CN1065780C - 粘性烃在水质缓冲液中的乳剂的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种制取稳定的双型乳剂的方法，它包括将粘性烃与水质缓冲液在控制的条件下混合以制成平均烃类粒径小于5微米的一级单型乳剂。然后将单型乳剂以水稀释并将附加的粘性烃与稀释后的单型乳剂混合，所使用的二级搅拌能足以制成双型乳剂，其中该乳剂的平均最小烃类粒径小于或等于5微米，平均最大烃类粒径小于或等于约30微米。

Description

粘性烃在水质缓冲液中的乳剂的制备方法
本发明涉及制成粘性烃在水质缓冲液中的乳剂的方法及，尤其是作为燃料使用的粘性烃在水质缓冲液中所成的双型乳剂的制备方法。
低比重的粘性烃在加拿大、俄罗斯、美国、中国和委内瑞拉均发现有大量的供应，并且一般为室温下粘度范围在10,000cp至大于500,000cp的液体。这些烃类通常以多种不同方法生产出来，其中包括蒸汽注入法，机械泵法，采矿技术及结合使用这些方法。
生产出来之后，只要将这些烃类去盐，去水及去除其它不需要的组分，就可以将其作为燃料使用。然而，作为一种燃料，这些烃类的粘度太高以至于不适合实际中使用。因此，将这些烃类制成水包油型乳剂以改善其粘度，相应地，改善其流动特性。当制成的乳剂中烃类物质与水的比值很高时，这些乳剂为非常好的燃料。可是，该乳剂并不稳定，如果不以表面活性剂或乳化剂稳定，它将很快破乳。不幸的是，商品乳化剂价格昂贵，因此，使得制成乳剂的成本提高。这一附加成本明显影响使用粘性烃制成燃料乳剂这一方法的可行性。
已知粘性径中本身含有可作为潜在表面活性剂的物质。理所当然，激活这些物质以提供天然的表面活性剂来稳定乳剂而不另外使用商品乳化剂是非常可取的方法，这一方法也因此提供了一种以制成燃料乳剂的方式使用粘性烃的更为实用的替代方法。天然存在于粘性烃中可作为潜在表面活性剂的物质包括多种羧酸，酯和酚类，这些物质在碱性pH环境下可被激活而成为天然的表面活性剂。已使用过氢氧化钠作为填加剂以提供合适的pH。然而，氢氧化钠不能保持水相的pH稳定，因此，合适的pH，激活的表面活性剂和乳剂本身均短暂存在。
当然，迫切需要一种利用存在于上述粘性烃类中的天然表面活性剂制成稳定乳剂的方法。
因此，本发明的主要目的是提供一种制备水包油型粘性烃乳剂的方法，该方法利用存在于粘性烃中的天然表面活性剂来保持乳剂的稳定性。
本发明进一步的目的是提供一种如上所述的方法，此方法尤其适用于形成双型乳剂。
本发明进一步的目的是提供一种如上所述的方法，依此方法制成的乳剂可以作为燃料使用。
本发明的其它目的和优点将在下文中描述。
依据本发明，上文所述的目的和优点将很容易达到。
本发明包括一种用于制成稳定的单型或双型，优选双型的粘性烃在水质缓冲液中的乳剂的方法，依据本发明，将含有未激活表面活性剂的粘性烃在控制的条件下与一种水质缓冲液混合以形成单型的乳剂。水质缓冲液包括水，含量在大于或等于约30ppm的一种碱添加剂和含量在大于或等于约4,000ppm的一种缓冲添加剂，该缓冲添加剂为一种水溶性的胺。其中水质缓冲液的pH大于或等于约11。在搅拌能足以形成粘性烃在水质缓冲液中单型乳剂的条件下将粘性烃与水质缓冲液混合，其中单型乳剂中粘性烃的平均粒径小于或等于5微米。水质缓冲液中的缓冲添加剂从粘性烃中提取出未激活的天然表面活性剂以稳定所制成的单型乳剂。依据本发明稀释该单型乳剂，然后将另外的粘性烃与稀释后的单型乳剂在优化的搅拌速率下混合以制成双型乳剂，所述的优化搅拌速率足以制成粘性烃在水质缓冲液中的稳定双型乳剂。按照本发明，所得的双型乳剂为一稳定乳剂，其烃类与水质缓冲液的比在约60∶40至80∶20，烃类平均最小粒径(Ds)小于或等于约5微米，烃类平均最大粒径(DL)小于或等于约30微米。
本发明中，在水质缓冲液中所使用的缓冲添加剂的浓度为优选约4,000ppm至约15,000ppm。
本发明的方法如以一可提供足够能量的乳剂制备方法制取乳剂，可以制成稳定的双型乳剂，本发明的方法优于在此之前的方法。
附图简要说明
图1为说明本发明制备双型乳剂方法的流程图。
图2为按照本发明方法制备单型乳剂和双型乳剂时所得的粒径分布图。
图3根据本发明方法与原有工艺方法的对比，说明了单型乳剂中混合能对粒径的影响。
图4根据本发明方法与原有工艺方法的对比，说明了双型乳剂中混合能对粒径的影响。
