества.
Настоящее изобретение можно выполнять в соответствии с другими вариантами и другими путями, не выходя при этом за его объем и не меняя сущности его отличительных особенностей. Таким образом, представленный вариант во всех отношениях следует рассматривать как иллюстрирующий, а не ограничивающий объем изобретения, который определяется прилагаемой формулой изобретения и который охватывает все варианты, соответствующие его сущности и эквивалентам его выполнения.
Реферат
Описывается новая стабильная эмульсия углеводородов в воде, включающая углеводородную фазу, содержащую природное поверхностно-активное вещество, водную фазу, содержащую электролит и поверхностно-активную добавку, включающую амин и этоксилированный спирт, при этом амин выбран из группы, включающей моноэтаноламин, этилендиамин, этиламин, диэтиламин, триэтиламин, пропиламин, втор-пропиламин, дипропиламин, изопропиламин, бутиламин, втор-бутиламин, гидроксид тетраметиламмония, гидроксид тетрапропиламмония и их смеси, при содержании поверхностно активной добавки в количестве, которое эффективно активирует природное поверхностно-активное вещество и стабилизирует эмульсию, а электролита - в количестве от более 10 мас.ч./млн до не более 100 мас.ч./млн в расчете на водную фазу. Описываются также способ ее приготовления и поверхностно-активная добавка. Технический результат - создание более простым способом стабильной эмульсии, пригодной в качестве топлива. 4 с. и 29 з.п. ф-лы, 6 табл., 16 ил.
