Исследование триботехнических и поверхностно-активных свойств соапстока производства рыбных жиров

Исследование триботехнических и поверхностно-активных свойств соапстока производства рыбных жиров

Т.А. Мотылева, Б.Ф. Петров

Технологический факультет МГТУ, кафедра технологии пищевых производств

Аннотация. Изучены триботехнические и поверхностно-активные свойства соапстока, являющегося отходом процесса рафинации рыбных жиров. По результатам исследования рекомендовано использовать соапсток в составе смазочной композиции при бурении нефтегазовых скважин.

Abstract. Tribe-technical and surface-active properties of soap water flows generated as a result of fish oil purification have been studied in the paper. Soap water flows have been recommended as a part of oiling mixture for oil well drilling.

1. Введение

В процессе производства рыбного жира на стадии рафинации технических полуфабрикатов образуются значительные объемы жидких отходов - соапстоков. До настоящего времени проблема их утилизации не решена, что приводит к потере значительного количества ценных жировых компонентов, которые могли бы стать для рыбной промышленности вторичными материальными ресурсами.

Анализ химического состава соапстока показывает, что его основу, помимо воды (в среднем 78 %), составляют мыла (в среднем 12 %) и липиды (в среднем 7 %). Причем содержание указанных компонентов варьирует в очень широких пределах и зависит от обрабатываемого сырья.

Наличие в соапстоке значительного количества свободных жирных кислот (до 50 % от содержания липидов) и мыл указывает на возможность его использования в качестве смазочного компонента антифрикционных композиций, в частности, при бурении нефтегазовых скважин. Кроме того, мыла, присутствующие в соапстоке, могут повышать поверхностно-активные свойства бурового раствора, способствовать улучшению проницаемости призабойной зоны, что в целом положительно влияет на процесс освоения нефтегазовых скважин (Гноевых и др., 1998).

2. Методы исследования

Триботехнические свойства соапстока оценивали по изменению смазочных, противоизносных и противозадирных характеристик модельных глинистых суспензий, в которые предварительно вносили соапсток в количестве от 0,5 до 3,0 %. Характеристики определяли с помощью машины трения МТ-2, предназначенной для испытания материалов на трение и износ, а также для оценки триботехнических свойств промывочных жидкостей (буровых растворов). Испытательный узел трения МТ-2 представляет собой пару трения кольцо-стержень, помещенную в камеру с исследуемым материалом, работающую в режиме скольжения. Частота вращения кольца - 375 об/мин. Скорость скольжения стержень-кольцо -0,7 м/с. Диапазон удельной нагрузки от 28 до 140 МПа.

В процессе испытания измеряли силу трения, возникающую в контакте пар трения; величину износа образцов; силу и удельную нагрузку прижатия образцов. По результатам измерений рассчитывали коэффициент трения, скорость износа и удельную нагрузку задира (минимальная нагрузка, при которой наступает разрушение граничной пленки, сопровождающееся резким повышением износа поверхностей и скачкообразным увеличением коэффициента трения).

Коэффициент трения (ф) определяли как отношение силы трения к нормальной нагрузке:

Ф = Ртр / Р; (11

где Fp - сила трения, Н; Р - сила прижатия образцов, Н.

Скорость износа (ам, мм/ч) - величина линейного износа длины стержня в единицу времени:

ам = 60

где Al - величина износа, мм; At - время испытания, мин; 60 - коэффициент перевода минут в часы.

Для оценки антиприхватных свойств соапстока использовали прибор ФСК-4, предназначенный для определения коэффициента трения (сдвига) фильтрационной корки бурового раствора. Метод измерения коэффициента сдвига глинистой корки бурового раствора основан на определении силы

трения при контакте цилиндра прибора с фильтрационной коркой, полученной после определения показателя фильтрации бурового раствора, в течение 15 минут.

Поверхностно-активные свойства фильтратов модельных глинистых суспензий, содержащих соапсток, оценивали по снижению поверхностного натяжения (на границе с воздухом) и межфазного натяжения (на границе с гептаном), используя соответственно приборы ППНЛ-1 (ТУ 40-5403265-89) и ИМН-1 (ТУ 40-5403265-002-90). Определение поверхностного натяжения прибором ППНЛ-1 осуществляли на основании измеренного максимального давления в газовом пузырьке, образующемся из выходного отверстия калиброванного капилляра, опущенного в исследуемую жидкость на заданную глубину. Прибор ИМН-1 предназначен для измерения межфазного натяжения жидкостей методом "вращающейся капли".

