УСТРОЙСТВО ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ СКОРОСТИ ХИМИЧЕСКОЙ РЕАКЦИИ ВЕЩЕСТВ ГАЗОМЕТРИЧЕСКИМ СПОСОБОМ
DEVICE FOR DETERMINING RATE OF CHEMICAL REACTION OF SUBSTANCES USING GASOMETRIC METHOD

Заявляемое изобретение относится к устройствам по измерению скорости химических реакций различных веществ путем измерения объема выделенного газа расчетным путем по давлению газа. Способ удобен для измерения кинетики растворения образцов карбонатных пород различными растворами кислот и кислотными составами.
В авторском свидетельстве №582481 Установка для измерения скорости химических реакций авторов: Харитонов В.В., Станиловский А.И. Житенев Б.Н. (опубл. 30.11.77, бюл. №44.) описана газометрическая установка для измерения скорости химических реакций. Установка содержит измерительную ячейку, в которой размещены два реактора одинакового объема, связанных с дифференциальным датчиком давления. По скорости выделения газообразных продуктов реакции, создающих избыточное давление, судят о скорости и интенсивности химической реакции. При помещении в реакторы образца горной породы, например карбонатной породы, скорость реакции породы с соляной кислотой будет зависеть от структуры и геологической неоднородности образца и толщины диффузионного слоя, насыщенного продуктами реакции кислоты и породы. Серия из нескольких опытов будет иметь разные результаты по скорости химической реакции, это внесет погрешность в результаты измерений. Второй недостаток измерения - это необходимость длительного периода времени для проведения серии экспериментов, связанных с оценкой сходимости полученных по одному образцу кернового материала продуктивной нефтенасыщенной породы.
В реактор помещают образец керна, начинается химическая реакция, в результате которой в непосредственной близости от поверхности керна образуется диффузионный слой, насыщенный продуктами реакции кислоты и карбоната кальция. Для обеспечения доступа к поверхности керна свежих порций кислоты в установке используют механическую мешалку. Это усложняет конструкцию реактора и установки в целом.
2
Известно устройство по способу измерения скорости химической реакции кислотного состава с образцом кернового материала в форме диска диаметром 3,8 см. (1,5 дюйма) и толщиной 1,27 см. (0,5 дюйма) по материалам работы ((Technology Measurement of Acid Reaction Rates with the Rotating Disk Apparatus)). (K.C. Taylor; Nasr-El-Din H.A. // Journal of Canadian Petroleum Technology, Volume 48, Issue 06. June 01 2009). Измерения проводились при давлении азота в системе 6,9 МПа для того, чтобы выделившийся в ходе растворения породы углекислый газ CO оставался в растворе. Подготовленные диски, вращающиеся с заданной частотой погружали в кислоту необходимой концентрации и через каждые 2 минуты отбирали пробы раствора для анализа (время проведения эксперимента 20 минут). Концентрацию перешедших в раствор ионов кальция определяют методом комплексонометрического титрования. Удельную скорость растворения рассчитывали по количеству кальция, перешедшего в раствор с единицы площади поверхности диска за единицу времени.
Вырезанные из одного кернового материала диски отличаются друг от друга по микронеоднородности внутреннего строения - по пористости и проницаемости, поэтому химическая реакция кислоты с поверхностью породы протекает с различной скоростью. Для объективной оценки измеряемого параметра для одного керна необходимо провести не менее десятка трудоемких исследований, а результат будет иметь определенную погрешность из-за выборочной оценки и непредставительности образцов в форме дисков.
Вторым недостатком рассмотренной исследовательской установки является то, что диск образца горной породу необходимо вращать для обеспечения поступления свежей порции кислоты к поверхности реагирующего вещества. Скорость замены диффузионного слоя с продуктами реакции на кислоту товарной кондиции в серии опытов может отличаться из-за конвективных потоков в жидкой среде и особенности строения самого образца кернового материала. Это также приведет к повышению погрешности измерений.
В качестве прототипа выбрана газометрическая установка статического по книге авторов: Денисов Е.Т., Ковалев Г.И. Окисление и стабилизация реактивных топлив. - М.: Химия, 1983 г. Реактор установки представляет собой цилиндрический сосуд, снабженный механической мешалкой, которая уплотняется с помощью ртутного затвора. Реактор снабжен термометром и обратным холодильником с водяным охлаждением. Температура в реакторе поддерживается с помощью термостата. Изменение объема газа в реакторе замеряют вручную с помощью газовой бюретки через каждые 5-10 минут.
В реактор помещают образец керна, начинается химическая реакция, в результате которой в непосредственной близости от поверхности керна образуется диффузионный слой, насыщенный продуктами реакции кислоты и карбоната кальция. Для обеспечения доступа к поверхности керна свежих порций кислоты в установке используют механическую мешалку. Это усложняет конструкцию реактора и установки в целом.
Технической задачей по изобретению является разработка установки по измерению скорости химической реакции веществ, в частности, между соляной кислотой и образцом карбонатной породы, который обеспечит получение достоверного результата для всего образца кернового материала различной массы за короткий период времени. Установка должна обеспечить выполнение следующих функций:
- объективность измерений скорости реакции карбонатной породы с кислотами при любой массовой пропорции породы и кислоты;
- периодический выпуск в атмосферу газообразных продуктов реакции породы с кислотой при большой скорости химической реакции и выделении значительных объемов газа и повышении давления выше допустимой величины;
- весь объем горной породы должен контактировать со свежими порциями кислотного состава, моделируя тем самым динамические условия закачки кислоты в продуктивный пласт карбонатного типа и обеспечивая минимизацию диффузионного слоя кислоты, насыщенного продуктами реакции.