图5说明了依据本发明方法制备单型乳剂时混合能对油滴粒径的影响。
图6说明了依据本发明方法制备双型乳剂时混合能对油滴粒径的影响。
本发明涉及一种制取粘性烃在水质缓冲液中乳剂的方法，尤其是制取作为燃料使用的粘性烃在水质缓冲液中的双型乳剂的方法。
本发明步骤中所使用的自然形成的粘性烃类物质的特征为具有下述化学和物理性质：
     表Ⅰ
粘性烃特征
碳              78-85％
氢              9.0-11.0％
硫              2.0-4.5％
氮              0.5-0.7％
灰粉            0.05-0.3％
氧              0.2-1.3％
矾              50-1,000ppm
镍              20-500ppm
铁              50-60ppm
钠              20-100ppm
API             5.0-10.0
总酸量(mgKOH/g) 2.5-3.8
74°F时粘度     90,000-150,000cst
热量            15,000-19,000Btu/Ib
沥清            9.0-15.0％
这些自然形成的粘性烃类物质含有未激活的表面活性剂，其中包括石碳酸，酚类和酯类，在适当的条件下，这些物质可被激活成为表面活性剂。
本发明中，水质缓冲液中的缓冲添加剂用作提取出粘性烃中的未激活的天然表面活性剂以制成稳定的乳剂。本发明中，水质缓冲液含有水，一种碱添加剂和一种缓冲添加剂，其中水质缓冲液的pH被控制在大于或等于约11。水质缓冲液中所使用的缓冲添加剂为一种水溶性胺。当制备单型乳剂时，我们发现缓冲添加剂的浓度须大于或等于1,000ppm。但是，当以本发明的方法制取双型乳剂时，缓冲添加剂的量必须大于或等于4,000ppm。缓冲添加剂的浓度优选4,000ppm至15,000ppm，在4,000ppm至10,000ppm之间最为理想。水溶性的胺可含有一个烷基或至少两个烷基。特别适于本发明方法使用的水溶性的胺包括下列物质：乙胺，二乙胺，三乙胺，n-丁胺，三异丁基胺，二甲胺，甲胺，丙胺，二丙胺，仲丙胺，丁胺，仲丁胺及上述物质的混合物。
除缓冲添加剂外，所述水质缓冲液还包括一种碱添加剂，其浓度为大于或等于30ppm，优选30ppm至500ppm,30ppm至100ppm最理想。使用本发明的方法时碱添加剂和缓冲添加剂的联合使用可产生协同作用。当联合使用碱添加剂和缓冲添加剂时，形成具有所期望粒径大小乳剂所需的混合能大大降低了。特别适用于本发明水质缓冲液中的碱添加剂包括可溶性的碱金属盐，碱土金属盐，碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物，铵盐，氢氧化烷基铵及它们的混合物。特别适用的碱添加剂包括氯化钠，氯化钾，硝酸钠，硝酸钾，氢氧化钠，氢氧化钾，硝酸钙，氯化钙，氯化镁，硝酸镁，氯化铵，氢氧化铵，氢氧化四铵，氢氧化四丙基铵及它们的混合物。
然后在足以形成粘性烃在水质缓冲液中的单型乳剂的搅拌速率下将粘性烃与水质缓冲液混合，其中，烃类的平均粒径小于或等于约5微米。水质缓冲液中的缓冲添加剂从粘性烃中提取出未激活的天然表面活性剂以稳定所制成的乳剂。经发现，本发明所使用的方法中，大约60,000至200,000J/m3，优选60,000至150,000J/m3的混合能对于形成具有所预期油滴大小的单型乳剂是必需的。
如欲制备双型乳剂，添加水将单型乳剂稀释，然后将附加的粘性烃在搅拌下与稀释后的单型乳剂混合，搅拌速率为足以制成具有下述物理和化学性质的稳定双型乳剂。烃类与水质缓冲液的比在60∶40至80∶40之间，平均最小烃类粒径(Ds)小于或等于约5微米，平均最大烃类粒径(DL)小于或等于约30微米，(DL)与(Ds)的比大于或等于约4，优选大于或等于约10，其中粘性烃重量的70-90％为最大粒径(DL)范围内。本发明中，经发现，为制成上文所述双型乳剂所需的混合能大约在80,000至1,000,000J/m3之间，优选在大约80,000至800,000J/m3之间。所制得的双型乳剂的粘度在30℃和1S-1的条件下小于或等于约500cp。
