KR960010988B1 - 바이모달 에멀젼 및 그 제조방법 - Google Patents

바이모달 에멀젼 및 그 제조방법 Download PDF

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인테베프, 에스. 에이.
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Abstract

내용 없음.

Description

바이모달 에멀젼 및 그 제조방법
본 발명은 안정한 저점도 바이모달(bimodal) 수중유 에멀젼, 더욱 구체적으로는 2종의 구별되는 평균 직경 유적(油滴) 크기를 특징으로 하는 불연속 오일상을 갖는 바이모달 수중유 에멀젼에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 장시간이 경과한 후에도 그 점도가 증가하지 않는 안정한 저점도 바이모달 수중유 에멀젼의 제조방법에 관한 것이다.
점성 탄화수소의 비축량은 풍부하다. 베넬수엘라, 캐나다, 러시아, 미국 등의 지역에서 발견된 API 비중이 낮은 점성 탄화수소는 15미만의 AP1비중 및 온도에서, 10,000센티포아즈(cps)로부터 500,000센티 포아즈를 초과하는 범위에 걸침 점도를 가진다. 이러한 오일이 매장되어 있는 곳으로 오일을 대상으로 소비하는 세계 여러곳의 오일 소비 중심지로부터 멀리 떨어진 장소에 일반적으로 위치해 있다.
상기 유형의 점성 탄화수소는 기계적 펌핑과 병행하여 스팀 분사법 또는 기계적 펌핑법 자체에 의해서 또는 채광 기술에 의해서 현재 생한되고 있다. 점성 탄화수소의 고점도로 인하여 종래의 장치로는 이들을 처리할 수 없었다. 점성 탄화수소의 처리를 위해 개발된 대체 방법은 비용이 많이 드는 경향이 있다.
수중 점성 탄화수소로 된 에멀젼의 형성은 특정 조건하에서 수중 점성 오일 에멀젼이 점성 탄화수소 자체보다 더 낮은 점도를 가지기 때문에 점성 탄화수소의 개선된 처리가 가능해진다. 당 업계에는 점성 탄화수소를 수송하는 방법으로서, 먼저 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 형성하고, 이어서 보다 낮은 점도를 갖는 상기 에멀젼을 통상의 파이프 라인을 통하여 펌핑하는 방법이 널리 공지되어 있다. 일반적으로, 위에서 설명한 방법으로 수송하기 위하여 만든 수중 점성 탄화수소 에멀젼은 수중유 에멀젼 중에서 점성 오일의 분산상 함량이 70중량%이하인 에멀젼으로 이루어진다. 오일 함량은, 분산 오일상이 70중량%를 초과해서 증가할 때 에멀젼 점도는 지수 함수적으로 증가한다는 사실에 입각하여 통상 70중량%를 최대값으로 한정하고 있다. 그밖에, 분산 오일상 농도가 70중량%를 초과하고, 유적의 평균 직경 크기가 모노모달(monomodal) 분포를 갖는 수중 점성 탄화수소 에멀젼에 대하여는, 이러한 에멀젼의 점탄성 성질의 결과로서 에멀젼의 레올로 지적 거동의 복잡성과 에멀젼의 고점도로 인해 이 에멀젼을 수송하기 위한 종래의 수단이 무용지물로 되었다. 수중유 에멀젼의 레올로지 성질이 분포 및 평균 직경 유적 크기에 의해서 상당히 좌우된다는 것은 선행 기술에서 잘 알려진 일이다. 따라서, 수중유 에멀젼에서 임의의 알려진 점성 탄화수소 대 물 비율에 대하여 그리고 임의의 주어진 평균 직경 유적 크기 분포에 대하여, 생성된 수중유 에멀젼의 점도는 유적 크기 분포가 더욱 다분산화될 때 줄어든다. 즉, 단분산 에멀젼은 다분산 유적 크기 분포를 갖는 동일 에멀젼보다 높은 점도를 가진다.
