CC BY
78
ХИМИЯ, ТЕХНОЛОГИЯ И ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПОЛИМЕРОВ
УДК532.529.5:678.745.842
С. В. Чичканов, Д. Ф. Яковенко, А. И. Шамсуллин, С. В. Крупны,
В. А. Мягченков
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СТЕКЛЯННЫХ КАПИЛЛЯРОВ И ПРИРОДЫ ПОЛИМЕРНОЙ ПРИСАДКИ НА ВЕЛИЧИНУ ЭФФЕКТА ТОМСА В ВОДНЫХ СРЕДАХ
Изучено влияние геометрических параметров стеклянных капилляров, а также концентрации и химической природы водорастворимых (со)полимеров на величину снижения гидравлического сопротивления в турбулентных водных потоках. Показано, что изменение линейных размеров капилляров (их длины и диаметра) влияет, прежде всего, на динамику турбулентного течения на начальных участках капилляров, что непосредственно сказывается на величине макроскопического эффекта Томса..
В России, США и ряде других промышленно развитых стран получен большой экономический эффект за счёт внедрения новой технологии скоростной транспортировки пс магистральным трубопроводам нефтесодержащих дисперсных систем, базирующейся на использовании полимерных присадок (совместимых с нефтью неполярных высокомолекулярных соединений типа полиолефинов) для снижения гидравлического сопротивления турбулентных нефтяных потоков (эффект Томса). О достижениях в этой области можно судить, в частности, по работам Манжая В. Н., Несына Г. В. [1-3], Челинцева С. II. [4] и др.
На сегодняшний день гораздо менее ясны перспективы использования для интенсификации процесса массопереноса нефтссодержащих дисперсных систем другого класса присадок - водорастворимых полярных полимеров, например, (со)полимеров акриламида. Проблема использования водорастворимых (со)полимеров для снижения гидравлического сопротивления нефтяных потоков при турбулентном режиме течения приобретает особую актуальность в связи с наметившейся в последние десятилетия отчётливой тенденцией повышения обводнённости добываемой нефти [5]. В большинстве случаев у реальных объектов дисперсионные среды представляют собой сложные системы с варьируемыми в широких пределах показателями по pH, ионной силе, концентрации активных компонентов и др. Всё это, несомненно, влияет на результирующий макроскопический эффект Томса. В связи с этим исследования по влиянию на величину эффекта различных факторов (параметров среды, ограничительного контура, характеристик самой полимерной присадки) становятся особенно актуальными.
В наших более ранних работах [6-9] была показана сильная зависимость величины эффекта Томса от химической природы, молекулярных параметров и концентрации полимерных присадок, от pH, ионной силы среды и содержания в ней активных компонентов (полимеров, ПАВ, электролитов и др.). В ходе проведённых исследований был сделан принципиально важный вывод о наличии вблизи внутренней поверхности капилляра особой пристеночной зоны потока [6, 9], в которой создаётся своеобразный лабильный за щитный барьер из макромолекул полимерной присадки, препятствующий распростране-
нию волн турбулентности от стенки в ядро потока и в обратном направлении. На внутренней стенке трубок (капилляров) в водно-солевых средах образуется сравнительно тонкий двойной электрический слой (ДЭС), от параметров которого сильно зависит результирующий баланс сил при тяжения и отталкивания между заряженными макроионами полимера и стенкой капилляра. При изменении таких параметров среды, как pH или ионная сила, происходит изменение конформации и размеров макромолекул полимера, а также соотношения между размерами пристеночного слоя и ДЭС, что в свою очередь отражается на величине эффекта Томса.