附图为阐明本发明方法的机理图。在图1中，将水和缓冲剂混合以制成水质缓冲液。然后在水质缓冲液中加入沥清并在第一级混合器中混合以制成单型乳剂。接着，将第一级的单型乳剂以水稀释并在稀释后的单型乳剂中加入附加的沥清。然后，使混合物进入第二级搅拌程序，其中所加的搅拌能可制成本发明的最终双型乳剂产品。
本发明的方法将在下述实施例中作进一步的阐述。
实施例1
本实施例阐述了本发明的稳定的水质缓冲液中双型乳剂的制备。
制备水质缓冲液，其中含有7,000ppm的乙二胺和400ppm的NaOH，其中pH为约11。按照图1所示的操作步骤，将具有表Ⅰ所述性质的粘性烃类沥清加热至约70℃并在静态混合器中与缓冲液混合。沥清与水质缓冲液的比例定为60∶40。选择带有足够混合配件的SMX40静态混合器以提供约80,000J/m3的混合能。第一级操作步骤所制得的单型乳剂具有如图2所示的粒径分布。其平均粒径小于2μm，沥清与水质缓冲液的比例为60∶40。将单型乳剂以水稀释以使沥清∶稀释水质缓冲液的比约为40∶60。将稀释后的乳剂在70℃以另一个静态混合器与附加的沥清混合，沥清与稀释后的乳剂的比例应使最终所得乳剂的比例为80∶20。选择带有足够混合配件的静态混合器以提供大约300,000J/m3的混合能。从第二级静态混合器出来的乳剂具有双型乳剂结构，粒径分布如图2所示。大液滴的平均直径为大约20μm，小液滴的平均直径为大约2μm。本乳剂的粘度在30℃和1S-1的条件下为大约450cp。
实施例2
本实施例阐述了碱添加剂和缓冲添加剂对于制取所需平均粒径的乳剂所必需的混合能方面的协同作用。
在制备乳剂时使用不同量的碱和缓冲添加剂以激活沥清内存在的天然表面活性剂。以沥清与缓冲液之比为60∶40的比例将沥清和缓冲液混合，混合使用混合能为120,000J/m3的混合器。所制得的单型乳剂中液滴大小的结果在表示Ⅱ中给出。
                   表Ⅱ
         NaOH     乙二胺    平均粒径
         (ppm)    (ppm)      (μm)
乳剂A    400         0       ＞100
乳剂B      0     7,000        47.8
乳剂C    400     7,000         3.4
使用含有缓冲添加剂和碱添加剂的缓冲液与使用仅含有二者之一的缓冲液相比，在相同的搅拌能下，前者可获得较小的粒径。
实施例3
本实施例阐述了本发明方法中混合能对于双型乳剂形成的影响。
乳剂的制备方法如实施例2中所述，只是如图1所示，在第一级和第二级的搅拌时使用动态混合器以供给所需的混合能。作为对照，参照美国专利4,776,977号以相同的混合器制备双型乳剂。实验结果在图3和图4中给出。
如图3和4可见到的，本发明的方法需要大为减少的能量来制备相似粒径大小的乳剂。对于制备小粒径的乳剂，本新方法与美国专利4,776,977号的方法相比，仅需低于该方法60倍的能量。使用原工艺方法和本发明方法制备大粒径乳剂时，可得到类似的结果。在原工艺方法中使用表面活性剂与本发明的方法相比，原方法在制取具有相似平均粒径的乳剂时需要多于本方法60倍的能量。
实施例4
本实施例阐述了以本发明方法制取双型乳剂时混合能对于第一级混合和第二级混合所得的平均粒径的影响。
如实施例1所述的方法制备乳剂，混合器采用SMX40型苏尔兹静态混合器，该混合器可用不同数目的混合配件改装。静态混合器上混合配件的数目可决定所使用的混合能。在图5和6中可见实验结果。
可以看到，在第一级混合时，可提供大约60,000J/m3混合能的静态混合器对于制取平均粒径低于3μm的乳剂是必需的。在第二级搅拌时，低于300,000J/m3的混合能对于制取平均粒径低于30μm的乳剂是必需的。
实施例5
本实施例用于阐述以不同的胺制备沥青在水质缓冲液中的单型乳剂。
以实施例1中的方法制备单型乳剂。胺的浓度定为9,000ppm，并在缓冲液中加入400ppm的NaOH。缓冲液的PH为11。不同缓冲剂的实验结果在下表Ⅲ中给出。
       表Ⅲ
缓冲剂           平均粒径(μm)
乙二胺               2.8
乙胺                 4.2
丙胺                 3.8
乙胺+乙二胺(1∶1)    4.1
实验结果表明，以本发明方法使用不同的水溶性缓冲添加剂可制得粒径小于或等于5微米的乳剂。
实施例6
本实施例阐述了不同的碱添加剂对于形成单型乳剂的作用
