Турбулентное течение в трубе разбавленных растворов карбоцепных полимеров тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.13 ВАК РФ

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК СИБИРСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ ХИМИИ НЕЖГИ

ва правах рукописи

ШАНХАЯ ВЛАДИМИР НИКОЛАЕВИЧ

ТУРБУЛЕНТНОЕ ТЕЧЕНИЕ В ТРУБЕ РАЗБАВЛЕННЫХ РАСТВОРОВ КАРБОЦЕПНШ ПОЛИМЕРОВ.

02.СЮ.13 - нефтехимия

02.00.06 - химия высокомолекулярных соединений

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

Томск - 1992

Работа выполнена в лаборатории коллоидной химии нефти Института химии нефти СО РАН

Научный руководитель

Официальные оппоненты

кандидат химических наук В.А.Кувшинов

доктор физико-математических наук А.Я.Малкин

доктор химических наук А.Н.Плвснин

Ведущее учреждение .:

Томский политехнический университет

Защита состоится " мка^/зу " 1992 г. в /бчасов, на заседании Специализированного Совета. К-003.68.01 Адрес : 634055, Томск, проспект Академический, 3 .

Автореферат разослан "/У "" 1992 г..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института химии нефти СО РАН

Ученый секретарь специализированного Совета, кандидат химических наук ¿¿ДЦвл. Т.А.Сагаченко

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. Эффект снижения гидродинамического con- .

ротивления, проявляющийся при турбулентном течении растворов полимеров и вносящий новую информацию о турбулентности и свойствах индивидуальных макромолекул,представляет не только академический интерес, но имеет и большое практическое значение. К настоящему времени это явление нашло широкое применение при разработке внергосберегавдих техногий для трубопроводного транспорта вязких жидкостей, а также для уменьшения потерь на трение в судо- ■ ходстве и в других областях производственной деятельности.

Для рационального использования эффекта Томса на практике требуется теоретическое обеспечение, позволяющее объяснить физическую суть явления и дающее возможность на основе лабораторных сведений о полимерах и растворителях прогнозировать величину эффекта еще до проведения 'широкомасштабного натурного эксперимента. Но сложность явления, обусловленная тем, что взаимосвязанные гидродинамические и физико-химические параметры движущихся растворов конкурируют за влияние на эффект и тем самым еще более затрудняют понимание закономерностей турбулентного течения, привела к появлению большого числа гипотез относительно механизма действия полимерных молекул. Однако ни одна из них. на сегодняшний день-не может претендовать на роль ведущей из-за ограниченности применения или наличия противоречий экспериментальным фактам.

Поэтому до сих пор актуальными являются поиски новых модельных представлений о турбулентном течении полимерных растворов. Аналитические выражения., логически вытекающие из этих представлений, обеспечат инженерно точную и экономически выгодную эксплуатацию вышеназванных технологий.

Целью работы является разработка способа оценки эффективности агентов снижения гидродинамического сопротивления, позволяющего на основе лабораторной информации о полимерах и растворителях прогнозировать величину эффекта Томса.

Задачи исследования :

1.Предложить формализованную модель поведения полимерных макромолекул в пристенной зоне турбулентного течения.

2.Получить следствия из предложенной модели. Представить их в виде уравнений, отражающих! зависимость эффекта от напряже-

А

ния сдвига, концентрации и вязкости полимерного раствора,температуры, молекулярной массы образца полимера и т.д.

3.Используя полученные выражения,- провести сравнительную оценку гидродинамической эффективности различных карбоцепных полимеров в-углеводородных растворителях, определяющих состав нефтей.

4.Провести натурные испытания на магистральном нефтепроводе образца полимера, обладающего оптимальными для агента снижения сопротивления свойствами.

Научная новизна:

1. Используя широко распространенные представления о существовании в полимером растворе флуктуавдонной сетки, предложена модель поведения макромолекул в турбулентном потоке. В ее основу положен процесс качения кинетически индивидуальных фрагментов вязкоупругой среды параллельно оси потока.

2. Установлено, что факторы, уменьшавдие начальный модуль высокоэластичности полимерных клубков, способствуют росту величины эффекта снижения сопротивления.

3. Предложен турбореометрический способ контроля процесса радикальной полимеризации на его начальной стадии.

Практическая значимость работы:

1. Разработана методика оценки, гидродинамической эффективности полимерных добавок, пригодных к промышленному применению..

2. Из ряда полимеров углеводородной природы, исследованных в лабораторных условиях с учетом рекомендаций разработанной методики, в качестве оптимального был выбран образец ВИОЛ, являющийся сополимером высших фракций а-олефинов. Наработанный в количестве 50 т на производственных мощностях Томского нефтехЕ-мического комбината 102 раствор ВИОЛа был испытан 1 октября 1991 года на участке трубы с диаметром 1220 км и длиной 70 км магистрального нефтепровода Длександровское-Анжеро-Судоэнск. Эффект снижения сопротивления от применения ВИОЛа в количестве 45 г на тонну нефти составил 21%,что позволяет рекомендовать бго в качестве агента снижения сопротивления для транспорта углеводородных жидкостей по трубопроводам

Автор защищает:

- Закономерности,вытекающие из предложенной модели поведения макромолекул в турбулентном потоке и представленные в работе в гкалитическей форме.