Техническая задача решается в устройстве по определению скорости реакции веществ газометрическим способом, содержащее колбообразный реактор из корпуса и крышки, контейнер для горной породы, закрепленный на штоке и газоотводную трубку с датчиком давления, дополненное тем, что контейнер выполнен в виде вертикального сетчатого цилиндра для заполнения молотой карбонатной породой необходимой массы и имеет с внешней стороны ребристые пластинки вертикального расположения, верхняя часть штока цилиндрической формы выполнена полой и имеет отверстие между уровнем кислотного состава и верхней части крышки для вывода газообразных продуктов реакции кислоты с породой в газоотводную трубку, соединенную со штоком, газоотводная трубка снабжена обратным клапаном для выпуска газообразного продукта реакции в атмосферу, шток с контейнером находятся в неподвижном положении, а ректор закреплен на центрифуге и вращается с постоянной заданной угловой скоростью для создания эффекта перемешивания кислотного состава в реакторе, место соединения штока с крышкой реактора герметизировано сальниковым уплотнением.
По изобретению предложено устройство, в котором процесс перемешивания кислотного состава организован таким образом, что вращается реактор с кислотой, а карбонатная порода в сетчатом контейнере находится в неподвижности.
Схема устройства приведена на фигуре, где обозначены в позициях следующие элементы: 1 - корпус реактора, 2 - крышка реактора 3 - подвижный шток с полостью в верхней части, 4 - отверстие в полость штока, 5 - сальниковое уплотнение, 6 - сетчатый контейнер, 7 - вертикальные пластинки, 8 - молотая горная порода, 9 - кислотный состав, 10 - газоотводная трубка, 11 - датчик давления, 12 - обратный клапан, 13 - компьютер с монитором, 14 - центрифуга, 15 - штатив для крепления штока в неподвижном положении.
Устройство эксплуатируется в следующей последовательности:
1. Корпус ректора 1 располагают на центрифуге 14 и в корпус наливают расчетную массу соляной кислоты определенной концентрации.
2. В сетчатый контейнер 6 насыпают расчетную массу молотого и отсортированного по размеру частиц горной породы продуктивного нефтенасыщенного пласта карбонатного типа.
Необходимо отметить то, что размер сетчатой ячейки всегда меньше, чем размер молотой частички горной породы, это исключает выпадение горной породы за пределы сетчатого контейнера.
3. Крышку 2 герметично закрывают к корпусу 1, при этом шток 3 фиксируют на штативе 15 так, чтобы насыпная порода в контейнере 6 оказалась в средней части кислотного состава.
4. Центрифугу 14 включают во вращательное движение вместе с корпусом реактора. Вместе с реактором вращается и кислота, она сталкивается с неподвижными вертикальными пластинками 7 и перемешивается по всему своему объему.
2
5. При взаимодействии кислоты с горной породой молотого состояния со значительной пористостью произойдет равномерная по всей высоте породы в контейнере химическая реакция с выделением газообразного продукта, например двуокиси углерода СО.
6. Выделяющийся газ будет барботировать сквозь жидкую кислоту и собираться под крышкой реактора и перетекать сквозь отверстие 4 в полость штока 3 и выше в газоотводную трубку 10 и далее в зону датчика давления 11.
7. По мере взаимодействия кислоты с горной породой количество выделенного газа будет расти, в определенный момент содержание растворенного газа в кислоте начнет влиять на скорость химической реакции. Для исключения этого фактора по изобретению предложено при достижении давления в газоотводной трубке определенной величины производить сброс газа в атмосферу через обратный клапан 12.
8. По датчику давления 11 через равные промежутки времени фиксируется давление в газовой среде, а значит и количество выделенного в процессе реакции горной породы с кислотой газа. Информация от датчика давления передается на программный продукт компьютера 13, кинетика скорости химической реакции (определяется по объему выделенного газа) и остальная необходимая информация о процессе в реакторе изображается на мониторе компьютера.
По мнению авторов, заявленное изобретение в сравнении с аналогами и прототипом имеет следующие существенные отличия и новизну:
1. В вертикально расположенный цилиндрической формы контейнер можно засыпать необходимый объем карбонатной породы в зависимости от количественного присутствия в породе собственно карбоната кальция. Эксперименты можно проводить в широком диапазоне массовой пропорции кислоты и породы.
2. Перемешивание кислотного состава происходит за счет вращения самой кислоты, а не мешалки. Во вращательный процесс вовлекается весь объем кислоты, который сталкивается с неподвижными вертикальными пластинками и становится однородным по составу, что необходимо для создания равнозначных условий в сериях лабораторных экспериментов.
3. При создании избытка газа и давления в газовой среде предусмотрен периодический сброс газа в атмосферу через обратный клапан.
Положительный технический результат по изобретению заключается в том, что использование установки дает возможность проводить многофакторные эксперименты за короткий период времени. Можно исследовать влияние на скорость химической реакции следующих факторов одновременно или порознь:
- разные массовые пропорции кислоты и породы;
- разная скорость вращения центрифуги и как следствие создание разной скорости перемешивания кислоты (моделирование скорости закачки кислоты в пласт);
- перепуск газа в атмосферу для повышения безопасности проводимых исследований и создания одинаковых термобарических условий для взаимодействия кислоты с карбонатной породой.