이러한 다분산상의 농축된 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 파이프 라인 또는 탱커에 의해서 멀리 떨어진 장소로 수성할때에는 내부적으로 분산된 점성 탄화수소을 가능한 최대값까지 증가시키는 것이 매우 바람직하다. 에멀젼중의 점성 탄화수소 함량을 최대로 증가시킴으로써 점성 탄화수소의 유니트 당 수송 비용이 절감된다. 또한, 이로한 수중 점성 탄화수소 에멀젼이 동력 장치에 연료로서 직접 사용될 때, 에멀젼 중의 점성 탄화수소 농도가 증가할 수록, 에멀젼의 유니트 용적 당 그에 상응하는 에너지 출력량은 더욱 커지게 된다.
따라서, 본 발명의 주목적은 점성 탄화수소의 높은 내부상 농도, 비교적 낮은 점도 및 장기간 동안의 안정한 점도를 특징으로 하는 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 서로 다른 바이모달로 분사된 점성 탄화수소 오일상을 특징으로 하는 전술한 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 목적은 에멀젼의 점도가 에멀젼 생성물의 추가 전단력 없이 용이하게 조절·변화될 수 있는 절술한 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 제공함에 있다.
본 발명의 또다른 주목적은, 장시간에 걸쳐서 내노화성이고, 최종 사용 요건을 충족시키기 위한 임의의 적정 값으로 점도를 조절할 수 있는 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼의 제조 방법을 제공함에 있다.
상기 목적 및 이점은 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼 및 그 제조 방법을 제공하는 본 발명에 의해서 성취된다.
본 발명에 의하면, 본 발명의 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼은, 탄화수소 대 물의 중량비가 약 70:30 내지 약 85 : 15인, 연속 수상 및 불연속 오일상으로 이루어진다. 본 발명에 의한 에멀젼의 중요한 특징에 따르면, 불연속 점성 탄화수소 오일상은 약 15-30미크론의 평균 직경 유적 크기(D1) 및 5미크론 이하의 평균 직경 유적 크기(DS)로 구별되는 2종의 오일상을 특징으로 한다. 본 발명의 바람직한 실시 형태의 의하면, 평균 직경 유적 크기 DS는 3L미크론 이하이다. 본 발명의 수중 탄화수소 에멀젼은 DL/D5비가 5이상, 바람직하게는 10이상이고, 점성 탄화수소중의 약 45-85중량, 바람직하게는 70-80중량%가 평균 직경 유적 크기 DL인 것을 특징으로 한다. 본 발명의 또다른 바람직한 특징에 의하면, 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼은 수중 탄화수소 에멀젼 중의 최대 염 함량이 30ppm 이하에서 유지될 때 장시간에 걸쳐 우수한 내노화성을 나타낸다.
전술한 바의 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼의 제조 방법은, 먼저 40ppm 이하의 염함량을 갖는 탈수된 점성 탄화수소 원료를 제공한 다음, 2종의 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 별도로 제조한다. 이때, 2종의 수중 점성 탄화수소 에멀젼 중 1종은 평균 직경의 유적 크기기 5미크론 미만인 분산된 점성 탄화수소상을 갖고, 나머지 1종은 평균 직경이 유적 크기가 10-40미크론, 바람직하게는 15-30미크론인 점성 탄화수소의 분산상을 가지며, 양 에멀젼중의 점성 탄화수소 대 물의 비율은 중량 퍼센트로 약 70 : 30 내지 약 85 : 15이다. 이어서, 상기 2종의 구별되는 수중 점성 탄화수소 에멀젼은 오일중의 약 45-85중량%, 바람직하게는 70-80중량%가 10-40미크론, 바람직하게는 15-30미크론의 평균유적 크기로 얻어지게 하는 비율로 서로 혼합함으로써 점도가 1초-1및 30℃에서 1500cps 미만이고, 점성 탄화수소 물질상이 2개의 구별되는 한정가능한 평균 직경 유적 크기 분포로 존재하는 것이 최종적인 수중 탄화수소 에멀젼을 형성한다.