Технологические параметры модельной глинистой суспензии определяли согласно "Методике контроля параметров буровых растворов" РД 39-00147001-773-2004.

Плотность (р) измеряли с помощью рычажных весов ВРП-1; условную вязкость (УВ) - величину, косвенно характеризующую гидравлическое сопротивление течению - определяли временем истечения заданного объема бурового раствора из стандартной воронки (вискозиметр ВБР-1); показатель фильтрации (ПФ30) - величину, косвенно характеризующую способность бурового раствора отфильтровываться через стенки скважины, - определяли количеством дисперсионной среды, отфильтрованной через проницаемую перегородку ограниченной площади под действием определенного перепада давления (0,7 МПа) за определенное время (30 мин) на фильтр-прессе фирмы FANN; толщину фильтрационной корки (К) -величину, косвенно характеризующую способность бурового раствора к образованию временной крепи на стенках скважины, - определяли толщиной слоя дисперсной фазы (корки), отложившейся на ограниченной поверхности проницаемой перегородки под действием определенного перепада давления за определенное время; статическое напряжение сдвига (СНС^а) - величину, характеризующую прочностное сопротивление бурового раствора, находящегося в покое за определенное время (1 и 10 минут), -определяли на ротационном вискозиметре с коаксиальными цилиндрами фирмы FANN модель 35А; пластическую вязкость (Ппл) - величину, характеризующую внутреннее трение между соседними слоями дисперсионной среды, диспергированными частицами и межфазное взаимодействие, зависящую от вязкости дисперсионной среды, концентрации, размеров и формы диспергированных частиц, - измеряли с помощью ротационного вискозиметра фирмы FANN модель 35А; динамическое напряжение сдвига (то) -величину, характеризующую сопротивление при течении, обусловленное электрическими силами притяжения-отталкивания, существующими между сольватированными частицами, зависящую от концентрации дисперсной фазы, ее поверхностных свойств, концентрации и природы ионов в дисперсионной среде, наличия в системе веществ стабилизирующего действия, - определяли на ротационном вискозиметре фирмы FANN модель 35А; для определения водородного показателя (рН) использовали рН-метр-милливольтметр рН-340; удельное электрическое сопротивление (УЭС) - величину, определяемую сопротивлением бурового раствора проходящему через него току, отнесенному к единице поперечного сечения и длины взятого объема бурового раствора, - определяли на резистивиметре РВ-1.

3. Изучение триботехнических и поверхностно-активных свойств соапстока

Известно, что наиболее высокими смазочными и противоизносными свойствами при больших контактных давлениях обладают различные карбоновые кислоты и их производные, активность которых возрастает с ростом длины цепи. Для буровых растворов лучшие результаты дают непредельные жирные кислоты с одной, двумя, тремя двойными связями, содержащие не менее 8... 12 атомов углерода, их смеси, мыла, эфиры и другие производные. При этом жирные кислоты растительного и животного происхождения более эффективны, чем нефтяного происхождения (Кистер, 1972).

Соапсток содержит в своем составе в среднем 73.74 % полиненасыщенных жирных кислот, в том числе пентаеновых - 25 %, гексаеновых - 31 %, среди которых значительное количество составляют жирные кислоты с 20.22 углеводородными атомами (Мукатова, 1994).

При изучении возможности использования соапстока в составе смазочной композиции последний непосредственно смешивали с глинистой суспензией в разных соотношениях, так как из-за содержания значительного количества мыл (до 20 %) он способен хорошо эмульгироваться в водной среде.

Результаты исследования триботехнических свойств смазочных композиций представлены на рис. 1.

