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壓力、溫度、碳原子數及分子結構對CO2-正構烷烴界面張力的影響——實(shí)驗部分
來(lái)源：化工學(xué)報 瀏覽 856 次 發(fā)布時(shí)間:2024-07-31
目前，隨著(zhù)科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，全球變暖現象愈加劇烈。碳捕集、CO2利用與封存(CCUS)是應對全球氣候變化的關(guān)鍵技術(shù)之一，可減少70%～82%的碳排放量。其中，CO2驅油技術(shù)(CO2enhanced oil recovery，CO2-EOR)是重要手段之一，可在提高原油采收率的同時(shí)，實(shí)現對CO2的封存，常用于三次采油。CO2驅油技術(shù)分為混相驅和非混相驅?zhuān)瑓^分兩者的關(guān)鍵是最小混相壓力(minimum miscibility pressure，MMP)。當壓力高于MMP時(shí)，CO2與原油間的界面消失，界面張力(interfacial tension，IFT)為零。通過(guò)對界面張力外推，則可得到CO2-原油體系的MMP。因此，對CO2-不同原油組分界面張力的測定具有重要意義。
原油中主要成分為飽和鏈烴，同時(shí)含有少量的環(huán)烷烴與芳香烴。Li等測定了CO2-正構烷烴(n-C10～n-C20)的界面張力，并將比容平移后的P-T狀態(tài)方程與密度梯度理論結合起來(lái)對結果進(jìn)行了計算，所有體系的平均絕對偏差為6.1%。Mutailipu測量了CO2-正構烷烴(n-C11/C13/C14/C20)的界面張力，通過(guò)外推獲得MMP，并與實(shí)驗值進(jìn)行比較，結果較好。商巧燕測定了CO2-正構烷烴(n-C9/C11/C13/C15/C17)的界面張力，并擬合了計算CO2-正構烷烴界面張力的經(jīng)驗公式，形式簡(jiǎn)單，計算的平均相對偏差為5.45%。綜上所述，CO2-正構烷烴體系界面張力數據已較為全面，但CO2-環(huán)烷烴/芳香烴體系的界面張力數據比較缺乏，以往的學(xué)者將環(huán)烷烴組分等效為碳數相近的飽和鏈烴組分，造成了界面張力的預測誤差。因此對CO2-環(huán)烷烴/芳香烴組分界面張力的測定與預測十分必要。
本團隊自行設計高溫高壓界面張力測定裝置，并對CO2-正構烷烴界面張力進(jìn)行了測定。本文對此實(shí)驗裝置進(jìn)行了重新校驗，采用懸滴法對CO2-環(huán)烷烴/芳香烴等體系的界面張力進(jìn)行測定，測量范圍為40～120℃，0.27～14.70 MPa。探討了壓力、溫度、碳原子數及分子結構對界面張力的影響。提出了關(guān)聯(lián)方程，將界面張力的實(shí)驗數據關(guān)聯(lián)為溫度、壓力、碳原子數和偏心因子的函數，并對實(shí)驗數據進(jìn)行了擬合，得出了方程參數。
本文提供的實(shí)驗數據及估算方法為CO2驅油技術(shù)提供了基礎數據，可為工程上預測不同溫度、壓力下CO2-不同結構原油組分的界面張力提供指導。
1實(shí)驗部分
1.1實(shí)驗試劑
CO2(純度99.999%)，天津市東祥特種氣體有限責任公司；環(huán)戊烷(純度96.0%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；環(huán)己烷(純度99.7%)，天津市元立化工有限公司；環(huán)辛烷(純度99.0%)，凱瑪特(天津)化工科技有限公司；甲苯(純度99.5%)，天津市元立化工有限公司；乙苯(純度98.5%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；乙基環(huán)己烷(純度99.0%)，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；正十一烷(純度99.0%)，天津市光復精細化工研究所。
1.2實(shí)驗裝置
懸滴法是測量高溫高壓界面張力的常用方法。根據其原理本團隊自行設計的測量裝置可耐壓40 MPa。該裝置主要分為四個(gè)部分：氣體注入部分，液體注入部分，高溫高壓可視釜以及圖像的采集處理。詳細裝置內容可參見(jiàn)文獻。
1.3實(shí)驗流程
首先通入CO2排除釜內空氣，壓力達到預定值時(shí)，設置溫度并加熱。待溫度、壓力穩定后，向釜內打入油品，在針頭處形成油滴。保持油滴懸停10 min，以達到平衡狀態(tài)，開(kāi)始采集圖像(圖1)。得到的圖像采用軸對稱(chēng)分析法(ADSA)進(jìn)行分析，其公式為
式中，γ為界面張力，mN/m；,Δρ為兩相密度差，kg/m3；g為重力加速度,g=9.80 m/s2；de為懸滴最大直徑，m。油滴尺寸如圖1標注，ds為距油滴頂點(diǎn)垂直距離為de處油滴截面直徑，m。1H可由Andreas等建立的函數表得到。
圖1 ADSA分析法選面示意圖
目前，Δρ的獲得分為兩種方法，一種是測量出平衡時(shí)的汽液兩相密度，代入式(1)、式(2)中計算；另一種是由平衡時(shí)兩相的純相密度代替。本文采用第二種方法，CO2的密度由NIST查得，平衡時(shí)的烷烴密度則采用Mutailipu等提供的方法查得。
1.4裝置校驗
為了測試并驗證裝置和測量方法的可靠性，本研究選用CO2-正十一烷作為測試體系，用該裝置測定了其80℃下的界面張力，并與文獻值進(jìn)行了比較，結果如圖2所示。從結果可以看出，本研究測定的數據與文獻數據具有很好的一致性。結果表明，該裝置可行。