본 발명의 방법은, 높은 내부 오일상 농도와 비교적 낮은 점도 및 장시간에 걸친 안정한 점도를 특징으로 하는 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 생성한다. 본 발명의 수중 점성 탄화수소 에멀젼 생성물은 파이프 라인 및(또는) 탱크 등의 통상의 장치에 의해서 용이하게 수송할 수 있으며, 우수한 내 노화성을 나타낸다. 본 발명의 방법은 에멀젼에 추가의 전단력을 가함이 없이 수중 점성 탄화수소 에멀젼의 점도를 조절할 수 있다.
본 발명의 또다른 목적 및 이점은 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 발명은 저점도 및 우수한 내노화성을 특징으로 하는 안정한 저점도 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼을 제공한다. 또한, 본 발명은 이와같은 바이모달 수중 점성 탄화수소 에멀젼의 제조 방법을 제공한다.
점성 탄화수소, 특히 중질 및 초중질 점성 원유, 즉 비투멘 또는 정제 잔유를 처리할 때, 최소 점도값을 갖는 수중 점성 탄화수소 에멀젼은, 각각의 오일상이 적절하게 한정된 평균 직경 유적 입자 크기를 가지며, 여기서 각각의 크기가 서로에 대한 특정 비로 존재하는 2종의 구별되는 분산 오일상을 갖는 에멀젼을 제조함으로써 만들 수 있다. 연속 수상 내부의 불연속 오일상이 약 70 : 30중량% 내지 약 85 : 15중량%의 오일대 물비를 갖는 안정한 저점도 바이모달 수중 탄화수 에멀젼을 얻기 위해서는 불연속 오일상이 2종의 구별되고 한정가능한 유적 크기, 즉 평균 직경이 큰 유적 크기(DL)를 갖는 1종과 평균 직경이 작은 유적 크기(Ds)를 갖는 1종으로 존재해야 한다. 본 발명에 의하면, 평균 직경이 작은 유적 크기 분포(Ds)는 5미크론 이하, 바람직하게는 3미크론 이하이고, 평균 직경이 큰 유적 크기 분포(DL)는 약 10-40미크론, 바람직하게는 15-30미크론이다. 최종적인 수중 탄화수소 에멀젼 생성물이 매우 저점도인 것을 얻기 위해서는, 직경이 작은 유적 입자(Ds)에 대한 직경이 큰 유적 입자(DL)의 비가 5이상, 바람직하게는 10이상이어야 한다. 또한, 생성된 수중 탄화수소 에멀젼이 가능한 한 가장 낮은 점도값을 갖는 것을 얻기 위해서는, 수중 탄화수소 에멀젼 중의 점성 탄화수소의 45-85중량%, 바람직하게는 70-80중량%가 15-30미크론의 오일 소적크기(DL)인 것이어야 한다. 내노화성인 수중 탄화수소 에멀젼, 즉 에멀젼의 점도가 시간이 경과한 후에도 증가하지 않은 수중 탄화수소 에멀젼을 얻기 위해서는 에멀젼 생성물의 최대 염 함량이 15ppm 이하이어야 한다.
본 발명에 의한 안정한 수중 탄화수소 에멀젼 생성물은 전술한 바와같은 바람직한 유적 크기 DL/DS를 갖는 2종의 구별되는 수중 점성 탄화수소 에멀젼 생성물을 제조한 다음, 그후 큰 유적 크기(DL)의 오일을 소정의 중량 퍼센트로 갖는 최종 생성물이 얻어지도록 상기 두 에멀젼들을 적정량씩 혼합함으로써 제조된다. 각각의 바람직한 수중 탄화수소 에멀젼의 오일 대 물 비율은 약 70 : 30 내지 약 85 : 15의 범위내에 있어야 한다. 이러한 에멀젼은 미합중국 특허 제4,934,398호에 기재된 HIPR 기법을 사용하면 제조할 수 있다. 본 발명의 방법에 사용되는 탄화수소는 API 비중이 15이하이고 점도가 30℃이상에서 100,000센티포아즈 만큼의 고점도인 것을 특징으로 하는 점성 탄화수소이다. 이와 같이 하여 얻어진 수중 점성 탄화수소 에멀젼 생성물은 그 점도가 30℃에서 1500센티포아즈 이하인 것을 특징으로 한다.