Анализ результатов исследований показывает, что соапсток повышает смазочную и противоизносную способность модельной глинистой суспензии. Так, при содержании соапстока в композиции 0,5 % значение коэффициента трения фильтрационной корки снижается на 40 %, коэффициент трения пары "сталь-сталь" уменьшается в два раза и предотвращается задир стали. Оптимальной концентрацией соапстока в смазочной композиции следует признать 1,5.2,0 %, так как дальнейшее повышение содержание соапстока в смазочной композиции незначительно влияет на ее смазочные и противоизносные характеристики.

Концентрация соапстока в суспензии, %

Концентрация соапстока в суспензии, %

Концентрация соапстока в суспензии, %

Рис. 1. Влияние добавки соапстока на триботехнические свойства смазочных композиций

Таблица. Сравнение влияния на технологические параметры модельной глинистой суспензии соапстока и традиционной смазочной добавкой СПРИНТ-2

Состав композиции Параметры композиции

Р, г/см3 УВ, с ПФ30, см3 СНС\no, дПа nпл, мПа-с То, дПа рн К, мм УЭС, Ом-м

Глинистая суспензия без добавок (К) 1,065 23 15 15/55 12 30 9,40 0,48 5,50

К + 1,5 % соапстока 1,060 23 13,5 17,5/65 13 25 9,65 0,24 3,15

К + 1,5 % СПРИНТ-2 1,055 21 13,5 10/40 11 21 9,65 0,30 3,00

Результаты исследований влияния соапстока на технологические параметры модельной глинистой суспензии в сравнении с традиционной смазочной добавкой СПРИНТ-2 (омыленные синтетические жирные кислоты), представлены в таблице.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что влияние соапстока на параметры глинистой суспензии сопоставимо с влиянием традиционной смазочной добавки СПРИНТ-2.

Положительным эффектом добавления соапстока в суспензию является улучшение фильтрационных характеристик среды (снижение показателя фильтрации и толщины фильтрационной корки).

К нежелательным эффектам добавления соапстока можно отнести снижение удельного электрического сопротивления глинистой суспензии.

В процессе вскрытия продуктивных пластов с промывкой скважины глинистым раствором на водной основе происходит снижение естественной проницаемости призабойной зоны за счет проникновения фильтрата в нефтеносный пласт и возникновения на границе раздела "нефть-вода" капиллярного давления, направленного вглубь пласта. Это затрудняет вытеснение фильтрата из призабойной зоны.

Известно, что величина капиллярного давления прямо пропорциональна межфазному натяжению на границе раздела фаз. Поэтому для снижения поверхностного натяжения и улучшения технологических параметров бурового раствора в него вводят различные поверхностно-активные вещества (Гноевых и др., 1998).

Результаты исследования поверхностной активности фильтрата глинистой суспензии, обработанной соапстоком, представлены на рис. 2.

Концентрация соапстока в суспензии , % Концентрация соапстока в суспензии, %

Рис. 2. Влияние добавки соапстока на поверхностную активность фильтрата глинистой суспензии

Анализ результатов исследования показывает, что добавление соапстока в глинистую суспензию в количестве до 1,5 % в 1,5 раза снижает поверхностное натяжение фильтрата на границе с воздухом и в 5,8 раза - межфазное натяжение фильтрата на границе "фильтрат-гептан". Дальнейшее увеличение содержания соапстока в фильтрате незначительно влияет на его поверхностно-активные свойства.

5. Заключение

Исследование триботехнических и поверхностно-активных свойств соапстока в составе смазочных композиций позволяет рекомендовать его в качестве реагента, повышающего смазочную и противоизносную способность буровых растворов, а также в качестве поверхностно-активного вещества, оказывающего положительное влияние на весь процесс бурения, включая освоение скважин. Кроме того, использование соапстока в составе технических смазочных композиций способствует решению экологической проблемы рыбоперерабатывающих предприятий.

Литература

Гноевых А.Н., Коновалов Е.А., Вяхирев В.И. Разработка новых смазочных добавок к буровым

растворам и результаты их использования. Нефтяное хозяйство, № 4, с.18-19, 1998. Кистер Э.Г. Химическая обработка буровых растворов. М., Недра, 220 с., 1972.

Мукатова М.Д. Научные и практические основы создания малоотходных технологий кормовой продукции из гидробионтов. Диссертация на соискание ученой степени доктора техн. наук в форме научного доклада, 70 с., 1994.