1、高等流体力学之减阻剂的原理及应用 演讲人：李宁 冯磊小组成员：范思雨 杜梦楠 李韵 南红岩 熊关全 张若汉 黄雪 李宁 冯磊Your site hereLOGO目录目录Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v 减阻的起源减阻的起源 早在上世纪末,人们就发现海生动物的皮肤粘性皮肤有减阻的作用,然而它的重要性却没有被人们重视。直到20世纪40年代减阻这一概念才被提出。20世纪初美国纽约的消防队员曾使用水溶性聚合物增加排水系统的流量。1948年Toms在第一届国际流变学会议上发表了第一篇有关减阻的论文，文章指出，以少量的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）溶于氯苯中，摩阻可降低约50%
2、，因此，高聚物减阻又称为Toms效应。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v减阻剂的概念减阻剂的概念v 摩擦压降（或摩擦阻力）限制了流体在管道中的流动，造成管道输量降低或能量消耗增加。在流体中注入少量的高分子聚合物，能在紊流状态下降低流动阻力，这种方法称为高聚物减阻。用于降低流体流动阻力的化学剂称为减阻剂（drag reducing agent），简称DRA。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v减阻的发展v 1979年7月1日，美国CONOCO公司生产的减阻剂首次商业化应用 于横贯阿拉斯加的原油管道，并取得巨大成功，之后，减阻剂被用于海上和陆上
3、的数百条输油管道。减阻聚合物的生产条件很难控制，国 际上只有极少数 公司垄断了这项技术，其代表是美国的CONOCO公 司和Baker Hughes公司，他们的产品基本上代表了 目前世界上减阻剂生产工艺的最高水平和发展方向。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v 我国在 80 年代初开始在原有管道中应用 减阻剂。先后在铁大线、东黄线进行了CDR102的现场试验,取得了 一定的成效。v 进入90年代后,又先后在铁大线、秦京线、花格线、格拉县等多条管道上对LP、FLO-XL、FLO-XS 等减阻剂进行了 试验,在减阻剂的应用 技术上积累了比较丰富的经验。浙江大学和成都科技大学
4、在 80 年代和 90年代初进行了室内合成减阻剂的工作,取得了 一定的进展。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v减阻剂的分类减阻剂的分类 减阻剂因指标不同其分类也不同，目前主要按使用对象、溶解性、外观形态和不同后续处理工序惊醒分类。1.按其使用对象分可分为天然气减阻剂、油品减阻剂；天然气减阻剂与油品减阻剂不同，后者直接注入到介质中，而前者是以介质为中间载体。常用的天然气减阻剂包括胺的有机酸盐、噻唑类衍生物等。油品减阻剂包括高分子聚合物和表面活性剂等。它们具有 各自的优点与不足。高分子减阻剂可以在用量很小的情况下,达到很高的减阻效果.然而,在紊流流体的高剪切作用下,其分
5、子量极易因分子链的断裂而降低,甚至失去减阻功能,即通常所说的剪切降解。这种降解是永久性的、不可逆的,这是高分子减阻剂最大的不足。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介v 表面活性剂减阻剂是通过在流体中形成胶束而实现减阻的,具有良好的抗剪切性能.但是要实现减阻,表面活性剂含量必须达到临界浓度,用量较大,此外,表面活性剂必须在流体中混合均匀了才能达到较好的减阻效果,这对于原油管道运输来说又存在一个添加方法的问题,很不经济。为了解决减阻共聚物的超高分子量与剪切易降解之间的矛盾,受胶束减阻抗剪切原理应力控制可逆性的启发,研制出缔合性高分子减阻剂,利用缔合性键的缔合可逆性来解决高分