상기 수중 탄화수소 에멀젼 생성물의 적당한 내노화성을 보장하기 위해서는 본 발명에 의한 에멀젼 제조시 사용된 점성 탄화수소가 탈수되어야 하고 또한 40ppm 이하의 염 함량까지 탈염되어야 한다. 최종 에멀젼 생성물의 염 함량을 조절함으로써, 에멜젼의 안정화 및 에멀젼의 우수한 내노화성이 얻어질 수 있다.
본 발명은 서로 구별되는 유적 크기 DL및 DS의 형태에서 에멀젼 중의 오일량을 조절함으로써 생성 에멀젼의 점도의 테일러링을 허용한다. 따라서, 점도 조절은, 종래에는 에멀젼의 점도를 변화시키는데 통상적으로 필요한 전단 및 응력 에너지의 결과로서 에멀젼의 안정성이 저해되었던 바, 이러한 에멀젼 안정성의 저해없이 그리고 탄화수소 대 물의 비율을 변경함이 없이 변화될 수 있다. 본 발명에 의한 바이모달 에멀젼의 점도를 조절하기 위해서는 분산된 점성 탄화수소상의 작은 유적 크기 DS에 대한 큰 유적 크기 DL의 비율을 변화시키는 것만이 필요할 뿐이다.
본 발명에 의한 생성물 및 공정의 추가 설명 및 이점은 이하의 실시예로 명백해질 것이다.
실시예 1
에멀젼은 베네수엘라 오일 필드사(Venezuelan Oil Field)가 CERRO NEGRO라고 명명한 Cerro Negro 천연 비투멘을 사용하여 미합중국 특허 제4,934,398호에 제시된 HIPR 기법을 이용해서 제조하였다. 이 에멀젼은 인터베프, 에스.에이.사가 INTAN-100(알킬-페놀 에톡시화 유화제)로 상표 등록한 배합물에 기초한 계면활성제의 수용액을 사용해서 하기 표 1에 제시한 바와같이 제조하였다. 초기 오일/물 비율은 중량 기준으로 93/7, 90/10, 85/15 및 80/20이었다. 이 혼합물을 60℃까지 가열하고, 2, 4, 4, 20, 30의 평균 유적 크기 분포 및 모노모달 유적 크기 분포가 얻어지도록 혼합 속도 및 혼합 시간을 변화시키면서 교반하였다. 소정의 유적 크기를 갖는 이러한 에멀젼이 일단 제조되면 물을 사용해서 오일/물의 중량비가 70/30, 75/25, 80/20으로 얻어지도록 희석시켰다.
유적 크기가 3미크론 미만인 에멀젼은 오일에 대해 약 500ml/ℓ의 INTAN-100로 안정화시키고, 그 밖의 모든 에멀젼은 3000ml/ℓ의 INTAN-100로 안정화시켰다.
에멀젼의 물성을 표 I에 나타낸다.
오일 : 물 비가 70 : 30이고 평균 유적 크기 분포가 4.3 및 20.7미크론인 에멀젼 2 및 3을 상이한 비율로 혼합하여 얻어진 바이모달 에멜젼의 점도를 측정하였다. 그 결과를 하기 표 Ⅱ에 나타낸다.
표 Ⅱ에서는 큰 유적 크기 분포(20.7미크론)과 작은 유적 크기 분포(4.3미크론)에서 에멀젼의 오일상의 비율 사이에는 상관 관계가 있음을 보여준다. 최저점도값을 얻기 위해서는 양족 유적 비율이 2개의 동정가능한 차별적인 크기 분포로서 명확하게 한정되어야 한다. 유적 직경이 큰 것과 유적 직경이 작은 것 사이의 중량비와 상관 관계에 있어서, 바이모달 에멀젼의 최저 점도가 약 25중량%의 작은 유적과 약 75중량%의 큰 유적일때 얻어졌다.
