减阻、降粘、防蜡.ppt

1,原油管道减阻、降粘、防蜡,储运与建筑工程学院 史秀敏,2,一、减阻 二、降粘 三、防蜡,原油管道减阻、降粘、防蜡,3,减阻方法 降低输送管道内壁粗糙度 改变输送介质与壁面的接触情况 加减阻剂,原油管道减阻、降粘、防蜡,4,水环输送：最好的稠油减阻法 技术参数：水量占管输量的8%以上 效果：摩阻是输送同等输量输水时的1.5倍 技术关键：保证水环的稳定,改变原油与壁面的接触情况,原油管道减阻、降粘、防蜡,5,一、减阻剂减阻 1、减阻剂定义 2、减阻剂种类和特点 3、油溶性减阻剂的研究与应用概述 4、减阻机理 5、减阻剂的性能参数,原油管道减阻、降粘、防蜡,6,减阻剂减阻,1963年Savins首先给减阻下了明确的定义：“减阻”为“在流体中加入少量添加剂后能量损失减小、输送量增加的现象” 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 1、减阻剂定义,7,2、减阻剂的种类和特点,水溶性减阻剂、油溶性减阻剂两大类 （1）水溶性的减阻剂：人工合成PEO(聚氧化乙烯)、PAM（聚丙烯酰胺）、天然的瓜胺、田青粉、槐树豆、皂角等 （2）油溶性减阻剂分为两类：一类是有超高分子量（M106）的高柔性线型高分子，主要有烯烃均聚物和共聚物、聚甲基丙烯酸酯等；另一类是某些表面活性剂化合物。

8,（3）高分子减阻剂的特点,分子量越大、可溶性越好，其减阻效果就越好；此外还和分子量分布、最高分子量的绝对值及相应组分所占比重、大分子在溶剂中的构型、链的结构、强度等一系列因素有关，同时其在管道中的减阻效果还与流体的流态有关；高分子减阻剂的分子量会因剪切作用导致分子链的断裂而降低，而分子量的降低导致减阻效果下降，甚至失去减阻功能，即通常所说的剪切降解9,（4）表面活性剂类减阻剂的特点,此类减阻剂是通过在流体中形成胶束而实现减阻的，由于其分子体积很小，在高剪切力作用下不会断裂降解，而被高剪切力破坏了的胶束体系在剪切力减小后会重新恢复起来，即应力控制可逆性，因此它们具有良好的抗剪切性能但是由于要形成可以实现减阻的胶束必须使表面活性剂的含量达到临界浓度，因此表面活性剂的用量较大，另外表面活性剂必须在流体中混合均匀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 10,总之，油溶性高分子聚合物减阻剂在很小的用量下就可以达到和好的效果，例如， CONOCO公司的CDR102油相减阻剂在添加0.00005（wt）%时，就可有9%的减阻率（平均流速2.5m/s，管内径25mm，介质：0号柴油）。

添加0.0001（wt）%即能达到50%的减阻效率，因此在管道运输行业中被普遍应用油溶性减阻剂的特点,11,3、油溶性减阻剂的研究与应用概述,减阻剂的产生：降低摩阻，提高输量，快速缓解产量与管线输油能力不足之间的矛盾，加速原油的开发与利用 1972年诞生了第一个减阻剂的专利1979年是一个转折点，美国CONOCO公司生产的CDR减阻剂在进行了大量的试验后，正式工业化生产并应用于横贯阿拉斯加的原油管道上，揭开了管道运输应用减阻剂的序幕12,此后几十年，世界上许多国家都进行了对减阻剂的科研与应用实践，处于领先地位的有美国CONOCO公司、Baker Hunghes公司，这些公司使得减阻剂研发技术得到迅速发展，开发出了性能好、成本低的减阻剂产品油溶性减阻剂的研究与应用概述,13,尤其是CONOCO公司，该公司的减阻剂产品从第一代CDR101发展到近几年的CDR LP，减阻效率成倍提高，注入更加方便，该公司甚至在数年前把注入设备标准化了在这期间，美国的BAKER HUNGHES公司、芬兰的NESTE公司、泰国的EEI公司生产的减阻剂产品在世界减阻剂市场上都占有一席之地 油溶性减阻剂的研究与应用概述,14,我国对高聚物减阻的研究起步较晚，自20世纪70年代初期以来在实验室研究和实践应用方面取得了一定的进展。