6、子链在剪切作用下的不可逆降解问题。它同时表明配位键的缔合作用有可能成为联接表面活性剂与高分子两类减阻剂各自优点的桥梁,因此具有重要的研究意义。Your site hereLOGO减阻剂的简介减阻剂的简介 2.减阻剂按其溶解性可分为水溶性和油溶性两大类：水溶性减阻剂目前发现有效的很多,如人工合成PEO(聚氧化乙 烯)、PAM(聚丙烯酰胺)、天然的瓜胶、田青粉槐树豆、皂角粉等。油溶性减阻剂有聚异丁烯、烯烃共聚物、聚长链a-烯烃、聚甲基丙烯酸酮及其它。3.根据聚合物不同后续处理工艺可分为高粘度胶状减阻剂、水基乳胶状减阻剂、低粘度胶状减阻剂、非水基悬浮胶状减阻剂。Your site hereLOGO减
7、阻剂的原理减阻剂的原理Your site hereLOGO 减阻剂的减阻剂机理比较复杂，它涉及到流变学、流体动力学、聚合物的物理化学等学科。到目前为止，还没有一个有说服力的理论对减阻现象作出合理的解释，许多学者和研究人员对这一现象的认识也不尽相同。从目前来看，减阻剂的减阻机理主要有粘弹说、湍流抑制说等等，尚没有完全定论，以下对几种学说分别作一简单介绍。减阻剂的原理减阻剂的原理Your site hereLOGO 粘弹说提出高聚物溶液的减阻作用是溶液粘弹性与湍流旋涡发生相互作用的结果。高聚物的浓溶液具有粘弹性已为实验所证实。湍流旋涡的一部分动能被聚合物分子吸收,以弹性能的形式储存起来,使旋涡动能
8、减少,旋涡消耗的能量也随之减少。减阻剂添加浓度的幅 度将影响它在管道内形成弹性底层的厚度,浓度越大,弹性底层越厚,减阻效果越好。Your site hereLOGO 减阻剂分子填充管道壁上的“凹谷”，减小管道 内壁的粗糙度从而实现减阻。光滑减阻机理光滑减阻机理Your site hereLOGOv根据雷诺数(Re)的大小可以出现两种不同类型的流动，即湍流和层流。v在层流中，流体阻力仅由流体中相邻各流层之间的动量交换所决定。v图：减阻剂的原理Your site hereLOGOv在湍流中，速度分布趋于平均化，流体阻力主要取决于湍流旋涡和管壁之间的动量传递与不同尺寸的旋涡之间的动量传递。在湍流中，
9、流体质点的运动速度随机变化着，形成大大小小的旋涡，大尺度旋涡从流体中吸收能量发生变形、破碎，向小尺度旋涡转化。小尺度旋涡又称耗散性旋涡，在粘滞力作用下被减弱、平息。它所携带的部分能量转化为热能而耗散。在近管壁边界层内，由于管壁剪切应力和粘滞力的作用，这种转化更为严重。v图：湍流抑制说湍流抑制说Your site hereLOGO 湍流中的旋涡流动湍流中的旋涡流动湍流抑制说湍流抑制说Your site hereLOGO 湍流抑制说湍流抑制说 根据这一理论，湍流抑制说的基本观点是：减阻剂加入到管道以后，减阻剂靠本身的粘弹性，分子长链顺流向自然拉伸，其微元直接影响流体微元的运动。来自流体微元的径向作
10、用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲旋转变形。减阻剂分子间引力抵抗上述作用力反作用于流体微元，改变了流体微元的作用力大小和方向，使一部分径向力转变为顺流向的轴向力，从而减少无用功的消耗，宏观上起到减少摩阻损失的作用。Your site hereLOGO最新的研究成果表明,在管道中,流体流动沿径向分为三部分。管道的中心为紊流核心,它包含了管道中的绝大部分流体,其液体质点不断发生相互撞击与掺混,杂乱无章的向前运动。贴近管臂的是层流底层,其液体质点成层地向前运动。层流底层与紊流漩涡之间为缓冲区,其流动状态表现为层流到紊流的过渡，缓冲区是紊流最先形成的地方。层流低层靠近缓冲区的那部分成为薄间层。薄间层