실시예 2
유적 크기가 큰 에멀젼 D75중량%와 유적 크기가 작은 에멀젼 D25중량%를 함유하며, 최종 에멀젼 생성물 중의 전체 오일 대 물의 비가 70 : 30인 바이모달 에멀젼을 표 Ⅰ의 에멀젼으로부터 이하의 표 Ⅲ에 나타낸 바와같이 제조하였다.
표 Ⅲ에서는 큰 평균 유적 크기 대 작은 평균 유적 크기의 비(D/D)가 오일 대 물의 중량비를 70 : 30퍼센트로 갖는 에멀젼에 미치는 효과와 바이모달 에멀젼의 점도 사이에는 상관 관계가 있음을 보여준다. 즉, 바이모달 에멀젼의 점도는 평균 직경이 작은 유적의 비율이 증가할 때 증가함을 알 수 있다. 그러나, 에멀젼 F,G 및 H에 대해 보고된 모든 점도 값은 분산상으로서 오일 70중량%를 갖는 모노모달 에멀젼 보다는 훨씬 낮은 수치로 있다(표Ⅰ참조).
실시예 3
표Ⅰ에 나타낸 특성을 갖는 실시예 Ⅰ의 에멀젼을 사용해서, 유적 크기가 큰 에멀젼 D75중량%와 유적 크기가 작은 에멀젼 D25중량%를 함유하며, 최종 에멀젼 생성물중의 전체 오일 대 물의 비가 75 : 25인 바이모달 에멀젼을 표 Ⅳ에 나타낸 바와같이 제조하였다.
표 Ⅳ에서는 오일 대 물의 중량비를 75 : 25로 갖는 바이모달 에멀젼에 있어서 평균 직경이 작은 유적에 대한 평균 직경이 큰 유적의 비(D/D)와 점도 사이이 상관 관계를 보여준다.
상기 표 Ⅳ로부터, 1초 및 30℃에서 1500cps 이하인 점도는 평균 직경이 작은 유적에 대한 평균 직경이 큰 유적의 비(D/D)가 5이상일 때 얻어질 수 있음을 알 수 있다.
실시예 4
표 Ⅰ에 나타낸 특성을 갖는 실시예 1의 에멀젼을 사용해서, 최종 에멀젼 생성물 조성의 전체 오일 대 물의 비 80 : 20에서 유적 크기가 큰 에멀젼 D75중량와 유적 크기가 작은 에멀젼 D25중량%를 함유하며 서로 다른 D/D비를 갖는 또다른 에멀젼을 표 Ⅴ에 나타낸 바와같이 제조하였다. 표 Ⅴ에서는 에멀젼의 오일 : 물 비가 80 : 20이다.
표 Ⅴ에서는 80 : 20중량%의 오일 : 물 비를 갖는 바이모달 에멀젼에 있어서 평균 크기가 작은 유적에 대한 평균 크기가 큰 유적의 D/D비와 점도 사이의 상관 관계를 보여준다. 이 표로부터, 오일 : 물 비가 80 : 20인 바이모달 에멀젼, 즉 80% 분산 오일상을 갖는 바이모달 에멀젼에 있어서 1초 및 30℃에서 1500cps 이하의 소정의 저점도를 얻기 위해서는 평균 크기가 작은 유적에 대한 평균 크기가 큰 유적의 D/D비가 10이상이어야 함을 알 수 있다.
실시예 5
표 Ⅰ에 나타낸 특성을 갖는 실시예 1의 에멀젼을 사용해서, 유적의 평균 크기가 작은 에멀젼 D에 대한 유적의 평균 크기가 큰 에멀젼 D의 D/D비를 표 Ⅵ에 나타낸 바와같이 서로 달리하는 또다른 바이모달 에멀젼을 제조하였다.