参照实施例5中所描述的方法。使用9,000ppm的乙二胺，pH值定为11和不同的碱添加剂制备不同的缓冲液。实验结果在表Ⅳ中给出。
              表Ⅳ
添加剂        浓度(ppm)      平均粒径(μm)
NaCl            300              3.7
KOH             400              3.2
NaOH            400              2.8
Mg(OH)2+NaOH   300+200          3.8
NH4OH          500              4.1
实验结果表明，粒径小于或等于5微米的乳剂可以以本发明方法在缓冲液中使用不同的水溶性碱制得。

Claims (19)

1．一种制取粘性烃在水质缓冲液中稳定的双型乳剂的方法，该方法包括下述步骤：
(a)提供含有未激活的天然表面活性剂的粘性烃；
(b)制成含有下述物质的水质缓冲液：水，含量大于或等于30ppm的一种碱添加剂和含量大于或等于4,000ppm的一种缓冲添加剂，该缓冲添加剂为水溶性的胺，其中水质缓冲液的pH大于或等于11；
(c)以50∶50至80∶20的比例将粘性烃与水质缓冲液混合，所使用的在60,000至200,000J/m3之间的第一级搅拌能使其可以形成具有平均烃类粒径小于或等于5微米的粘性烃在水质缓冲液中的单型乳剂，依靠缓冲添加剂从粘性烃中提取出未激活的表面活性剂来稳定乳剂；
(d)向单型乳剂中加入水以形成稀释的单型乳剂；和
(e)将附加的粘性烃与稀释后的单型乳剂混合，所采用的在80,000至1,000,000J/m3之间的第二级搅拌能足以形成具有下述物理和化学性质的粘性烃在水质缓冲液中的稳定双型乳剂；烃类与水质缓冲液的比例在60∶40至80∶20之间；平均最小烃类粒径(Ds)小于或等于5微米；平均最大烃类粒径(DL)大于平均最小烃类粒径(Ds)且小于或等于30微米。
2．按照权利要求1所述的方法，其中缓冲液的浓度在4,000ppm至15,000ppm之间。
3．按照权利要求2所述的方法，其中缓冲液的浓度在4,000ppm至10,000ppm之间。
4．按照权利要求1所述的方法，其中水溶性的胺具有一个烷基。
5．按照权利要求1所述的方法，其中水溶性的胺具有至少二个烷基。
6．按照权利要求1所述的方法，其中水溶性的胺所选择的范围包括乙胺，二乙胺，三乙胺，n-丁胺，三异丁胺，二甲胺，甲胺，丙胺，二丙胺，仲丙胺，丁胺，仲丁胺，及它们的混合物。
7．按照权利要求1所述的方法，其中碱添加剂以30ppm至500ppm的量加入水质缓冲液中。
8．按照权利要求7所述的方法，其中碱添加剂以30ppm至100ppm的量加入水质缓冲液中。
9．按照权利要求1所述的方法，其中碱添加剂所选择的范围包括水溶性碱金属盐，碱土金属盐，碱金属氢氧化物，碱土金属氢氧化物，铵盐，氢氧化烷基铵及它们的混合物。
10．按照权利要求1所述的方法，其中碱添加剂所选择的范围包括氯化钠，氯化钾，硝酸钠，硝酸钾，氢氧化钠，氢氧化钾，硝酸钙，氯化钙，氯化镁，硝酸镁，氯化铵，氢氧化铵，氢氧化四铵，氢氧化四丙基铵及它们的混合物。
11．按照权利要求1所述的方法，其中粒径比DL比Ds大于或等于4。
12．按照权利要求1所述的方法，其中粒径比DL比Ds大于或等于10。
13．按照权利要求1所述的方法，其中粘性烃重量的70％至90％包括在最大粒径DL的范围内。
14．按照权利要求1所述的方法，其中第一级搅拌能在60,000至150,000J/m3之间。
15．按照权利要求14所述的方法，其中制取DL与Ds的比例大于或等于4的双型乳剂所需的第二级搅拌能在80,000至800,000J/m3之间。
16．按照权利要求14所述的方法，其中制取DL粒径小于或等于30μm的双型乳剂所需的第二级搅拌能在80,000J/m3至800,000J/m3之间。
17．按照权利要求1所述的方法，其中粘性烃中未激活的天然表面活性剂所选择的范围包括石炭酸，酚类，酯类及它们的混合物。
18．按照权利要求1所述的方法，其中粘性烃所含有的总酸数大于或等于1。
19．按照权利要求1所述的方法，其中双型乳剂的粘度在30℃和1S-1的条件下小于或等于500cp。
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