至上世纪八十年代初，浙江大学、原成都科技大学、原石油部管道科学研究院等单位相继开展了原油减阻剂的开发与应用研究油溶性减阻剂的研究与应用概述,15,浙江大学在上世纪八十年代进行了ZDR、EP、EPO等系列减阻剂的研制ZDR （ZDR-1、ZDR-2、ZDR-3）系列减阻剂样品是采用含9~14个碳的混合α－烯烃聚合而成，当时ZDR与CONOCO公司的CDR102作过对比，性能要差一些，据分析是由于分子量较小的缘故成都科技大学在减阻剂的合成方面也做了一些探索性的工作，其PDR型减阻剂是用甲基丙烯酸高级酯聚合而成，在实验室内的测试取得了较好的效果油溶性减阻剂的研究与应用概述,16,尽管减阻剂在管道运输行业上有巨大的应用价值，但是由于减阻剂高聚物分子结构的特殊要求（超高分子量、高度的非结晶性和良好的抗剪切性），使得这种聚合技术被少数几家国外公司所垄断油溶性减阻剂的研究与应用概述,17,4、减阻剂减阻机理,油品减阻剂的减阻机理研究始于上世纪四十年代末，90年代前研究者大都是单纯从聚合物分子、湍流的统计测量以及湍流结构这三个着眼点来研究高聚物减阻机理，分别取得了一些重要的成果但是由于存在着各自的缺点，对高聚物减阻原因还是没有一个明确的解释。

18,进入上世纪90年代，研究者开始把这三个方面结合起来研究高聚物减阻机理，取得了一定的进展，并提出了一些新的观点Pinho和Whitelaw、Harder和Tiederman的研究结果都表明高分子聚合物并不是抑制了湍流的运动，相反是流（轴）向湍流强度得到加强，而法向湍流强度减弱了减阻剂减阻机理,19,Wei和Willmarth还发现以不同的速度注入不同浓度的聚合物（保持注入的聚合物总量不变），近壁区流（轴）向速度的能谱和雷诺应力有很明显的变化2007年，den Tooder提出：减阻流场中，由于聚合物分子的拉伸说引起的应力各向异性是高聚物减阻的主要原因减阻剂减阻机理,20,关于油品减阻剂的减阻机理说法不一，到目前为止，还没有一个可以完全解释各种减阻剂减阻现象的理论目前的减阻理论主要有伪塑学说、湍流脉动抑制学说、粘弹学说、湍流抑制学说等等目前得到多数人认可的主要为粘弹学说和湍流抑制学说减阻剂减阻机理,21,（1）湍流抑制说,粘性流体沿一固定边界流过时，不论其属于内流（管流、明流）还是外流（机翼、船舶或其他物体在粘性流场中的运动），由于在边界面上的流速为零，边界面上存在法向流速梯度，故存在流体对边界的剪力，这种剪力作功的结果是消耗掉流体中的一部分能量，并最终以热量形式向周围发散。