- Способ оценки в лабораторных условиях гидродинамической эффективности полимерных образцов.

- Возможность применения сополимеров высших а-олефинов в качестве агентов снижения гидродинамического сопротивления нефти и нефтепродуктов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на 13 и

15-ом симпозиумах по реологии (Волгоград, 1984 и Одесса, 1990); на 4-ом и 6-ом совещаниях по проблемам и перспективам ПО ТНХК (Томск, 1990 и 1992);на международной конференции по химии нефти (Томск,1991),а также на некоторых других.

Объем и структура работы. Диссертация общим объемом 140 •

страниц состоит из введения,обзора литературы (глава 2),включающего пять разделов,в которых изложены сведения по гидродинамике, реологии и физико-химии растворов полимеров,снижающих гидродинамическое сопротивление,а также обсуждаются известные механизмы действия полимерных добавок.В главах 3-7 излагаются результаты теоретических и экспериментальных исследований автора.К диссертации прилагается акт испытаний полимерной добавки ВИОЛ на магистральном нефтепроводе Александровское - Анжеро-Судженск. Список литературы включает 114 наименований. Работа содержит 24 рисунка и 9 таблиц.

ОБЪЕКТЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Для экспериментальной проверки предложенного механизма действия полимерных добавок и вытекающих из него аналитических следствий, а также при разработке методики оценки в лабораторных условиях гидродинамической эффективности потенциальных агентов снижения сопротивления в магистральных нефтепроводах использовались как промышленные образцы полимеров (полиизопрен, полибутадиен и др.), так и синтезированные в лабораторных условиях (полиалкилметакрилаты с различными заместителями, сополимеры высших изомеров а-олефинов и др).

Для приготовления растворов брали навеску 1г исследуемого на гидродинамическую эффективность полимера и растворяли ее в' 100 мл растворителя при периодическом медленном перемешивании в течение нескольких суток. Затем путем последовательных разбавлений из полученного концентрированного раствора готовили растворы требуемых концентраций. Приготовленные растворы перед исследованием, как правило, выдерживали в покое не менее суток.

В качестве растворителей использовали различные углеводородные жидкости: гептан, толуол, циклогексан, декалин, деканол, гексанол, бутанол, пропанол и другие, а также маловязкую нефть Самотлорского месторождения и сборную нефть из магистрального нефтепровода Александровское-Анжеро-Судаенск.

Кинематическая вязкость полимерных растворов различных концентраций измерялась на вискозиметрах Уббелоде' с разными диаметрами капилляров. Используя значения кинематической вязкости, рассчитывали величину приведенной вязкости, предельное значение которой при уменьшении концентрации позволяло определять характеристическую вязкость данной системы полимер-растворитель при определенной скорости сдвига. Использование нескольких вискозиметров позволяло измерять вязкости при различных скоростях деформации, что давало возможность путем экстраполяции к нулевому значению скорости сдвига находить максимальное значение характеристической вязкости. Вязкостные свойства концентрированных растворов, например, ВИОДа, изучались на ротационном или вибрационном вискозиметрах.

Размеры клубков ПМА-8 оценивались по данным светорассеяния, полученным на гониометре ALV SP-81. Величина молекулярной массы партии ВИОЛа, синтезированной для проведения испытаний на магистральном нефтепроводе, определялась на ультрацентрифуге MOM 3180. '

Значительная часть экспериментальной работы,связанная с' определением гидродинамической эффективности полимерных, добавок, бала выполнена на турбулентном реометре, изображенном на рис.1.Основным рабочим элементом турбореометра является толстостенная стеклянная трубка длиной L=0,838 м и диаметром D=1,70»10-3n?. Верхний открытый конец трубки сообщается с рабочей камерой реометра, куда заливается исследуемая жидкость (250-300 мл). Через другой конец, снабженный крэнш К4, жидкость имеет выход во Енеешюю среду и далее в приемник П.Для предохранения от механических повреждений стеклянная трубка помешена в металлический кожух. Последний в свою очередь находится в термостатируемой рубашке,в которую от термостата (крио-стата) подается теплоноситель. Избыточное давление в рабочей камере задавалось при помощи газовой системы, работающей на па азоте или инертном газе.Газовая система состоит из баллона со сжатым газом (Г), ресивера (Р), системы газовых трубопроводов, а также запорных кранов Kj.I^.Kg и манометров и Н2

Рис.1. Турбулентны/! реометр.

Рис.2. Распределение скоростей при течении вязкой жидкости в трубе: 1 - ламинарное течение растворителя:

2 - турбулентное течение растворителя;

3 - турбулентное течение полимерного

раствора.

