Стабильная эмульсия, способ ее получения и поверхностно- активная добавка для ее приготовления

 

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.

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 25^oC 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 45^oC 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 45^oC 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 25^oC 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 25^oC;
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 45^oC;
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 25^oC;
на фиг. 16 - зависимость между вязкостью и продолжительностью процесса хранения при 45^oC 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 83^oC; 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 30^oC 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 30^oC 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 60^oC. 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 60^oC 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 30^oC. 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 45^oC. 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 45^oC. 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 45^oC и на фиг. 12 в случае хранения при 25^oC. 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 45^oC. 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 45^oC 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 45^oC. 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 30^oC, так и при 45^oC.

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.

Формула изобретения

1. 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, отличающаяся тем, что 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.

2. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что содержание амина составляет не менее приблизительно 300 мас.ч./млн, а содержание этоксилированного спирта составляет не менее приблизительно 100 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

3. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что содержание амина составляет от примерно 300 до примерно 1500 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

4. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что содержание амина составляет приблизительно 800 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

5. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что содержание этоксилированного спирта составляет от примерно 100 до примерно 3000 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

6. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что содержание этоксилированного спирта составляет от примерно 500 до примерно 1500 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

7. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что амин представляет собой этаноламин.

8. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что амин представляет собой моноэтаноламин.

9. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что этоксилированный спирт выбирают из группы, включающей полиэтоксилированные C₁₂ - C₁₄ спирты, насыщенные полиэтоксилированные C₁₆ - C₁₈ спирты, ненасыщенные полиэтоксилированные C₁₆ - C₁₈ спирты и их смеси.

10. Эмульсия по п.9, отличающаяся тем, что этоксилированный спирт представляет собой полиэтоксилированный тридеканол (C₁₃).

11. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что углеводородный фазой является битум.

12. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что углеводородной фазой является битум из Cerro Negro.

13. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что объемное соотношение между конечной углеводородной фазой и водной фазой составляет от примерно 90 : 10 до примерно 70 : 30.

14. Эмульсия по п.1, отличающаяся тем, что средний размер капелек составляет менее или равен приблизительно 30 мкм.

15. Способ приготовления стабильной эмульсии углеводородов в воде, включающий 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, отличающийся тем, что 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.

16. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание амина составляет не менее приблизительно 300 мас.ч./млн, а содержание этоксилированного спирта составляет не менее примерно 100 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

17. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание амина составляет от примерно 300 до примерно 1500 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

18. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание амина составляет приблизительно 800 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

19. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание этоксилированного спирта составляет от примерно 100 до примерно 3000 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

20. Способ по п.15, отличающийся тем, что содержание этоксилированного спирта составляет от примерно 500 до примерно 1500 мас.ч./млн в пересчете на углеводородную фазу.

21. Способ по п.15, отличающийся тем, что амин представляет собой этаноламин.

22. Способ по п.15, отличающийся тем, что амин представляет собой моноэтаноламин.

23. Способ по п.15, отличающийся тем, что этоксилированный спирт выбирают из группы, включающей полиэтоксилированные C₁₂ - C₁₄ спирты, насыщенные полиэтоксилированные C₁₆ - C₁₈ спирты, ненасыщенные полиэтоксилированные C₁₆ - C₁₈ спирты и их смеси.

24. Способ по п.15, отличающийся тем, что этоксилированный спирт представляет собой полиэтоксилированный тридеканол (C₁₃).

25. Способ по п.15, отличающийся тем, что углеводородный фазой является битум.

26. Способ по п.15, где углеводородной фазой является битум из Cerro Negro.

27. Способ по п.15, где объемное соотношение между углеводородной фазой и водной фазой составляет от примерно 90 : 10 до примерно 70 : 30.

28. Способ по п. 15, отличающийся тем, что стадия смешения включает смешение углеводородной 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 с получением промежуточной эмульсии, после чего 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 с получением конечной эмульсии углеводородов в воде.

29. Способ по п.28, отличающийся тем, что объемное соотношение между углеводородной фазой и водной фазой в промежуточной эмульсии составляет приблизительно 85 : 15, а соотношение между углеводородной фазой и водной фазой в эмульсии углеводородов в воде равно примерно 70 : 30.

30. Способ по п.15, отличающийся тем, что на стадии смешения получают конечную эмульсию углеводородов в воде, средний размер капелек в которой составляет менее или равен приблизительно 30 мкм.

31. Поверхностно-активная добавка для приготовления эмульсии углеводородов в воде, включающая амин и этоксилированный спирт, отличающаяся тем, что 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.

32. Поверхностно-активная добавка по п.31, где соотношение составляет от примерно 2 : 1 до примерно 1 : 2.

33. Стабильная эмульсия углеводородов в воде, характеризующаяся тем, что она приготовлена способом по п.15.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10, Рисунок 11, Рисунок 12, Рисунок 13, Рисунок 14, Рисунок 15, Рисунок 16, Рисунок 17, Рисунок 18, Рисунок 19, Рисунок 20, Рисунок 21, Рисунок 22, Рисунок 23, Рисунок 24, Рисунок 25