표 Ⅵ에서는 오일 대 물의 비를 80 : 20중량%로 갖는 바이모달 에멀젼에 있어서 유적의 평균 크기가 작은 에멀젼에 대한 유적의 평균 크기가 큰 에멀젼의 D/D중량비와 점도 사이의 상관 관계를 보여준다. 이 표 Ⅵ로부터, 오일 : 물의 비 80 : 20을 갖는 바이모달 에멀젼, 즉 20% 연속 수상중의 80% 분산 오일상을 갖는 바이모달 에멀젼의 점도는 유적의 평균 크기가 작은 오일과 유적의 평균 크기가 큰 오일의 중량비를 변화시킴으로써 조절할 수 있음을 알 수 있다. 유적의 평균 크기가 작은 오일의 중량 비율이 증가할 때, 점도는 감소하다가 다시 증가한다.
본 발명은 다른 형태로 실시될 수 있거나 또는 본 발명의 정신 및 본질적 특징을 벗어나지 않는 다른 방법으로 수행될 수 있다. 그러므로, 본 명세서에 기재된 실시 형태는 첨부한 특허 청구 범위에 지적된 본 발명의 정신을 설명하기 위한 것으로서, 본 발명을 한정하는 것으로 간주해서는 안되며, 동의의 의미와 범위내에서 일어나는 모든 변화는 본 발명의 정신에 속하는 것으로 간주한다.

Claims (5)

  1. 유화제와, 중량비로 70 : 30 내지 85 : 15의 오일 : 물 비를 갖는 연속 수상 및 불연속 오일상으로 이루어지고, 상기 불연속 오일상은 15이하의 API 비중과 30℃에서 500cps/초 초과의 검도를 가지며, 10-40미크론의 유적 크기 DL과 5미크론 이하의 유적 크기 DS, 5이상의 DL/DS비 및 오일중의 45-85중량%가 유적 크기 DL인 2종의 구별되는 유적 크기를 특징으로 하는, 안정한 저점도 바이모달 수중유 에멀젼.
  2. 제1항에 있어서, DL이 15-30미크론이고, DS가 3미크론 이하이고, DL/DS비가 10이상이고, 오일중의 70-80중량%가 유적 크기 DL인 수중유 에멀젼.
  3. 제1항에 있어서, 최종 바이모달 에멀젼중의 염 함량이 40ppm 이하인 수중유 에멀젼.
  4. (a) 염 함량이 40ppm 이하이고, 물을 함유하지 않는 점성 탄화수소 된 원료를 제공하고, (b) 1종의 수중유 에멀젼은 5미크론 미만의 분산상 유적 크기(DS)를 가지고, 나머지 1종의 수중유 에멀젼은 10-40미크론의 분산상 유적 크기(DL)를 가지며, 상기 두 에멀젼중의 오일 : 물 중량비가 70 : 30 내지 85 : 15인 2종의 수중유 에멀젼을 별도로 제조하고, (c) 30℃에서 1500cps/초 미만의 점도와, 2개의 동정가능하고 구별되는 유적 크기 분포 DL및 DS로서 존재하고 5이상의 DL/DS비를 갖는 분산된 점성 물질상을 갖는 최종 수중유 에멀젼을 얻기 위해 5 : 1 이상의 비율로 상기 두 에멀젼을 혼합하는 것으로 이루어지며, 에멀젼 중의 오일 : 물 중량비가 70 : 30 내지 85 : 15이고, 불연속상이 30℃에서 5000cps/초를 초과하는 점도를 갖는 점성 탄화수소를 갖는 것을 특징으로 하는 것인, 점도가 시간 경과에 따라 노화하지 않는 안정한 저점도 바이모달 수중유 에멀젼의 제조 방법.
  5. 제4항에 있어서, DL이 15-30 미크론이고, DS가 3미크론 이하이고, DL/DS비가 10이상이고, 오일중의 70-80중량%가 유적 크기 DL인 방법.
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