Измерение интервала времени истечения жидкости производилось при помощи электронного секундомера,включающегося и выключающегося при поступлении сигналов от герконов, расположенных в рабочей камере реометра на стационарном расстоянии по вертикали друг от друга. При истечении жидкости из рабочей камеры через капилляр вместе с уровнем по направляющей опускается тороидальный магнит на плотике. При прохождении герконов секундомер ' включается и выключается, т.е. ^кассирует время вытеснения постоянного объема жидкости, после чего находится объемный расход а =

и рассчитываются другие параметры течения :

число Рейнольдса йе = —>

напряжение сдвига на стенке тя= —-О,

среднерасходная скорость и = —4 %

я Б

величина приращения объемного расхода полимерного раствора по сравнению с течением чистого растворителя при том же

напряжении сдвига АО = 0П- 0_, .

" в —

приращение среднерасходной скорости ДСТ = Ир— из

коэффициент гидравлического сопротивления X = 2 ^ -АР

Эффективность полимерной добавки иногда оценивают по ее способности снижать гидравлическое сопротивление и рассчитывают величину эффекта

где ГО -величина эффекта снижения гидродинамического сопротивления,после умножения на 100$ ее часто выражав? в процентах:

и 1р - коэффициенты гидродинамического сопротивления при течении растворителя и раствора соответственно; дрд и АРр -перепада давления на рабочем участке трубы при течении растворителя и раствора полимера; ид и Чр -соответствующие среднерас-ходные скорости; з и р -индексы, соответствующие раствориелю и

раствору полимера.

ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Течение разбавленного раствора полимера в пристенной зоне.

В теоретической части работы использована широко распространенная схема двухслойного течения, согласно которой турбулентный поток хидкости в трубе можно представить состоящим из тончайшей пристенной зоны,в которой выполняются закономерности ламинарного течения и турбулентного ядра.перемещаемого вдоль зоны вязкого течения (рис.2). В непосредственной близости от стенки

движение частиц слоисто-упорядоченное и скорость их линейно воз-

„

растает по мере удаления к оси потока и = ~ -у, где гда - нап- ; ряжение сдвига на .стенке трубы; п - динамическая вязкость; у-расстояние от стенка. В центре потока имеет место хаотическое перемешивание частиц и,как следствие этого,выравнивание скоростей соседних слоев.Характерно,что логарифмическое распределение скоростей в турбулентном, ядре ньютоновской жидкости практически не меняется при внесении в поток полимерной добавки,действие которой проявляется в утолщении пристенной зоны,а следовательно, и в увеличении скорости на условной границе с ядром (рис.2). Поэтому основное внимание в' диссертационной работе уделено поведению полимерных клубков в пристенном слое.

Полагая,что фдуктуационная сетка полимерного раствора,граничащая со стенкой трубы,деформируется под действием внешних сдвиговых нагрузок как тело Кальвина-Фойхта,можно прийти (в случае малых интервалов времени воздействия на вязкоупругую систему) к линейной зависимости скорости произвольного слоя от расстояния, характерной для ламинарного течения.Такое зге линейное распределение скоростей присуще и катящемуся шару,что позволяет сплошную сетку в пристенной зоне представить в виде слоя,в котором осуществляется качение кинетически индивидуальных тел под действием касательных сил.Внешниэ сдвиговые нагрузки разрушают флуктуационную сетку, на отдельные вязкоупругие тела,перемещение которых вдоль стенки можно рассматривать как непрерывную совокупность деформаций-поворотов вокруг мгновенных осей вращения. Катящимся телом может быть статистически свернутый макромолеку-лярннй клубок с иммобилизованным раствортелем или ассоциат полимерных молекул и к нему применимо положение механики,согласно которому алгебраическая сумма работ всех внешних сил здет на изменение полной механической энергии и частично дисси-

пируется.Такой подход позволяет определить толщину подслоя

Р х*

где р - плотность раствора; * - градиент скорости; х = -

время релаксации; Б = ( • - модуль высокоэлас-

тичности; С - концентрация; С г? 3 - характеристическая вязкость; М - молекулярная масса; Т - температура; И - газовая постоянная.

Поскольку большая часть перемещаемой жидкости в трубэ сосредоточена в турбулентном ядре,средняя скорость которого определяется в основном скоростью на границе с ламинарным подслоем (рис.2),то,вычитая из скорости Ш5р) движения частиц на границе вязкого течения раствора полимера скорость (и5д) на границе вязкого подслоя растворителя при том же напряжении сдвига, получим величину приращения скорости (Ш) .практически постоянную для большей части поперечного сечения трубы.

ли = и5р- Л8В= .5р . ^ .в8 ( 2 )

где £с= а --ГГ-- толщина вязкого подслоя при течении чистого

3 * П~и о3

растворителя; и,= - динамическая скорость; -кинема-

тическая вязкость растворителя.