К другим важнейшим параметрам, от которых зависит конечный результат при использовании полимерных присадок в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентных потоков, следует отнести диаметр, длину и разветвлённость сети трубопроводов. Очевидно, что постановка большого количества экспериментов на реальных, находящихся в эксплуатации трубопроводах нефти (магистральных, промысловых и др.) сильно затруднена, а в большинстве случаев просто невозможна. Теоретический подход к изучению процессов трубопроводного транспорта нефти тоже не получил широкого распространения из-за применимости его лишь к отдельным частным случаям и при целом ряде упрощающих предпосылок и допущений. В настоящее время при изучении основных закономерностей химических и гидродинамических процессов достаточно успешно применяются экспериментальные методы, основанные на теории подобия [10, 11]. при которых исследуемые модели выполняются в уменьшенных по сравнению с оригиналом масштабах и воспроизводят изучаемые процессы как бы в «миниатюре», но с сохранением всех основных закономерностей. Именно такой подход и был выбран нами в качестве базисного при разработке методики проведения эксперимента.
В данной работе на модифицированном турбулентном реометре изучено влияние химической природы и концентрации (со)полимеров, а также геометрических параметров контура (диаметр и длина капилляров) на величину эффекта снижения гидравлического сопротивления турбулентных водных потоков.
Обсуждение результатов эксперимента начнём с анализа концентрационных зависимостей параметра Т для различных по химической природе (со)полимеров при использовании капилляров с фиксированным диаметром с!к=0.84Т0’ м и различающихся между собой по длине 1_ - 0.075, 0.15 и 0.60 м (рис. 1).
По данным рис. 1 можно отметить, во-первых, практически идентичный вид концентрационных зависимостей величины эффекта Томса для всех длин капилляров, существенное различие кривых лишь в масштабном факторе - по величине параметра Т. Аналогичный вид зависимостей Т=^С) зафиксирован и в ряде работ других исследователей [1, 12]. При увеличении концентрации полимера величина эффекта Томса сначала растёт, а после достижения некоторой оптимальной концентрации выходит на плато или начинает плавно снижаться. Во-вторых, необходимо отметить тенденцию снижения величины эффекта Томса по мере увеличения давления (при постоянстве длины и диаметра капилляра) и с уменьшением длины капилляра.
По данным рис. 1 чётко прослеживается зависимость величины параметра Т от природы (со)полимеров - наиболее высокие показатели у высокомолекулярных гибкоцепных анионных сополимеров акриламида (А1 и Аг) и полиоксиэтилена (ПОЭ). Добавление в турбулентный поток жёсткоцепного полимера - натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ) незначительно сказывается на скорости водного потока и на величине прироста
т
0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
■ 1 ▲ 2
< ► < > ►
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600
и, мм
Рис. 2 - Зависимость параметра Т от длины капилляра 1_ (м) (диаметр капилляра с!к=2.61-10 3 м) при концентрации С (со)полимеров А1 (/), ПОЭ (2) и
„о
НКМЦ (3) в растворе 0.08 кг м . Давление в резервуаре реометра Р=10 атм
Таблица 1 - Зависимость чисел Рей- Для качественного объясне-
нольдса для водных растворов сопо- ния полученных эксперименталь-
лимера А1 от длины капилляра 1_ (м) и ных данных необходимо учесть, что
давления в резервуаре Р (атм) сам переход резервуар - стеклянный
капилляр можно рассматривать как разновидность местного гидравлического сопротивления типа «боковой внутренний насадок» при истечении жидкости под давлением [14]. При высокой скорости потока струя жидкости из резервуара при входе в капилляр подвергается сжатию, а затем постепенно расширяется и при определенном удалении от резервуара вновь заполняет всё сечение капилляра (рис. 3). Эффект сжатия струи при вхождении жидкости в насадок может достигать 20 % (по сравнению с
с1|<) [10]. Чем больше расход жидкости, тем больше участок длины Ц, в котором происхо-
дит сжатие струи. В месте сжатия струи образуется область с вихреобразным движением жидкости (рис. 3 область А).
1_ Р
5 10 15
0.075 33980 56290 68600
0.15 32100 50710 63420
0.30 27730 46500 57840
0.60 21770 37040 47420
1.00 12190 21210 27250
1.41 16920 29140 37770
1. Участок сжатия струи
I 2. Участок |
,* 3. “Рабочий”
С----[
режима
течения
участок
^^Зона А
\
Стеклянный
капилляр
С
‘Соединительный
патрубок
резервуара
Рис. 3 - Схематическое изображение структуры турбулентного потока в капилляре
Однако после прохождения длины 11 поток жидкости ещё не является установившимся. Дело в том, что в гидравлике существует понятие длины влияния, под которой понимают длину прямого участка трубы после местного сопротивления, в пределах которого прекращается возмущающее влияние сопротивления на поток. В связи с этим пристеночная зона турбулентного потока со стабильными характеристиками начинает появляться лишь после прохождения этой длины 1г, а в участках капилляра 1 и 2 (рис. 3) полимер либо совсем не «работает» с функцией гасителя турбулентности потока, либо действие его в этом направлении проявляется не в полной мере. Длина этого участка зависит от вида местного сопротивления, числа Рейнольдса, диаметра капилляра и шероховатости его внутренней поверхности и в общем случае по различным данным может составлять (2СН-50)-с1к [10]. В качестве первого приближения о протяжённости нестационарного участка потока в капилляре (Ц+^можно судить и по известному эмпирическому соотношению Лацко:
Из общих соображений можно ожидать существенной зависимости протяжённости нестабильного участка (11+12) от природы и концентрации полимерной присадки, снижающей гидравлическое сопротивление турбулентного потока. По приблизительным подсчётам для изученной области давлений Р (10 и 15 атм) длина участка влияния местного сопротивления в нашем случае может достигать значений 0.05^-0.13 м, а потому в капиллярах с длиной 0.075 м и 0.15 м эффект 'Гомса должен быть либо небольшим, либо совсем отсутствовать, что мы и наблюдаем по данным рис. 2 для низких значений длины 1_. Естественно, что с уменьшением скорости потока (и числа Рейнольдса) протяжённости нестабильных зон потока ^ и !2 закономерно снижаются и этот эффект станови тся особенно выраженным вблизи облас-
(I, + \2 ) = 0.693 сІкРе0 25
ти перехода от турбулентного к ламинарному режиму течения жидкости. При увеличении длины капилляра доля стабильного участка, в котором полимер в качестве «гасителя» турбулентности потока «работает» в полную силу растёт, что в свою очередь сказывается на увеличении эффективности полимерной присадки. Уже при длине капилляра 0,30 м (рис.2) эффект Томса начинает возрастагь и становится весьма заметным. При таком подходе становится понятным и характер зависимости величины эффекта Томса от давления в резервуаре Р - с увеличением Р происходит закономерное уменьшение параметра Т.
К подобным выводам можно прийти и оперируя данными работы [15], в которой проанализировано влияние добавок полимеров на местные гидравлические сопротивления, представляющие собой внезапные расширения и сужения трубопровода. Было показано, в частности, что способность добавок полимеров снижать гидравлическое сопротивление потока, отсутствующая (или мало проявляющаяся) при течении раствора полимера через местное сопротивление, восстанавливается ниже по течению.
Высказанные нами положения косвенно подтверждают и эксперименты по оценке влияния диаметра капилляра на величину параметра Т (рис. 4). Почти для всех полимерных присадок и для всех трёх изученных длин капилляров отчётливо прослеживается тенденция к снижению величины гидравлического сопротивления с ростом диаметра капилляра
0.75 1.00 1.25 1.50 1.75 2.00 2.25 2.50
dkl мм
Рис. 4 - Зависимость параметра Т от диаметра капилляра d* (м) (при давлении в резервуаре Р=15 атм) для (со)полимеров Ai (1, 2, J), Аг (4, 5, 6), ПОЭ (7, 8, 9) и НКМЦ (10,11,12). L (м): 1, 4, 7,10-0.6; 2, 5, 8,11 - 0.15; 3, 6, 9, 12 - 0.075
(т.е. с уменьшением величины L7dK), особенно на начальных участках кривых. Исключение составляет лишь полимер НКМЦ - для него из-за низких (но сравнению с другими (со)полимерами) значений параметра Т зависимость T=f(dk) практически отсутствует. Следует ожидать, что с увеличением диаметра капилляра происходит симбатнос изменение протяжённости участков капилляра с нестабильным режимом течения жидкости (участки 1 и 2
рис. 3). Это приводит к закономерному снижению эффективности полимерной присадки в снижении гидравлического сопротивления турбулентного потока жидкости по всей длине капилляра (Іі+І2+Із) и> в итоге - к уменьшению величины параметра Т.
Таким образом, проведённый нами анализ влияния геометрии потока при турбулентном режиме течения водных растворов (со)полимеров ещё раз проиллюстрировал важность и актуальность исследований в данном направлении, которые, несомненно, повысятся при переходе от чисто водных (модельных) к реальным системам типа прямых и обратных эмульсий нефти [10, 16].
Экспериментальная часть
В экспериментах по изучению процесса прямоточного турбулентного течения водных сред с добавками полимеров в качестве объектов исследования использовали: анионные сополимеры акрила-мида с акрилатом натрия марок Alcoflood I175A (Allied Colloids, Великобритания) с молекулярной массой М=10.8106 и с содержанием ионогенных (акрилатных) звеньев (3=21.5 % (сополимер АО и DP-9187 (Ciba Speciality Chemicals, Великобритания) с М=8106 и (3=7 % (сополимер А2), полиоксиэти-лен (ПОЭ) с М=2.2-106 и натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ) с М= 1.39-105.
Экспериментальная установка (модифицированный турбулентный реометр), схема которой приведена на рис. 5, представляла собой систему, состоящую из стального толстостенного резервуара 6, в который заливалась исследуемая жидкость, и соединённого с ним стеклянного капилляра 9. Посредством газового баллона 1 с помощью редуктора 3 в ресиверах 5 создавали избыточное давление, контролируемое манометром 4. В заданный момент времени включался электропривод клапана 8, который в свою очередь открывал клапан 7.
Рис. 5 - Схема установки для изучения эффекта Томса: 1 - баллон с азотом; 2 -вентиль; 3 - редуктор; 4 - манометры; 5 - ресиверы; 6 - стальной резервуар с исследуемой жидкостью; 7 - автоматический клапан: 8 - электропривод клапана; 9 - капилляр; 10 - сгакан-нриёмник; 11 - электронные весы
Жидкость через капилляр 9 под давлением перетекала из резервуара 6 в приёмник 10. Через определённое время клапан автоматически закрывался. Количество вытекшей из резервуара 6 жидкости в приёмнике 10 фиксировали с помощью одноплечных электронных весов A&D (Япония).
Величину эффекта Томса определяли из соотношения:
-г m-m0
I =---------,где то и т - массовый расход жидкости соответственно без добавки и с до-
т0
бавкой полимера [6, 16].
Одним из неоспоримых преимуществ данной установки можно назвать возможность работы с целым набором съёмных стеклянных капилляров, что позволило без особых осложнений варьировать в широких пределах длину и диаметр капилляров -L от 0.075 до 1.410 м, a dK - от 0.8410'3 до 2.61 -10-3 м.
Выводы
1. На модифицированном турбулентном реометре изучена реология водных растворов анионного сополимера акриламида в стеклянных капиллярах с различными длинами и диаметрами.
2. При исследовании влияния концентрации полимерной присадки и геометрических параметров контура (диаметр и длина капилляров) на величину эффекта снижения гидравлического сопротивления турбулентных водных потоков показано, что характер этих зависимостей для всех изученных диаметров и длин капилляров практически идентичен - различие лишь в масштабном факторе (в данном случае это величина эффекта Томса).
3. Установлено, что одна из вероятных причин увеличения величины эффекта Томса с увеличением длины капилляра и с уменьшением его диаметра обусловлена пространственной нестабильностью формирующейся турбулентной струи жидкости в начальной области капилляра.
Литература
1. Манжай В. Н., Ечевская Л. Г., Илюшников А. В., Очередько А. Н., Захаров В. А., Микенас Т. Б., Сергеев С. А. Исследование противотурбулентной эффективности высших полиолефинов и тройных сополимеров олефинов // Журнал прикладной химии. 2004. Т. 77. Вып. 3. С. 456 -460.
2. Малкин А. Я., Несын Г. В., Манжай В. Н., Илюшников А.В.// Высокомолекулярные соединения. Сер. Б. 2000. Т. 42. № 2. С. 377-384.
3. Несын Г. В., Манжай В. Н., Илюшников А. В. // Инженерно-физический журнал. 2003. Т. 76. №3. С. 142-146.
4. Зверева Т. В., Челинцев С. Н., Яковлев Е. И. Моделирование трубопроводного транспорта нефтехимических производств. М.: Химия. 1987, 176 с.
5. Тронов В. П. Промысловая подготовка нефти. Казань: Фэн. 2000. 416 с.
6. Mjagchenkov V.A., Chichkanov S.V., Proskurina V.E., Krupin S.V. Synergism and antagonism of acrylamide copolymers and surfactants in drag reduction of turbulent aqueous flows // Georesources. 2002. N 6. P.19-23.
7. Мягченков В. А., Чичканов С. В., Крупин С. В., Проскурина В. Е. Влияние ионной силы и рН на эффективность катионных сополимеров акриламида в качестве агентов снижения турбулентности водных растворов // Химия и технология воды. 2003. №3. С.281 -288.
8. Мягченков В.А., Чичканов С.В., Проскурина В.Е., Мягченков А.В. Зависимость величины эффекта Томса от концентрации и молекулярных параметров катионного сополимера акриламида// Журнал прикладной химии. 2002. Т. 75. Вып. 9. С. 1517-1520.
9. Мягченков В. А., Чичканов С. В. Зависимость эффекта Томса от концентрации ионогенных сополимеров акриламида, ионной силы и природы электролита// Журнал прикладной химии. 2003. Т. 76. Вып. 5. С. 842-846.
10. Рабинович Е. S. Гидравлика. М.: Недра, 1980. 278 с.
11. Дьяконов Г. С., Данилов Ю. М., Мухаметзянова А. Г., Бергман А. Н., Ильина И. М. Численное моделирование течений в трубчатых турбулентных аппаратах// Вестник Казанского технол. ун -та. 2002. №1-2. С. 267-272.
12. Покрывайло Н. А., Голъбина И. И. Исследование влияния различных полимерных добавок на интенсивность и спектр пульсаций давления в трубе// Реология полимерных и дисперсных систем и реофизика. Материалы VIII Всесоюзн. симп-ма по реологии (Гомель, 27-31 мая 1974 г.), Минск: Ин-т тепло- и массообмена им. А. В. Лыкова АН БССР, 1975.
13. Нои Н.Н Drag Reduct. 3rdInt. Conf. Bristol, 2-5 July 1984. Bristol, 1984. C2/1 - C2/6.
14. Альтшуль А. Д. Гидравлические сопротивления. M.: Недра, 1970.
15. Гнатив Р. М. Влияние геометрических характеристик местных сопротивлений в трубопроводах на эффект Томса. Автореф. дис. ... канд. техн. наук (05.23.16). М: Моск. автомобильно- дорож. ин-т. 1991. 21 с.
16. Мягченков В. А., Чичканов С. В., Яковенко Д. Ф. Влияние скорости потока и концентрации анионных сополимеров акриламида на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти// Журнал прикладной химии. 2004 (в печати).
© С. В. Чичканов - асп. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; Д. Ф. Яковенко -вед. инж. той же кафедры; А. И. Шамсуллин - студ. гр. 49-42 КГТУ; С. В. Крупин - д-р техн. наук, проф. каф. физической и коллоидной химии КГТУ; В. А. Мягченков - д-р хим. наук, проф. той же кафедры.
