Популярные услуги

Главная » Лекции » Химия » Химическая технология топлива и углеродных материалов » Понятие о топливно-дисперсных системах и элементах структуры дисперсной фазы

Понятие о топливно-дисперсных системах и элементах структуры дисперсной фазы

2021-03-09СтудИзба

8. Понятие о топливно-дисперсных системах и элементах структуры дисперсной фазы – дисперсной частице и сложной структурной единице.

Дисперсными называют системы, состоящие из не­которого вещества определенного состава, называемого дисперсионной средой, в ко­тором в виде отдельных образований, агрегатов молекул, распространены частицы другого вещества — дисперсной фазы, находящиеся в системе в хаотическом движе­нии или связанные определенным образом в пространственный каркас и физически взаимодействующие с дисперсионной средой.

В отличие от истинных растворов, являющихся гомогенными, то есть не имеющи­ми поверхности раздела фаз между составляющими их компонентами, дисперсные системы гетерогенны, многофазны, в простейшем случае двухфазны. Фазой в этом случае называется совокупность однородных элементов системы, одинаковых по со­ставу и свойствам и ограниченных от других элементов системы физическими повер­хностями раздела. Необходимым условием для образования таких поверхностей и, следовательно, дисперсных систем, является нерастворимость или малая взаимная ра­створимость веществ дисперсной фазы и дисперсионной среды.

Свойства дисперсных систем в первую очередь зависят от степени раздроблен­ности частиц дисперсной фазы. Учитывая, что дисперсные части­цы в большинстве случаев не имеют правильной формы, при оценке дисперсности системы пользуются значением эквивалентного диаметра условной сферической частицы. Величина, обратная условному диаметру, называется дисперсностью. Чем меньше размеры частиц дисперсной фазы, тем больше дисперсность, и наоборот.

Наиболее распространенной является классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды. Учитывая три возможных агрегатных  состояния последних, возможные типы дисперсных систем, можно представить в следующем виде (табл. 3).

Дисперсные системы принято разделять на свободнодисперсные и связнодисперсные.

Свободнодисперсные системы проявляют свойства жидкостей: обладают теку­честью, не оказывают сопротивления сдвиговому усилию. К такому типу систем от­носятся аэрозоли, эмульсии и разбавленные суспензии.

Таблица 3. Классификация дисперсных систем по агрегатному состоянию фаз

Дисперсная фаза

Рекомендуемые материалы

Дисперсион­ная среда

Сокращенное обозначение

Тип

дисперсной

системы

Примеры

Газ

Газ

г/г

Система может быть только гомогенной. Коллоидная система не образуется вследствие невозможности гетерогенности системы из-за бесконечной взаимной растворимости газов (при обычных температурах) и отсутствия поверхности раздела между ними

Жидкость

Газ

ж/г

Аэрозоль

Облако, туман

Твердое тело

Газ

т/г

Аэрозоль

Дым, пыль

Газ

Жидкость

г/ж

Лиозоль или газовая эмульсия

Пены

Жидкость

Жидкость

ж/ж

Лиозоль

Эмульсии, мази

Твердое тело

Жидкость

т/ж

Лиозоль или суспензия

Суспензии, коллоидные растворы

Газ

Твердое тело

г/т

Твердая пена

Пемза, туф, микропористая резина

Жидкость

Твердое тело

ж/т

Твердая эмульсия

Вода в твердом парафине, твердые материалы с жидкими включениями

Твердое тело

Твердое тело

т/т

Твердый золь

Сплавы, цветные стекла

В определенных условиях, в результате действия межмолекулярных сил, физических, слабых взаимодействий, коллоидные частицы способны связываться с образованием пространственных структур. Такие структурированные связанно-дисперсные системы получили название гелей. Переход золя в гель зависит от ряда факторов.

Дисперсная система считается обратимой, если сухой остаток, полу­ченный после выпаривания дисперсионной среды, самопроизвольно в ней  растворяется при повторном контакте, образуя коллоидную систему. Дисперсная система является необратимой, если сухой остаток не способен самопроизвольно диспергироваться при контакте с чистой дисперсионной средой.