Приведя последнее уравнение к виду

-Ж. - Л ч» -"»Ь

еХр(--Я_) . а ( 3)

х-*

согласно которому для развитого турбулентного течения,т.е.при

больших значениях х-х » к,следует ожидать линейную зависимость от и,,что и подтверздаиг экспериментальные результаты, приведенные на рис.3.

Начальные условия проявления эффекта СГДС.

Из выражения (2) после подстановки в него значений 5С и сд естественным способом следует "пороговое" условие проявления эффекта Томса.Приращение скорости будет величиной положительной тогда,когда будет выполняться неравенство

-ехр(~—) > аГЗЁ. ,

Щ х-* I р

которое при х-* >х можно привести к соотношении

-пгпг <4> "

Таким образом,щи наличии турбулентного режима течения в трубе,начиная с некоторого критического напряжения сдвига,называемого пороговым

гпор - ТпГЧ • ( 5 >

можно экспериментально наблюдать явление снижения гидродинамического сопротивления. Как следует из предыдущей формулы, вели-' чина тем меньше,чем больше значения молекулярной массы образца и характеристической вязкости,а также чем меньше температура раствора.

Влияние напряжения сдвига на величину приращения средне-расходной скорости. В условиях,когда х-* » я .т.е.при достаточно больших значениях т^, уравнение (2) можно огрубить и тогда должно иметь место приблизительное равенство

АО 2 -1н. , ( 6 )

в соответствии с которым приращение скорости пропорционально напряжению сдвига. Графической иллюстрацией справедливости фор--мулы ( б ) может служить рис.4.

Влияние молекулярной массы и объема клубка на приращение

скорости. Из выражения (б) также следует, что приращение

скорости должно возрастать при уменьшении величины в.После подстановки в формулу (6) известного выражения для модуля высоко-эластичности С^У ^

с = кс* ~ТГ~ =

получим уравнение,согласно которому все факторы, влияющие на размеры клубка, изменяют скорость течения полимерного раствора

Аи = т„

?К ; ( 7 )

Р*сКГ

где К0= ( 1 - величина, зависящая от концентрации и

характеристической вязкости раствора; ?к- объем макромолекуляр-ного клубка; К - постоянная Больцмана.

В диссертации представлены и обсуждены с точки зрения предложенной концепции экспериментальные результаты для полиме-

при турбулентном течении толуольных растворов иолибу-тедчена различных концентраций и молекулярных масс:

1 мм - 12-10^: с =• 0,1 : т * газ°к.

2 - мм = 6-ю5: с » 1.0--^ : т - 293ск.

Г

) - мм = 12-10?: с = 0,05-^5 т = 293°к.

м

¡410,4. Зависимость приращения скорости от напрлкения однига при течении растворов полибутадиена

( ЫМ-б-Ю5: С-О.Ь [м 1=0.5-",, ) в толуоле:

5 - г - 293°к: з - х»°к: 4 - згз°к.

ров разной молекулярной массы,изучено влияние термодинамического качества растворителя и микропримесей, способных менять модуль высокозластичности. Деградация полимерных растворов при многократном прохождении через канал объясняется разрушением флуктуашонной сетки на все более мелкие фрагменты,т.е.уменьше-нкем величины тк.

Влияние температуры на эффект СГДС. Известно,что незави-

симо от режима течения ньтоновской жидкости с ростом температуры и параллельным уменьшением вязкости скорость течения увеличивается. При турбулентном же течении растворов полимеров при- ' ращение среднерасходной скорости с ростом температуры, как правило, уменьшается (рис.4.),что согласуется с уравнением (7).

Влияние вязкости на приращение объемного расхода. Сведения

из литературных источников о влиянии вязкости растворителей на гидродинамическую эффективность полимерных добавок довольно противоречивы. Например, высказывается мнение, что величина снижения сопротивления больше в еязких растворителях. К такому выводу мсжно прийти, если проводить экспериментальное исследование полимерных растворов при одинаковых числах Рейнольдса. Тогда,в турбулентном реометре для достижения наперед заданного значения Ие в более вязких растворителях надо создавать большие напряжения сдвига, чем в маловязких. Но увеличение напряжения сдЕига.как было показано выше, приводит к возрастанию скорости течения, а следовательно и величины эффекта.

Экспериментальное изучение влияния вязкости, на наш взгляд, следует проводить при постоянном напряжении сдвига,учитывая при этом, что кроме изменения собственно самой вязкости при переходе от одного растворителя к другому,'будет меняться еще и характеристическая вязкость,т.е.будет сказываться влияние термодинамического качества растворителя. Прояснить условия, при которых доминирует влияние того или иного фактора, позволяет уравнение

АО = «§.—£(1--— ) ( 8 )

где да - приращение объемного расхода; т^ - напряжение сдвига на стенке; м 1- плотность и вязкость раствора; С - модуль вы-' сокоэластичности; радиус трубы.

