CC BY
117
ПРОБЛЕМЫ НЕФТЕДОБЫЧИ, НЕФТЕХИМИИ, НЕФТЕПЕРЕРАБОТКИ И ПРИМЕНЕНИЯ НЕФТЕПРОДУКТОВ
УДК 66.074.332
Р. Р. Хуснуллин, Р. Ф. Хамидуллин, А. В. Шарифуллин ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫХ ВЕЩЕСТВ И ПОЛИМЕРОВ ДЛЯ СНИЖЕНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ОБОРОТНОГО ВОДОСНАБЖЕНИЯ
Разработаны высокоэффективные реагенты для увеличения пропускной способности трубопроводов. Проведены их сравнения с промышленно-применяемыми реагентами.
На предприятиях химической и нефтехимической промышленности широкое распространение получили системы оборотного водоснабжения с охлаждением воды, которые подразделяются на замкнутые, полузамкнутые и комбинированные. Нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ) являются крупнейшими водопотребителями. Расход охлаждающей оборотной воды в системах оборотного водоснабжения НПЗ составляет 30-80 тыс. м3/ч, эксплуатационные расходы на перекачку воды составляют 6,5-8 % от стоимости переработки сырья. Затраты на электроэнергию, потребляемую электродвигателями насосов, составляют 25-30% от всех затрат на электроэнергию [1].
Бесперебойность поступления оборотной воды обеспечивается: а) гидравлическим напором (давление) в установленных пределах; в) физико-химическим составом. Снижение давления или ухудшение качества воды ниже установленных норм приводит к существенному росту затрат на перекачку [2]. В настоящее время проблема решается двумя путями: а) повышением давления на насосе; б) увеличением производительности водопроводов, что в обоих случаях ведет к увеличению расхода электроэнергии на насосах и снижением механической прочности сварных и болтовых соединений.
Наиболее эффективной и недорогой технологией повышения пропускной способности трубопроводов при сохранении затрат на перекачку является добавление в поток жидкости небольшого количества ПАВ, полимеров и их композиций (эффект Томса). Механизм действия этих присадок различен: одни, адсорбируясь на стенках трубопроводов, создают слой, который уменьшает трение жидкости; другие - уменьшают уровень турбулентности в трубопроводе, не реагируя с его внутренней поверхностью, не меняют свойства перекачиваемого продукта. Закачка в трубопровод химических реагентов позволяет избежать затрат на установку новых насосов, строительство дополнительных насосных станций и лупингов [3].
Целью данной работы является оценка эффективности применения реагентов: А - с азотной группой; Ф - с фосфатной группой; ВОК - высокоорганических кислот, проявляющих поверхностно - активные свойства для систем оборотного водоснабжения.
Для проведения исследования нами была изготовлена оригинальная установка, которая позволяет определить не только эффект Томса, но и перепад давления на участках с дополнительными сопротивлениями. В отличие от других применяемых методов определения гидравлического сопротивления (прокачка жидкости через капилляр, определение
реологических характеристик и т.д.) этот способ позволяет смоделировать реальный процесс перекачки в водооборотном контуре.
Установка для определения эффекта Томса состоит из центробежного насоса 2 мощностью 400 Вт, змеевика 5 диаметром 10 мм и длиной 4,5 м, а также бака 1 на 10 л (рис. 1). При проведении опытов замерялись расход воды по расходомеру 4, температура перекачиваемой жидкости и перепад давления на змеевике с помощью манометров 3 при различных положениях запорной арматуры и различных концентрациях добавок.
3
Рис. 1 - Схема установки по определению эффекта Томса
Исследования проводили с водой в гидродинамическом режиме «развитой турбулентности» ЇЧе>15000, среднее время циркуляции (время одного оборота) при рабочих расходах воды составляет 1-3 минуты. В результате был установлен характер изменения параметров системы после внесения соответствующей добавки по времени, при этом время проведения одного опыта составило от 10 мин до 1 ч.
При длительном пребывании полимерных молекул в потоке и больших напряжениях сдвига, как правило, отмечается постепенное уменьшение величины снижения сопротивления из-за механической деструкции. Деструкция макромолекул является основным фактором, ограничивающим в ряде случаев практическое использование полимерных добавок для снижения турбулентного трения [4].
Проведенные исследования [5,6] показали, что снижение сопротивления турбулентного трения (эффект Томса) в циркуляционном контуре выражается в увеличении расхода жидкости при сохранении давлений в точках контура. Поэтому для количественного определения влияния механической деструкции на снижение турбулентного трения воспользуемся формулой [5]
Т= 10) • 100%, (1)
Ь 0
где 1_, 1_о - расходы воды в присутствии и отсутствии добавки, м /ч.
Для определения устойчивости исследуемых реагентов к разрушению мы провели опыты на установке (рис. 1) в течение часа. В качестве сравнения действия исследуемых
реагентов были выбраны полиакриламид (ПАА) с молекулярной массой 3-10 и ПОЛИ-ОКС с молекулярной массой 2,4-106. Эти вещества являются самыми распространенными добавками для снижения гидравлического сопротивления.
Проведенный анализ показывает (рис. 2), что низкомолекулярные реагенты (А, Ф, ВОК) проявляют более высокую устойчивость и стойкость к разрушению при длительном использовании, чем высокомолекулярные полимеры. После часового применения эффект Томса снизился не более чем на 9 %. На начальном этапе испытаний ПАА и ПОЛИОКС, хотя и проявили высокую эффективность, однако через 1 ч прокачки их влияние на гидравлическое сопротивление почти прекратилось.