Объединение атомов, ионов и ли молекул приводит к образованию надмолекулярных образований. При этом возможно возникновение и начальное развитие новой фазы за счет внутренней энергии и внешних условий. Эти гетерофазные образования способны к дальнейшему росту и развитию. Их называют зародышем или надмолекулярной структурой. Атомы и молекулы, находящиеся в объеме надмолекулярной структуры обладают нескомпенсированной избыточной поверхностной энергией и формируют вокруг себя сольватные оболочки. Вместе с сольватной оболочкой зародыш образует сложную структурную единицу (ССЕ), которая при изменении внешних условий может разрушаться или расти. ССЕ является элементарной составляющей нефтяной дисперсной системы.

В составе ССЕ различают более упорядоченную внутреннюю область – ядро и сольватную оболочку, окружающую ядро и образованную из менее склонных к к межмолекулярным взаимодействиям.

Нефтяные системы характеризуются сложным химическим составом и агрегатным состоянием отдельных компонентов, строением, свойствами и размерами час­тиц структурных образований, уровнем межмолекулярного взаимодействия в системе и имеют много различий с типичными коллоидными системами. Несмотря на это мно­гие нефтяные и коллоидные системы объединяет одно общее свойство, заключающе­еся в том, что для них характерны высокоразвитые поверхности раздела фаз и все связанные с этим особенности их поведения в различных условиях существования.

В практике нефтепереработки нефтяные дисперсные системы наиболее часто имеют дисперсную фазу в твердом, жидком и газообразном состоянии и жидкой дисперсной средой. Как дисперсную систему - жидкостную эмульсию - следует рассматривать в предкритической области нефтяное сырье, подвергаемое очистке селективными растворителями. При критической температуре происходит нарушение агрегатной устойчивости системы и разделение ее на рафинатный и экстрактный растворы. Нефтяные масла рассматриваются в виде дисперсных систем. Установлено, что в зависимости от способа получения и соответственно вязкости масел, дистиллятных, остаточных, компаундированных в них образуются структурные элементы различного строения. Показано, что бен­зольное кольцо является специфическим центром межмолекулярных взаимодействий, за счет чего ароматические углеводороды в растворах образуют ассоциаты, состав и устойчивость которых зависит от химического строения взаимодействующих молекул. В маслах и топливах обнаружены явления самоассоциации ароматических угле­водородов и ассоциации их с присадками.

Структурные единицы имеют сложное строение, обусловленное природой и геометрической формой макромолекул ВМС, поверхностными силами между ними, взаимодействием дис­персной фазы с дисперсионной средой и другими факторами. Неф­тяные фракции, состоящие из смеси полярных и неполярных со­единений, взаимодействуют с надмолекулярными структурами, в результате чего вокруг надмолекулярной структуры (ассоциата или комплекса) формируются сольватные оболочки различной тол­щины. Такая дисперсная частица сложного строения (надмоле­кулярная структура + сольватный слой) способна к самостоятель­ному существованию и получила название сложной структурной единицы (ССЕ).

ССЕ, формируемую на промежуточ­ной стадии перехода ассоциата в кристаллит, назвали промежуточной структурной единицей (мезофазой), ко­торая состоит из нескольких ориентированных определенным  образом полициклических ароматических углеводородов и имеет сфе­рическую форму. Мезофаза может раство­ряться в некоторых растворителях, что свидетельствует о пре­имущественной физической связи между отдельными слоями (надмолекулярной структурой и сольватной оболочкой) и внутри CCЕ.

Характерной  особенностью ССЕ является разница поверхностных энергий между  надмолекулярной структурой и сольватным слоем и между сольватным слоем и дисперсионной  средой. В  отличие от дисперсионной  среды ССЕ сохраняет приданную форму и имеет предельное напряжение сдвига. ССЕ может взаимодействовать с дисперсионной средой. В этом случае возможны два варианта. Первый, когда поверхно­стное натяжение дисперсионной среды меньше, чем у сольватных слоев ССЕ. В результате взаимодействия части сложной структур­ной единицы с дисперсионной средой формируется активная ССЕ с некомпенсированной поверхностной  энергией. Это приводит к слиянию двух или нескольких активированных ССЕ друг с другом, сопровождающимся ростом  размеров  надмолекулярной структуры.

