Факторы, влияющие на эффект снижения гидравлического сопротивления при применении противотурбулентных присадок

Для снижения гидравлического сопротивления углеводородных жидкостей используют высокомолекулярные вещества, обладающие специфическими свойствами.

Противотурбулентные присадки не должны менять физико-химические характеристики нефти и нефтепродуктов, не содержать поверхностно-активных веществ (ПАВ) и поэтому не адсорбироваться на поверхности трубопроводов и другого оборудования, не оказывать негативного влияния на работу автомобильных двигателей и печей. Они должны применяться совместно с ингибиторами коррозии и парафинообразования, депрессорными и антистатическими присадками, а также противоокислителями.

Способностью снижать сопротивление течению имеют многие высокомолекулярные вещества, которые условно разделяют на три класса:

a. синтетические или природные карбоцепные полимеры;

b. координационные полимеры;

c. высокомолекулярные нефтяные остатки.

 

На величину снижения гидравлического сопротивления турбулентного потока, деструкцию присадки и её технико-экономические показатели влияют следующие факторы:

1. Химическая природа присадки.

2. Молекулярные характеристики полимера (структура, молекулярная масса, молекулярно-массовое распределение (ММР)).

3. Эксплуатационные характеристики присадки (концентрация, устойчивость к деструкции, растворимость, невосприимчивость к воздействию внешних факторов, т.е. температуре, давлению, свету).

4. Гидродинамические параметры потока (режим течения, диаметр трубопровода, вязкость жидкости, температура).

5. Конструкция трубопровода (наличие лупингов, вставок, местных сопротивлений).

Рассмотрим подробней механизм влияния некоторых названных факторов на эффективность противотурбулентных присадок.

Имеющийся опыт применения высокомолекулярных соединений для снижения гидравлического сопротивления показывает, что используемые в промышленности присадки изготавливаются на базе карбоцепных полимеров, основная цепь которых состоит только из атомов углерода.

Они образуются при гомо- или сополимеризации олефинов и имеют общую структуру:

 

R

ç

(-СН₂ - С -)n,

ç

R₁

где n – число звеньев в цепи (степень полимеризации).

В зависимости от природы заместителей R и R₁ полиолефины разделяются на три группы:

1. R = R₁ = H или R = H, где R₁ - алкил линейного строения. Это полиэтилен, полипропилен, полибутен и полиизобутилен.

2. R = H, где R₁ - алкил разветвленного строения. Это поли-4-метилен, поли-3-метилбутен.

3. R = H, R₁ – циклический углеводородный радикал.

Наибольшей эффективностью и стойкостью к деструкции обладают высшие a - олефины, содержащие разветвленные или циклические заместители.

ММР оказывает влияние на устойчивость полимера к деструкции. Эффективность полимера определяется в основном наиболее высокомолекулярной фракцией.

Поэтому в случае полимера с широким ММР содержание самых больших макромолекул невелико, они быстро деструктируют и образец теряет эффективность. При одинаковой скорости деструкции в случае узкого ММР продолжительность действия образца значительно дольше. Следовательно, для достижения наибольшей эффективности присадок (минимальная деструкция, максимальное снижение сопротивления) необходимо применять образцы полимеров с высокой молекулярной массой и узким ММР.

Присадки эффективны только в турбулентном потоке, то есть при числах Рейнольдса больших критического.

Влияние вязкости нефтяной системы вызвано тем, что от нее зависит режим течения. С увеличением вязкости система просто не переходит из ламинарного в турбулентный режим. Присадки, снижающие сопротивление, можно применять для углеводородных жидкостей, имеющих вяхклсьб не более (15-20)*10^-6 м²/с.

Температура перекачиваемой жидкости оказывает сложное воздействие не эффект снижения сопротивления. С увеличением температуры уменьшается вязкость жидкости и увеличивается эффективность присадок. Кроме того, повышение температуры улучшает растворимость присадок в потоке жидкости, что также является положительным фактом.

При температуре же выше 60-70 °С иногда наблюдается снижение эффективности присадок из-за ухудшения качества жидкости как растворителя, что приводит к уменьшению размеров полимерных клубков.

На показатели эффективности противотурбулентных присадок оказывает влияние их товарная форма. Учитывая, что процесс растворения высокомолекулярных соединений длителен, а при его интенсификации возможна деструкция полимера, необходимо сначала приготовить концентрат присадки. Обычно это гель с содержанием полимера от 5 до 25%, который при введении в перекачиваемую жидкость довольно быстро и полностью растворяется. Очень важным является выбор растворителя для приготовления концентрата присадки с точки зрения физико-химиии полимеров, так как специальный растворитель позволяет получить наиболее концентрированный гель с минимальными временными и энергетическими затратами.

При оценке эксплуатационных качеств, кроме механической деструкции, необходимо учитывать тот факт, что в некоторых полимерных растворах разрушение макромолекул происходит и при отсутствии сдвиговых напряжений, например, при длительном хранении раствора, действий бактерий, света и т. д.

2.2. Расчет оптимальных концентраций антитурбулентных присадок для увеличения объема перекачки по трубопроводам

 

За счет гашения пристеночной турбулентности происходит снижение гидравлического сопротивления потоку жидкости в трубопроводе и, как следствие, либо увеличение производительности перекачки (при сохранении перепада давлений), либо снижение давления на перекачивающих станциях (при сохранении производительности перекачки). Эффект снижения гидравлического сопротивления, а, следовательно, и расхода электроэнергии может составлять от 20 до 60%.