Анализ уравнения показывает,что приращение объемного расхода существенно зависит от вязкости при турбулентном течении полимерного раствора в трубках малого диаметра.При перемещении

и

маповязкнх гидкостей в трубах большого дишетра вторым членом алгебраической суюш в круглых скобках можно пренебречь.и тогда доминирующим фактором станет термодинамическое качество растворителя , определящее значение модуля высокоэластичности. Влияние концентрации на приращение объемного расхода.

Записав в развернутом виде значение Кс выражения (7),можно получить уравнение. ошсывапдее концентрационную зависимость расхода (рис.5)

где А = ; С - концентрация; [п! - характеристичес-

кая вязкость.

Проведя несложные преобразования с уравнением ( 9 ), шк-но прийти к линейной зависимости величины -т^- от С в области малых концентраций.

¿0- = -шг + Xе =* • < 10 >

в котором величина а , отсекаемая прямой на оси ординат

1 { 10а )

и величина р, численно равная тангенсу угла наклона прямой

Графическая интерпретация уравнения (10) с использованием экспериментальных данных для различных систем полимер-растворитель. приведенная на рис.6, подтверждает его выполнимость для всех исследованных-систем. При анализе характера изменений прямых, определяемых значениями а и 0, могно сделать вывод, что они адекватно "откликаются" на все изменения параметров течения и физико-химических свойств растворов ( [г)3. Т и др.), от которых зависят согласно (11а) и (116). Испсхяьзуя значения р для растворов полибутадиена в толуоле, полученные опытным путем на турбулентном реометре,появляется возможность рассчитать объем клубка по формуле

а

?к= ( а ) -рЫ . (

В результате расчетов получены значения ~ 10 11 м , сопоставимые с размерами отдельных макромолекул с молекулярной массой в несколько миллионов.

Экспериментально подтвержденная (рис.6) справедливость

лС'И&Ле

0.2 0.5

Рис.1». Зависимость прирааеняя объемного раехоля от концентрация поляиорноЯ добавки ( г_ - 172 Ня и Т -293°К)!

1 - раствор полибутааиеяа в толуоле. 1п1 - О.ач-

и3

2 - раствор полкязоетрена в толуоле, 1п1 - 0.53

3 - раствор поликзопрэяа в нефти. (г)1 = 0.45-==-.

-4-10?. кг. с/г/* ай

0,1 0,3 0.5 . С.кг/м3

Гнс.Ь. Зависимость величины

"КГ

от концентрации дозалки:

1 - [1УА-8 в толуол» ( 1к - 32 Па: Т - 328 К ).

2 - ША-8 В толуоле- ( * 50 1131 Т - 299°К .)..

3 - 1ЫА-8 в бутаяолп ( 1Щ = 116 Па; Т = 318РК ).

4 - полиакрпламид в воде ( т =20 По: Т = ?93°К ).

5 - полиизопрен в толуоле ( т 116 Па; Т = 293°К ).

- Г.«" !Ь

Т - ).

линейного уравнения (10) дает возможность использовать его также для определения неизвестной концентрации Cz после измерения на турбулентном реометре величины приращения объемного расхода раствора этой концентрации

«-¿От

V Tirmx < 12 5

Если из-за отсутствия количественных значений того или иного 1взического параметра нет возможности рассчитать а и р , то их можно определить экспериментально. Для этого требуется измерить приращения объемных расходов растворов двух известных

концентраций, вычислить отношение и по тангенсу угла на клона прямой определить р. 8 по величине отрезка, отсекаемого прямой на оси ординат, значение а.

То обстоятельство, что полимерные добавки в ничтожно малых концентрациях (до 1г/мэ) оказывают существенное влияние на турбулентное течение в трубе, позволяет использовать турбореомет-рический метод для исследования кинетики процессов радикальной полимеризации, особенно на начальных стадиях, когда минимальные количества образовавшегося полимера находятся за порогом чувствительности вискозиметрического или оптического методов.

ПОДГОТОВКА И ПРОВЕДЕНИЕ ИСПЫТАНИЯ ПОЛИМЕРНОЙ ДОБАВКИ ВИОЛ НА МАГИСТРАЛЬНОМ НЕФТЕПРОВОДЕ АЛЖСАНЕРОВСКОЕ - АНЖЕРО-СУЛХЕНСК Лабораторное изучение гидродинамической эффективности полимерной добавки. Проблема использования полимерных добавок при транспорте жидкостей имеет две стороны: технологическую и экономическую. Последний аспект проблемы сводится в основном к уменьшению количества добавки, вносимой в единицу перекачиваемой жидкости. Поиск образца, дающего максимальный эффект при минимальной концентрации, был ограничен нами кругом полимеров, выпускаемых химической промышленностью страны, или, как в случае ВИОЛа, для синтеза которых имеются технологии и промышленные мощности.

При постоянном напряжении сдвига 105 Па, которому соответствовало Re= 13*ЮЭ в толуоле и Re= 18*ЮЭ в гептане, были исследованы растворы полиоктилметакралата, натурального каучука, полиизопрена, двух образцов полибутадиена с различными молекулярными массами < ПБв- Ы=?6И0Б и ПВ1а- 1Ы2И0® ),а также ВИОЛа Максимальный эффект ( DR ~ 0,7 ),как видно из таблиц 1 и 2, был

получен для растворов ШОЛаЛри этой оптимальная концентрация ВИОЛа находится в интервале 20-50 г/ыэ, что на порядок ниже . чем у ближайшего по эффективности ПБ|а. Полученные сравнительные результаты в пользу ВИОЛа. позволим вести дальнейшую работу с этим образцом в направлении изучения его перспективности при использовании в качестве агента снижения сопротивления в магистральной нефтепроводе.

Таблица 1

Образец Ш при различных концентрациях добавки [Т)1.

полимера В Т0Л1 голе. • кг/м3 иэ/кг

0,02 0.03 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0 2.0

ВИОЛ 0.70 0.70 0,68 0.66 - - - - 1,20

ПВ12 0,33 - 0,47 0,61 0.64 0.63 0.60 - 0,85

ПБб 0,06 - 0,15 0,27 0.36 0.48 0.56 0.55 0.48

ПИ о.и - 0.34- 0.42 0.48 0.54 0.58 0.56 0.53

нк - - - 0.08 0.18 - 0.45 - 0.36

ПМА-8 - - 0.25 0.36 0,48 0,56 0.60 - 0.44

Таблица 2.

Образец полимера Ш при различных концентрациях добавки в гептане , кг/м3 • Сп1. м3/кг

0,02 0,03 0,05 0,1 0,2 0.5 2.0

ВИОЛ 0.65 0.68 0.71 0,70 • 0,50 - 1.10

ПБ 13 - - 0,40 0.56 - - - 0.33

НК - - - - 0,09 0.33 0,41 0.22

Несколько видоизменив неравенство ( 4 }. место прогнозировать, что снижение трения на магистральном нефтепроводе дадут только те полимерные раствор;, для которых выполняется соотношение

М.Сг»] > — Ч

где г^ - напряжение сдвига на стенке конкретного трубопровода.

Из последнего неравенства следует, что эффективность добавки зависит не татько от молекулярной массы образца, но и от величины [г?], которая характеризует термодинамическую совместимость полимера с растворите«. Нефть является шогокошгонвнт-

нов системой, свойства которой определяются относительным содержанием в ней предельных, циклических и ароматических соединений, а также наличием полярных соединений, содержащих гетеро-атомы в своей структуре. Поэтому были проведены исследования ВИОЛа в различных модельных растворителях. Как следует из таблицы 3, практически во всех растворителях вышеназванных классов ВИОЛ склонен проявлять высокую гидродинамическую эффективность при малых концентрациях ( до 100 г/мэ )

Таблица 3

Наименование Ш растворов ВИОЛа различных концент Re- ir)]. . .3

растворителя равдй(кг/ы3)при V105 Па* т=293 к° • КГ3 м кг

0.02 0.03 0.05 0.1

Толуол 0,70 0.70 0,68 0,66 13,0 1.2

Гептан 0,63 0,65 0,71 0,70 18,0 1.1

Циклогексан 0,58 - 0,62 0,62 7,5 0,9

Декалин ■ - 0,47 0,52 3,5 0,6

50Х деканола+

50* гептана - 0,54 0,55 3,5 0,8

50Хгексанола+

50% гептана - ■ - 0,43 0,50 5,0 0,5

Нефть

(тя=315 Па) 0,19 - 0,36 0,42 3,0 0,5

При турбореоыетрическоы исследование ВИОЛа в маловязких растворителях и напряжении сдвига т* = ЗПа, характерном для магистрального нефтепровода Александровское - Анжеро-Судженск, были получены значения Ш в интервале 0,2-0,4. Другие полимерные образцы при таких низких напряжениях сдвига оказались малоэффективными .Тагам образом,полученные в лаборатории результаты послужили основанием для промышленного синтеза ВИОЛа на Томском нефтехимическом комбинате.

Проведение испытания полимерной добавки на магистральном

трубопроводе. Испытание полимерной добавки ВИОЛ проводилось 1 октября 1991 года членами научно-исследовательского

кооператива "Полихин" и специалистами ПО МНЦС на магистральном нефтепроводе Александровское-Анжеро-Судженск с диаметром трубы 1220 мм. Для испытания был выбран участок трубопровода между последней нефтеперекачивающей станцией (НПС) в Орловке и конечным пунктом в Анжеро-Судженске, где происходил учет и сбор нефти (рис.7). Узел ввода полимерной добавка был расположен примерно на средине этого участка ( на расстоянии 69 км от конечного пункта). Перепад высот мевду конечным пунктом и полигоном в Семилужках составлял 50*.