11、中的液体分子会偶尔进入缓冲区,而后开始振动,形成涡流漩涡,同时运动加速,向紊流核心靠近,最终进入紊流核心。薄层间的液体分子从缓冲区进入紊流核心的瞬间会损耗大量的能量。减阻高聚物主要在缓冲区起作用。减阻高聚物分子可以在流体中伸展,吸收薄层间的能量,干扰薄层间的液体分子从缓冲区进入紊流核心,从而阻止其形成紊流或减弱紊流程度。Your site hereLOGOYour site hereLOGO两种极端减阻剂不起作用两种极端减阻剂不起作用v 在层流中，流体受粘滞力作用，没有湍流那种涡流耗散，因此加入减阻剂没有效果。随着雷诺数增大进入湍流，减阻剂就开始发挥减阻作用。雷诺数越大，减阻效果越明显。v 当
12、雷诺数大到一定程度，即流体剪切应力足以破坏减阻剂分子链结构时，减阻剂将降露而失去减阻效果。Your site hereLOGO减阻剂的应用减阻剂的应用领域领域Your site hereLOGO原油运输原油运输v 减阻剂的作用：v 提高管道运输量 油田的原油产量增加或成品油的需求量提高，都需要增加管道输量。然而，对于已建管道，其最高输量是限定的。当没有必要再建一条管道，而汽车运输成本又比较高时，应用减阻剂增加管道输量则是最佳选择。v 保障管道安全运行 管道的安全主要是指管道具有一定的耐压能力。受土壤和油品中腐蚀性物质的影响，管道内、外表面会发生各种腐蚀，出现坑陷、管壁变薄等现象，使管道耐压能力
13、降低；或者由于管道内壁附着一层石蜡、胶质等沉积物，使管道当量管径变小，正常输量时油品运行压力升高。应用减阻剂后，可在输量相同的条件下，降低管道沿程摩阻压降，从而使管道沿线各点的压力明显低于该点的管壁压力，实现管道安全运行。Your site hereLOGO原油运输原油运输v 降低固定投资 减阻剂可在满足输量要求的条件下明显降低管道压力，在设计新管道时，使用减阻剂可以满足耐压要求（降低输油泵规模、减小管径或壁厚等），也可以减少泵站或增大站间距（阿拉斯加原油管道因应用减阻剂而少建两座泵站）。v 增加经济效益和社会效益 减阻剂技术可以随时随地用于增大管道输量，不仅满足了市场需求，而且也提高了管输效
14、益。在2008年春季南方抗击雨雪冰冻灾害和四川汶川大地震的抢险救灾难，通过在成品油管道注入EP减阻剂，每天向灾区多运送成品油数千吨，有力地支援了灾区抗震救灾工作。Your site hereLOGO原油运输原油运输v 消除卡脖子段 多泵站长输管道的输油量取决于可行输量最低的站段。若因自然灾害或人为因素使某站段的摩阻显著上升，则该站段就形成了卡脖子段，其可行输量会严重降低，导致输油任务难以完成，最好的解决办法就是应用减阻剂。2005年8月，铁大复线在辽宁清河遭遇特大洪水冲击，其中一条被冲断，另一条受到严重破坏。这次事故对上游油田储罐的存储能力和下游炼厂用户构成了严重威胁，由于在该卡脖子站段及时应
15、用了EP减阻剂，使受伤管道超负荷安全运行，完成了两条管道的输油任务，保证了大庆原油及时外输。在印度、墨西哥湾等地都曾应用减阻剂消除卡脖子段。Your site hereLOGO原油运输原油运输v 中国实例：v 近年来，新疆塔河油田开展了乳化酸的研究工作和现场施工，取得了显著效果。乳化酸是一种缓速酸，但由于乳化酸的摩阻较高，施工压力高，不利于大排量施工，因而阻碍了乳化酸进一步推广。研究人员通过在油中加入NT19降阻剂，降低外相间分子界面张力和外相与管柱间的摩擦阻力，从而达到降低乳化酸注入摩阻目的。Your site hereLOGO供热供热v 表面活性剂与高聚物相比，它最大的优点就是具有降解可逆