Т, %
Время, мин
Рис. 2 - Зависимость эффективности реагентов от времени нахождения в циркуляционном контуре при 1=350С, Рв>15000, с расходом 2 мг/л: 1 - ВОК; 2 - А; 3 -Ф; 4 - КМЦ; 5 - ПАА; 6 - ПОЛИОКС
Низкую устойчивость полимеров можно объяснить тем, что они не успевают полностью адсорбироваться на поверхности трубопровода, а успевают лишь сконцентрироваться у поверхности трубы. Попадая в зоны интенсивной гидродинамики и другие участки с большим сдвигающим усилием (на изгибах, измерительных приборах, насосах), полимеры разрушаются, что подтверждается проведенными экспериментами. Отсюда можно сделать вывод, что добавление полимеров позволит получить эффект снижения гидравлического сопротивления только между двумя насосными установками, после прохождения которых полимеры будут разрушаться и понадобится повторное добавление этих реагентов.
Целесообразность применения реагентов оценивается не только с позиций устойчивости эффекта, но и с позиций их концентрации в воде. Так как полимеры (ПАА, ПОЛИОКС) в циркуляционном контуре оказались неэффективными, то для сравнения реагентов
был выбран реагент КМЦ (карбометилцеллюлоза), показавший хорошую устойчивость при длительной перекачке в циркуляционном контуре (рис. 2).
Высокие концентрации не только экономически не выгодны, но могут приводить к ряду нежелательных последствий (увеличению содержания кислорода, эмульгированию дисперсных частиц и т.д.). Поэтому дозировку реагентов определили в диапазоне от 2 до 20 мг/л.
На втором этапе исследований было изучено влияние концентраций этих реагентов на величину снижения гидравлического сопротивления (эффекта Томса). При этом удобно величину эффекта снижения сопротивления определять как относительное уменьшение перепада давления при течении раствора ПАВ и растворителя (в нашем случае это вода). Для этого случая величина эффекта снижения сопротивления определяется по формуле [7]
— = Л1 ~Л2 • 100%, (2)
Л Л1
где и ^2 - коэффициенты сопротивления при течении раствора и растворителя соответ-
ственно, которые могут быть найдены из соотношения [7]
ДР = Л • - • . (3)
С1 2
Здесь ДР - перепад давления на участке трубы длиной I; С - диаметр; иср - расходная скорость. Эксперименты проводились на той же установке (рис. 1) при температуре 35°С и времени контакта 10 минут.
Анализ графических зависимостей (рис. 3) показывает, что наиболее эффективным для снижения гидравлического сопротивления при Ке>15000 является ВОК. При
Рис. 3 - Зависимость эффекта снижения гидравлического сопротивления реагентов от концентрации в воде при 1=350С, Рв>15000, т=10 мин: 1 - ВОК; 2 - А; 3 -Ф; 4 - КМЦ
увеличении концентрации ВОК повышается его эффективность. ВОК хорошо адсорбируется на внутренней поверхности трубы из-за поляризованности молекулы. Это определяет-
ся наличием в составе данного вещества атома фосфора, имеющего неподеленную электронную пару. Но это неполное объяснение, также его высокая эффективность связана с молекулярной массой (М. м. ВОК=206, М. м. Ф=164) и структурой молекулы. Так, если сравнить ВОК и Ф (рис. 3), характер изменения кривых зависимостей их одинаков, а величина эффекта Томса различна. Такое же сравнение можно провести с реагентом, содержащим азотную группу. Из вышеизложенного можно сделать вывод, что наличие в реагентах азотной и фосфатной групп увеличивает эффект Томса. Также следует отметить, что эти реагенты применяются в качестве ингибиторов солеотложения и коррозии, а это значит, что применение их является экономически целесообразным.
Хорошие результаты показал КМЦ. С повышением концентрации реагента наблюдается рост эффективности, однако после достижения оптимальной концентрации его эффективность снижается. Уменьшение расхода с ростом концентрации полимера обусловлено возрастанием вязкости раствора, что подтверждается литературными данными [3]. Таким образом, использование КМЦ с концентрацией меньше 14 мг/л нецелесообразно.
На основании проведенных исследований можно сделать следующий вывод, что при однократном введении в поток этих реагентов увеличивается пропускная способность оборотных систем водоснабжения примерно в 1,2 - 2 раза. Тем самым решается проблема экономии электроэнергии, потребляемой насосами, и поддержание установленного давления в системе.
Литература
1. Яковлев Д.Г., Поляков С.И. Экономическая эффективность систем оборотного водоснабжения. М.: Химия, 1978, 224 с.
2. Шабалин А.Ф. Эксплуатация промышленных водопроводов. М.: Изд-во «Металлургия», 1972. 504 с.
3. Мастобаев Б. Н. Химические средства и технологии в трубопроводном транспорте нефти. М.: Химия, 2002. 296 с.
4. Механика турбулентных потоков Сб. науч. трудов. М.: Наука, 1980. С.7-27.
5. В. Н. Шарифуллин, Г. Г. Гыйлманов, А. В. Шарифуллин // Химическая технология. 2005. №7.
С. 34 - 37.
6. С.В. Чичканов, В.А. Мягченков//Транспорт и подготовка нефти. 2004. №1. С. 93 - 95.
7. Механика турбулентных потоков / Сб. науч. трудов. М.: Наука, 1980. С.44 -69.
© Р. Р. Хуснуллин - асп. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ; Р. Ф. Ха-мидуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. химической технологии переработки нефти и газа КГТУ; А. В. Шарифуллин - канд. техн. наук, доцент той же кафедры.