Узел ввода состоял из цилиндрической емкости, шестеренного насоса с электродвигателем во взрывозащщеннш исполнении и устройством для ввода полимерного раствора в нефтепровод. Вй-кость,снабженная уровнемером, была наполнена Ш растворил ВИОЛа в гептане. По уровнемеру через каждый час в процессе эксперимента фиксировали падение уровня, рассчитывали объем,оставшегося концентрата, а затем объемный расход вводимого концентрата.Он равнялся в среднем е = 2,9 м3/час, что при объемном расходе нефти в трубопроводе <Зд % 6»Ю3 м3/час, • обеспечивало концентрацию полимерной добавки С ~ 0,035 кг/к3.

Изменение давления регистрировали по маншэтру Рг Противодавление на узле приема нефти в Анжеро-Судженске подперчивалось постоянным Р2~ 4,5 кг/см3. Там же измерялся объешща расход нефти, ее вязкость, плотность и температура.Во время .испытаний число Рейнольдса и напряжение сдвига было, соответственно Ке ~ 3,5 «Ю5 и 1^=3 Па. При перекачивании нефти без добавки потери давления на трение с учетом противодавления и гидравлического столба составляли ДР = (15-4,5-4,2) кг/см2 = 6,3 кг/ил2 Концентрат вводился в течении 12 часов, при этом наблюдалось плавное падение давления Р с 15 кг/сма до 13,75 кг/см3. За это время "голова" партии нефти, обработанной присадкой, продвинулась на 62 км от узла ввода. Следует заметить, что за это па время объемный расход нефти вырос с 6050 и3/чес до 6180 м3/час. Через 12 часов после начала подачи полимерной добавки в нефтепровод величина ГО составила 21%. После окончания подачи концентрата и по мере вытеснения нефти с полимерной добавкой начался обратный процесс восстановления давления Р .

Для оценки полученного эффекта сравнил его с данными испытаний добавки СБй-102, проведенными фирмой "Коноко" на участке Траисаляскинского нефтепровода длиной 96 кг,; и диаметром 122С?.5М. При 0лизксй концентрации С = 0,047 кг/м3 фирмой "Коноко"

Узел ввода

НПс Ппиптгп Семилужкк

км ,,

ф 1220

НВЗ Ктек-кяя

На 80 м

№180 и

н<гзо м

Рис. 7а. Участок проведения испытании полимерной длбяоки

•и нефтепроводе Александровское — Анягеро-Судженск.

Ряс. 7.6. Узел ввода полимерной добавки.

получен несколько больший эффект ( 291 ). Но необходимо учесть, что на Трансаляскинском нефтепроводе во время испытаний было

большее напряжение сдвига ( 7,5Па ), а также то, что во время испытаний на трубопроводе Александровское-Анжеро-Судженск экспериментальный участок был заполнен не полностью. Все это позволяет высказать предположение, что по своим технологическим качествам полимерная добавка ВИОЛ сравнима с СШ-102.

ВЫВОДЫ.

1. Из предложенной в работе модели поведения макромолекулярных'

клубков в пристенной зоне турбулентного течения следует,что величина приращения среднерасходной скорости обратно пропорциональна корню квадратному из модуля высокоэластичности, значение которого,как известно,определяется величиной молв-лекулярной массы образца полимера,температурой и концентрацией раствора.Экспериментальное изучение влияния вышеназванных факторов на величину эффекта Томса дало качественное, а иногда и количественное подтверждение справедливости полученных уравнений,отражащих зависимость приращения объемного расхода от различных гидродинамических и физико-химических параметров полимерных растворов.

2. Выведена формула, согласующаяся с временны?,! критерием Ламли

для начала проявления эффекта Томса и позволяющая рассчитывать пороговые напряжения сдвига для полимерного образца известной молекулярной массы в различных растворителях.Полученное соотношение между напряжением сдвига на стенке конкретного трубопровода,температурой, характеристической вязкостью и молекулярной массой полимерного образца дает возможность прогнозировать технологический эффект.

3. Показано, что прэ течении жидкости в трубках большого

диаметра влияние термодинамического качества растворителя на приращение объемного расхода является доминирующим по сравнению с динамической вязкостью растворителя.

4. Предложен турбореометрический метод аналитического контроля

процесса радикальной полимеризации на начальной стадии.

5. Разработан способ оценки в лабораторных условиях гидроди-

намической эффективности потенциальных агентов снижения сопротивления.В его основу положена необходимость проведения исследования полимерных растворов при напряжениях сдви-

га, не превышающих, реально существующие на трубопроводах. 6. При проведении натурных испытаний полимерной добавки ВИОЛ на магистральном нефтепроводе Александровское-Анжеро-Судонск было установлено, что по своим технологическим качествам она не уступает широко используемой добавке CDR-102. Полученный результат позволяет рекомендовать ВИОЛ в качестве агента снижения гидродинамического сопротивления для создания энергосберегающих технологий трубопроводного транспорта углеводородных жидкостей.