Второй вариант — поверхностное натяжение дисперсионной сре­ды значительно больше, чем у сольватного слоя ССЕ. Такое соот­ношение приводит к вытеснению из сольватного слоя ССЕ уг­леводородов, обладающих малыми значениями поверхностного натяжения. При высоких значениях разницы поверхностных натяжений может не только умень­шаться толщина сольватного слоя и изменяться углеводородный состав в нем, но и разрушаться надмолекулярная структура, вплоть до полного ее исчезновения.

Из вновь формируемых сложных структурных единиц могут образоваться золи (свободнодисперсные системы) и гели (связнодисперсные системы). В свободнодисперсных системах частицы дисперсной фазы не связаны друг с другом и могут перемещаться в пространстве под действием внешних сил (силы тяжести или броуновского движения). Дисперсная фаза связнодисперсных систем образует сплошной каркас (пространственную структуру), внутри которого содержится дисперсионная среда.

Нефтяные дисперсные системы характе­ризуются структурно-механической прочностью, способностью сопротивляться действию внешних сил. Чем больше силы взаимодействия макромолекул ВМС в ассоциате и между ассоциатами в системе, тем выше структурно-механическая прочность НДС.

Структурно-механическая прочность нефтяных дисперсных систем определяется главным образом толщиной сольватной оболочки, образующейся вокруг твердой фазы (надмолекулярной структуры). Чем меньше толщина сольватной оболочки, тем  выше структурно-механическая прочность нефтяной дисперсной системы.

С другой стороны структурно-механическая прочность НДС тем выше, чем больше в системе сложных структурных единиц разных типов (асфальтенов, смол, парафинов, полициклических углеводородов). В то же время одинаковая концентрация разных типов сложных структурных единиц в НДС вызывает разную структурно-механическую прочность системы.

Ещё посмотрите лекцию "46 Новая экономическая политика" по этой теме.

По величине структурно-механической прочности структурные единицы  НДС  располагаются  в ряд:  гель → золь → ССЕ.

НДС могут быть обратимыми и необратимыми. Если дисперс­ная фаза способна обратимо взаимодействовать с дисперсионной средой, то такие дисперсные системы являются обратимыми. К по­добным системам относится основная масса НДС, в которых дис­персная фаза может самопроизвольно растворяться в дисперсион­ной   среде  вплоть до  образования  молекулярных  растворов.

Наивысшая концентрация ВМС в системе, при которой она еще сохраняет состояние молекулярных растворов, называется пределом насыщения, а температура, при которой достигается на­сыщение, называется критической температурой.

Дисперсная фаза необратимых НДС (например, карбоиды, ча­стицы сажи и др.) не может растворяться в дисперсионной среде; поэтому такие НДС относят к типичным коллоидным (необратимым) системам. Необратимые НДС бо­лее неустойчивы и в результате взаимодействия частиц системы друг с другом расслаиваются. При изменении внешних условий (например, температуры) обратимые системы могут также стать неустойчивыми.

При переработке нефти, а в дальнейшем при использовании нефтепродуктов в неф­тяных системах под действием различных факторов могут проис­ходить процессы формирования и деформирования ССЕ, влияющие на вязкость и текучесть системы. Нефть и нефтепродукты,  вязкость  которых зависит от  скорости  сдвига, принято называть аномально вязкими нефтями и нефтепродуктами, а само явление — аномалией вязкости. Большая часть нефтяных остатков в условиях хранения и переработки обладает ано­малией   вязкости. Дисперсная   фаза   аномально  вязких  нефтей и нефтепродуктов обычно содержит парафины и асфальтены, а дисперсионная среда — сложную смесь различных растворителей (парафино-иафтеновые, ароматические углеводороды).  Полициклические ароматические углеводороды и смолы в зависимости от сте­пени взаимодействия  дисперсной фазы с дисперсионной  средой могут входить в состав той или другой фазы.

Аномалию свойств нефтепродуктов можно наблюдать при низ­ких температурах (в присутствии парафиновых, асфальтеновых и других ассоциатов) и при высоких температурах, что обусловлено наличием в системе ССЕ, которые могут существовать при этих условиях (ассоциаты асфальтенов, смол, полициклических ароматических углеводородов).

Свежие статьи
Популярно сейчас
Почему делать на заказ в разы дороже, чем купить готовую учебную работу на СтудИзбе? Наши учебные работы продаются каждый год, тогда как большинство заказов выполняются с нуля. Найдите подходящий учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5076
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее