Использование антитурбулентных присадок к нефтепродуктам для снижения потерь напора на трение

 

В настоящее время при транспорте аномальных нефтей используется два вида присадок: ламинизаторы потока и регуляторы процесса кристаллизации парафина в нефти. Второй вид присадок используется только в случае высокозастывающих и, как правило, высокопарафинистых нефтей. В этом случае присадки адсорбируясь на поверхности кристаллов парафина снижают эффективную вязкость нефти и улучшают другие реологические характеристики. В качестве присадок ламинизирующих поток используются высокомолекулярные соединения с длинными цепочками. В потоке молекулы, вытягиваясь вдоль потока, гасят пульсирующую составляющую скорости и тем снижают гидравлическое сопротивление движению нефти. Этот вид присадок имеет перспективу использования при транспорте даже маловязких нефтей и нефтепродуктов, так как позволяет на 40% снизить потери напора на трение. Присадки добавляются в количествах не превышающих 0,2% по отношению к транспортируемой нефти.

 

Перекачка высоковязких и застывающих нефтей в смеси с углеводородными разбавителями

 

Зависимости основных параметров нефти от концентрации разбавителя

 

Среднюю плотность двухкомпоентной среды можно определить как:

,

где ρ1, ρ2 – объемы основного и дискретного компонентов соответственно.

Для суспензий и растворов при концентрации С = 7-10% определяют по формуле Эйнштейна:

для эмульсий - по формуле:

где - объемная концентрация дисперсной фазы или растворенного вещества в долях единицы.

Вычисление давления насыщенных паров смеси

 

Давление насыщенных паров рS химически однородных жидкостей и азеотропных (не изменяющих свой состав в процессе испарения) веществ изучено достаточно хорошо. Установлено, что рS зависит от температуры и может быть определено с помощью простой формулы:

где рST – давление насыщенных паров при температуре Т; рSTo – давление насыщенных паров при известной температуре То; k – эмпирический коэффициент.

 

 

Для смеси жидких углеводородов согласно закону Рауля давление насыщенных паров зависит от давления насыщенных паров отдельных компонентов и от мольных концентраций. Парциальное давление рi любого компонента в жидкой смеси равно произведению давления насыщенного пара рSi чистого компонента на его мольную концентрацию хi в чистом виде, т.е. упругость паров жидкости равна сумме давлений компонентов этойсмеси, которую они бы имели, если бы каждый занимал при данной температуре весь объем смеси, т.е. сумме парциальных давлений, или согласно закону Дальтона (1802 г.) парциальное давление рi компонента, входящего в состав паровой фазы, равно произведению мольной концентрации компонента в паровой фазе на общее давление, т.е.

рi = рSyi.

Таким образом, имеем

хiрSi = рSyi.

Это уравнение известно под названием объединенного закона Дальтона – Рауля, согласно которому можно сделать важный вывод – в состоянии равновесия парциальное давление любого компонента смеси в паровой фазе равно парциальному давлению того же компонента в жидкости.

 

 

Вычисление гидравлических потерь при перекачке с разбавителем

 

Вычисление гидравлических потерь при транспорте нефти с разбавителем производится по традиционным зависимостям:

Дарси-Вейсбаха

или Лейбензона,

 

Гидравлическая характеристика трубопровода при перекачке разбавленной нефти

 

При вводе в поток нефти разбавителя изменяется вязкость перекачиваемой нефти, как уже указывалось вы­ше, изменяется крутизна характеристик трубопровода и насосов (центробежных): с возрастанием вязкости она увеличивается, а с понижением — уменьшается. В связи с этим производительность нефтепровода, определяемая точкой пересечения характеристик трубопровода и насосных станций (рабочей точкой).

Рис. 1. Изменение характеристик трубопровода и на­сосных станций при изменении вязкости. Сплошные ли­нии — без разбавителя, пунктирные — с разбавителем.

 

Применение противотурбулентных присадок в трубопроводном транспорте нефти и нефтепродуктов

Эффект Томса

 

Сопротивление, оказываемое трубопроводом потоку жидкости при ламинарном режиме течения меньше, чем при турбулентном.

В 1948 г. Б.Томс (Англия) установил, что при добавлении в воду полимерной добавки трение между турбулентным потоком и трубопроводом значительно снижается.

Сам Томс работал с полиметилметакрилатом, растворенным в монохлорбензоле; в последующие годы ученые и изобретатели в различных странах нашли много других присадок, работающих еще более эффективно.

Практическое применение эффекта Томса весьма разнообразно: по традиции "смазывают" различными присадками трубопроводы, "смазывают" полимерами морские и речные суда, напорные колонны глубоких скважин и т.д.

Эффект Томса обуславливается образованием на границе твердое тело-жидкость молекулярных растворов, которые ограничивают турбулентность потока. Установлено, что добавка полимеров более эффективно действует при высоких скоростях потока, где развивающаяся турбулентность потока больше.

Патент США N 3435796: В устройстве, уменьшающем сопротивление подводного аппарата, используется слабый раствор полимера, образующий в пограничном слое забортной воды при смещении подогретой жидкой смеси либо гранулированного или порошкообразного полимера с морской водой. Подогретая жидкая смесь представляет собой дисперсию макромолекул полимера, растворимую в морс при температуре окружающей среды, но нерастворимую в воде температуре выше 70 градус Цельсия.Когда подогретая жидкая смесь попадает в холодную воду при соответствующих условиях окружающей среды, микрочастицы набухают и растворяются, образуя клейкую массу. В пограничном слое обтекающего потока они образуют молекулярный раствор макромолекул, препятствуя турбулизации потока.

А.с. N 244032: Способ снижения потерь напора при перемещении жидкости по трубопроводу, отличающийся тем, что с целью достижения жидкостью свойства псевдопластичности, в нее вводят длинноцепочный полимер, например полиакриламид, в колличестве 0,, 01-0, 2% по весу.

Снижение гидродинамического сопротивления может быть до за счет образования под воздействием какого-либо поля из молекул самой жидкости присадок, аналогичных по свойствам полимерным молекулам.

А.с. N 364493: Способ снижения гидродинамического сопротивления движению тел, например, судов, путем уменьшения сил трения в пограничном слое, отличающийся тем, что с целью упрощения способа и повышения его эксплуатационной надежности путем исключения подачи в пограничные слои высокомолекулярных составов, в пограничном слое создают электромагнитное поле, генерирующее комплексы молекул.

Применение способа по п.1 для решения внутренней задачи, например, для снижения сопротивления жидкости в трубопроводе.