ПУБЛИКАЦИИ.

f. Белоусов Ю.П., Коваль Л.Б., Ыанзсай Ё.Н. Влияние полимерных добавок на реологические свойства нефтей и нефтепродуктов/ 13-й Всесоюзный симпозиум по реологии: Тез.докл.-Волгоград,1934.-С.88-89.

2. Белоусов С.П., Коваль Л.Б., Зонова Г.И., Ыанхшй В.Н. Присад-

ки для снижения гидродинамического сопротивления нефти прн течении в трубопроводах // Перспективы переработки нефтехимического сырья для производства топлива и высокомолекулярных полимерных материалов: Тез.докл..-Тобольск,1984.-С.88.

3. Ыанжай В.Н., Зонова Г.И., Белоусов Ю.П. Добавки для улучше-

ния текучести нефтепродуктов // Развитие химической промышленности Сибири: Тез.докл.-Томск,1985.-С.32.

4. Пологительное решение по заявке N 3109608 (229138) от

01.11,85 Белоусов Ю.П., Дшгтраева S.T., Большаков Г.Ф., Ыангай В.Н.,Тихонова Л.Д. б.'Несш Г.В., Цанга2 В.Н., йедоров И.А., Белоусов Ю.П. Влияние температуры на гидродинамическое сопротивление жидкостей с шшморвши добавками // Научно-практическая конференция ТШ: Тез.докд.-Тсыск,1985.-С.112-115.

6. Шнжай В.Н., Зонова Г.И., Белоусов Ю.П. Исследование меха-

низма действия противотурбулентных присадок в нефти и нефтепродуктах // Присадки для углеводородных топлив и ыасел.-М.:Сборник научных трудов UHHTa.-1986.-N 205.-С.68-73.

7. Не сын Г.В., Манжай В.Н., Шибаев В.П. Влияние длины бокового

заместителя полн-н-алкилметакрилатов на их способность снижать издродинамическое сопротивленвэ // BJC.-1936.-28Б, Н 9.-С.714-717.

3. Манжай В.Н. Влияние концентрации полимерной добавки на снижение гидродинаьшческого сопротивления нефти //Нефть и газ.Известия вузов.-1987.-N 1.-С.59-61.

9. Манжай В.Н., Сухова И.И. Влияние температуры и концентрации

полимерной добавки на пропускную способность трубы.// Деп.ВИНИТИ.-И 722- В 87.

10. Манжай В.Н. Условия проявления эффекта Томса // Физико-

химические свойства дисперсных систем, и их применение. Сборник научных трудов.-Томск:1988.-С.82-84.

11. Манжай В.Н. Взаимное влияние концентрации и вязкости на

течение раствора полимера /7 Структура растворов и диспе-рсий.-Новосибирск: Наука,1988.-С.19-21.

12. Манжай В.Н. Основы турбореометрического метода исследования

разбавленных растворов полимеров // Томск: Труды конкурса молодых ученых Института химии нефти. 1988.-С.3-13.

13. Несын Г.В., Манжай В.Н., Шибаев В.П. Влияние температуры и

природы растворителя на способность снижать гидродинамическое сопротивление щцкости // EMC.-1989.-t.31A, Ы7.-С.1412-1418.

14. Сухих Г.Л., Несын Г.В., Манжай В.Н., Майер Э.А. Использова-

ние олефкновых сополимеров в качестве агентов снижения гидродинамического сопротивления нефти // Проблемы а. перспективы развития ПО ТНХК.-Томск,1990.-С.42-43.

15. Манжай В.Н. Турбореоме'тряческое. исследование разбавленных

растворов полимеров // 15-й Всесоюзный . симпозиум по реологии. Тез. докл.- Одесса,С.140-141.

16. Анцибуров К.А., Богословский A.B., Манжай: В.Н., Неснн Г.В.,

Илюшников A.B. Проявление эффекта Тоггса в сырой нефти и • нефтепродуктах // Международная конференция по ееен нефти: Тез.докл.-Тшск, 1991 .-С.308.

17. Несын Г.В., Манжай В.Н., Гареев М.Н., Ивнеников A.B. и др.

Применение бысеих полз-а-олафиЕов в трубопроводной транспорте нефти // Проблеет и перспективы рззвития ПО ТНХК: Тез.докл.-Томск, 1992.-С.56-58.

18. Гареев М.Ы.,Несын Г.В.,Ыанжай В.Н. Результаты введения в поток нефти присадки для снижения гидравлического сопротивления // Нефтяное хозяйство.-1992.-И10.-С.30-31.

Формат 60x84 1/16. Объем 1, 5 поч. л. Заказ 979. Бесплатно. Тираж 100 экз.

Малое предприятие 'Полиграфист*

634055, Томск-55, пр. Академический, 2/8