Наиболее известными из зарубежных антитурбулентных присадок к нефтепродуктам являются присадки «CDR» американской фирмы Dupon-Conoco и «NECCAD-547» финской фирмы Neste. Обе присадки, созданные на углеводородной основе, прошли промышленные испытания на отечественных трубопроводах. Для дизельных топлив, главным образом, рекомендуется присадка «NECCAD-547».

Все антитурбулентные присадки снижают значение коэффициента гидравлического сопротивления (). Применение присадок особенно эффективны в тех случаях, когда перекачка ведется в области гидравлически гладких труб, то есть при таких режимах, в которых шероховатость внутренней полости трубопровода практически не сказывается на значениях коэффициента .

Расчет эффективности присадки предварительно производится с учётом зависимости, полученной в результате перекачек при поддержании давлений. Эффективность присадки можно найти по формуле:

100, % = (1 - (Q₀² / Q₁²)) 100, % (7.1)

где: Q₁, Q₀ - расходы при перекачке с присадкой и без нее соот­ветственно, (м³/час).

Результаты расчетов, выполненные по вышеприведенной формуле, заносим в таблицу 7.1:

Таблица 7.1

 

Увеличение расхода, %	Эффективность присадки , %

2.3 Определение параметров перекачки при применении

противотурбулентной присадки

 

Определяем параметры перекачки при применении противотурбулентной присад­ки «NECCAD-547» с эффективностью эквивалентной увеличению расхода на 48 % (в случае поддержания давлений ).

Cкорость перекачки определяется по формуле 7.2:

(7.2)

где: Q₁ (м³/ч) – расход при перекачке с применением присадки;

= 3,14 = const;

Коэффициент гидравлического сопротивления при перекачке с присадкой найдем из формулы (7.1) по известной величине ее эффек­тивности , которая обеспечивает увеличение расхода на 48 %:

 

₁ = (1 - ( /100) , (7.3)

 

где: – эффективность применения присадки;

- коэффициент гидравлического сопротивления при определенном расходе Q₀ (м³/ч), до ввода присадки.

Гидравлический уклон трубопровода с использованием присадки рассчитывается по формуле 7.4:

(7.4)

где: ₁ - коэффициент гидравлического сопротивления при расходе Q₁ (м³/ч) и с применением присадки эффективностью ;

g = 9,81 (м/с²)– ускорение свободного падения;

₁– скорость движения жидкости по МНП, при расходе Q₁ (м³/ч);

D (м) – внутренний диаметр трубопровода.

Общие потери напора Н_{ст 1} рассчитываются по формуле 7.5:

Н_{ст 1} = (7.5)

где: 1,02 - коэффицент, учитывающий местные сопротивления;

i ₁ - гидравлический уклон;

L(км) - протяжённость продуктопровода;

Z(м) - разность геодезических отметок конца и начала трубопровода;

Н _s (м) - передаваемый напор на конечный пункт.

Характеристику сети трубопровода при вводе присадки строим по данным таблицы:

 

Q, м3/ч
Н, м

 

Совмещенную характеристику режима работы насосных станций и трубопровода при вводе присадки изображаем графически.

 

2.4. Определение необходимой концентрации присадки

 

Гидравлическая эффективность присадки рассчитывается по формуле:

 

(7.6)

В данной формуле выражена зависимость безразмерного комплекса А от гидравлической эффективности присадки. Коэффициент А, входящий в формулу, отражает условия взаимодействия турбулентного потока со стенкой трубы Эта зависимость определена экспериментальным путём. Она показывает, что коэффициент зависит не только от концентрации присадки С, но и от относительной шероховатости труб .

По графику для расчётной эффективности присадки определяем безразмерный комплекс А. Численно безразмерный комплекс А рассчитывается по формуле:

 

, (7.7)

где: – среднее значение относительной шероховатости для эксплуатируемых длительное время трубопроводов.

Рис.7.1. Зависимость гидравлической эффективности присадки от безразмерного комплекса А

 

Следовательно, необходимая концентрация присадки определяется из формулы (7.7) следующим образом:

(7.8)

Например, для работы продуктопровода с пропускной способностью 8 млн.т/год необходимо специальным оборудованием ввести в трубопровод 1960 т противотурбулентной присадки.

Для решения оптимизационной задачи используется метод прямого перебора всех возможных вариантов. В качестве переменных величин могут быть использованы:

- концентрация присадки;

- расстояние между станциями;

- режим перекачки;

- число ПНС;

- схемы перекачки, и т.д.

 

Выводы

Эффективность использования противотурбулентных присадок на МНП определяется не только степенью снижения коэффициента гидравлического сопротивления, но и всем комплексом параметров, относящихся к структуре самого трубопровода: характеристиками перекачивающих станций, профилем и протяженностью отдельных участков,

предельными значениями систем защиты перекачивающих станций от максимальных давлений и минимальных подпоров и т.д., а также стоимостью присадки. Трубопровод, на котором имеется один или несколько «лимитирующих» участков, требует дифференцированного подхода к определению необходимых концентраций противотурбулентной присадки.

3.Термины, определения и используемые сокращения

 

Работоспособное состояние – состояние объекта, при котором значение всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям нормативно-технической и конструкторской документации.