16、性，即在高剪切力或高温作用下，其减阻能力被暂时破坏后，待剪切力或流体温度降低到有效范围内时，它又可恢复减阻性能。鉴于表面活性剂溶液的该特性，表面活性剂湍流减阻主要应用于有泵的循环系统，如集中热水/冷水系统。Your site hereLOGO供热供热v 表面活性剂（或胶束）具有减阻可逆性并且能耐一定的高温 而不降解。焦利芳通过考察减阻剂加入供热系统后总流量的变化情况表明，在减阻剂持续加入该供热系统时,系统的减阻增输效果明显，即系统总流量快速上升。但停止加入减阻剂，使系统中的CTAC（十六烷基三甲基氯化铵）水溶液保持在某一浓度时，该循环系统的减阻效应维持时间较短，经过一段时间后，减阻效应基本消失
17、，即系统总流量降到接近未加入减阻剂时的水平。减阻剂在供热工程中应用可大幅降低流动阻力，今后应该深入开展这方面的研究工作，以获得良好的节能和环保综合效益。Your site hereLOGO生物医学生物医学v 某些大分子物质具有一定的减阻性能和黏弹性，注入血液后，在极低用量（纳摩尔级）的情况下，即可明显改善不同动物模型的血流动力学。在不升高动脉血压的情况下，增加心输 出量、动脉血流速度和组 织微循环灌注；降低出血 性休克模型动物的死亡率；增加和改善正常小鼠以及 糖尿病模型动物的微循环；明显提高动物的运动能力，并且减少严重缺氧导致的 死亡率。Your site hereLOGO其他应用其他应用v
18、减阻剂也可用在消防给水中,减少液体在管道内流动的阻力,提高水的速度和射程,大大提高灭火效率,减小火灾损失。据报导,减阻剂不但对管道输送起减阻作用,就是用喷射水灭火器救火时,若水中加入一定量 的聚氧化乙烯,其射出水速度可提高4倍左右,这无疑可以大大提高灭火 速度 和效率,减小火灾损失。v 研究说明,国产高聚物聚丙烯酰胺(PAM)具有显著的减阻效果,减阻百分比E随溶液浓度、渠道底坡及水力半径的增大而增大.明渠水流减阻,可以增大泄量,从而达到减小排水构筑物尺寸,削减工程投资的目的.应用减阻技术,除了可用于增大水库泄放,城市泄洪以及污水排放的作用外,还可作为超设计标准特殊防护的一种措施.Your si
19、te hereLOGO微囊减阻剂微囊减阻剂v 据文献报道，将高浓度减阻聚合物微粒封装在由某些惰性物质组成的外壳内，便制成了微囊减阻剂，又称MDRA。生产微囊减阻剂的方法有很多种，主要包括静态挤压法、离心挤压法、振 动喷嘴法、旋转盘法、界面聚 合、多元凝聚、悬浮聚合等。生产微囊减阻剂的静态挤压喷 嘴和微囊的形成过程见右图。Your site hereLOGO微囊减阻剂微囊减阻剂v 使用这种装置生产微囊减阻剂，是将聚合反应单体、催化剂和外壳材料分别从中心孔和外环套中加入，并以一定的速度从装置下端挤出，形成微囊减阻剂颗粒。挤出速度非常重要，当挤出速度慢时，形成的微囊颗粒外观规整、尺寸均一；相反，如果
20、挤出速度较快，将会使微囊颗粒发生粘连，造成微囊颗粒形状异常、大小不一。在生产过程中保持一定频率的振动，将有利于控制微囊颗粒的粒度。v 由于单体是在封闭的小微囊内进行本体聚合反应，对于单个微囊，反应规模极小，因此，反应条件可以得到很好地控制，特别是反应热能够被及时散发掉。如果单体是-烯烃，通常使用齐格勒-纳塔体系催化剂，并在微囊形成之前加入。由于齐格勒-纳塔体系催化剂遇到氧气会迅速失效，因此反应体系内不能有氧气存在。某些单体可以使用紫外线引发聚合，但紫外线必须能够穿透微囊外壳。Your site hereLOGO微囊减阻剂微囊减阻剂v 微囊外壳是微囊减阻剂的重要组成部分，外壳材料与微囊内芯的反应物不能相互反应或混溶。如果微囊内芯是-烯烃聚合反应体系，为避免催化剂失效，微囊外壳中就不能有氧气存在，但少量的羟基和羧基对聚合反应影响不大。比较合适的外壳材料有聚丁烯、聚甲基丙烯酸酯、聚乙二醇、蜡、硬脂酸等。若微囊外壳本身是聚合物，其聚合反应可以在生产微囊减阻剂的过程中进行，但是不能制约形成微囊系统的其它技术需求。另外要求微囊外壳在运输和储存过程中性能稳定，其破碎或溶解残渣对原油或石油产品的物化性质以及油品加工过程没有影响。微囊外壳可以通过溶解在注入介质或管输流体中、机械破碎、融化、光化学破碎、生物降解、化合等方法去除。