22,为了抵消这部分散失的能量，以维持流体的运动，就需要外加能源根据雷诺数（Re）的大小可以出现两种不同类型的流动：湍流和层流在层流中，流体阻力仅由流体中相邻各流层之间的动量交换所决定在湍流中，速度分布趋于平均化，流体阻力主要决定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湍流抑制说,23,湍流有一个显著的特点，就是旋转的涡流线相遇时发生的相互作用会引起涡流延长在这种作用下，大旋涡不断从平均流动中吸取能量，同时，较大的旋转的涡流伸长而形成较小的旋涡这样，大旋涡的能量就逐渐传递给越来越小的旋涡湍流抑制说,24,较小的旋涡直径小，雷诺数较小，相对来说，受粘度的影响较大，它们会迅速地为粘滞力所减弱，直至耗散成热能在近管壁边层内，由于管壁剪切应力和粘滞力的作用，这种转化更为严重因此，最小的旋涡尺寸决定于流动中的粘度大小接近粘滞亚层边缘的小旋涡，包含了这个区域大部分的能量湍流抑制说,25,根据以上理论，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，宏观上得到减少摩阻损失的效果湍流抑制说,26,在层流中，流体受粘滞力作用，没有向湍流那样的涡流耗散，因此加入减阻剂没有效果随着雷诺数增大进入湍流，减阻剂就开始显示出减阻作用雷诺数越大减阻效果越明显当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，减阻剂将被降解，失去减阻效果湍流抑制说,27,（2）粘弹说,近年来随着粘弹流体力学的发展，提出了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观点高聚物的浓溶液具有粘弹性已为实验所证实而减阻流动的稀溶液是否具有粘弹性，目前的看法是不一致的，为了探讨这一问题，有人将聚合物分子的松弛时间与涡流的持续时间进行比较经过粗略的估算，发现聚合物分子的松弛时间大于微涡的持续时间28,说明聚合物分子的弹性确实起了作用因此，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，使旋涡动能减少，旋涡消耗的能量也随之减少减阻剂添加浓度的大小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，也就是说减阻剂在管壁和管内流动液体之间起到了一个隔离作用，减少了管壁的摩阻，达到减阻的效果。

粘弹说,29,5、减阻剂的性能参数,对减阻剂的性能的评价指标主要是减阻率或增输率 （1）减阻率 定义：是指相同条件下，加入减阻剂时的摩阻压降与不加时摩阻压降相比降低的程度，以百分数表示其计算表达式如下：,30,减阻剂的性能参数,式中 —减阻率，（%）； —基础条件下管段摩阻压降； —减阻条件下管段摩阻压降31,减阻剂的性能参数,（2）增输率 定义：是指相同条件下，加入减阻剂时的流量与不加剂时流量相比增加的程度，以百分数表示其计算表达式如下：,32,式中 —增输率，(%)； —基础条件下管段输量； —减阻条件下管段输量减阻剂的性能参数,33,二、降粘,我国原油大致分为两大类：含蜡原油和稠油，针对不同类的原油，降粘方法也不同含蜡原油的粘度一般不太高，而凝点比较高，所以含蜡原油主要是降凝，在降凝的同时，粘度也降低原油管道减阻、降粘、防蜡,34,稠油一般采用加入分散剂或降粘剂来降低在开采和输送过程中的流动阻力可分为原油掺水减阻，称之为乳化降粘，所用的活性剂称为降粘剂(viscosity reducer)原油不掺水减阻通常称之为原油本体分散减阻，所用的活性剂称之原油分散剂(dispersant)。

降粘,35,降粘,还有一类减阻剂称之为降摩阻剂(frictional reducer) 降摩阻剂与降粘剂不同之处在于：降摩阻剂一般不掺水或掺少量水(5%～10%)，它通过改变原油和介质表面的作用力，进而减小原油的流动阻力而乳化降粘一般掺水为30%左右，通过改变原油乳状液的类型，使其转变为以水为连续相，油为分散相的水包油的乳状液，进而降低在原油在流动过程中的阻力如果条件允许，可以掺稀油（轻油）输送稠油36,含蜡原油降粘 1、含蜡原油降凝剂 2、含蜡原油其他降粘减阻输送工艺,降粘,37,含蜡原油降粘,与其说含蜡原油的降粘，还不如说含蜡原油的降凝，原因有二： （1）含蜡原油的粘度不高，凝点却很高，所以输送含蜡原油，降凝是安全输送的主要矛盾； （2）一般在降凝的同时，粘度也有所降低38,1、含蜡原油降凝剂,（1）类别 乙烯-醋酸乙烯共聚物（EAV）及其改性物 聚（甲基）丙烯酸脂共聚物 马来酸酐共聚物 含氮聚合物,39,（2）降凝剂的作用机理,（a）晶核作用原油降凝剂在高于原油析蜡点的温度析出，起晶核作用而成为蜡晶发育的中心，使原油中的小蜡晶增多，从而不易产生大的蜡团 （b）吸附作用原油降凝剂吸附在已经析出的蜡晶晶核活动中心上，从而改变蜡结晶的取向，减弱蜡晶间的相互联结作用。

40,(c) 共晶作用降凝剂在析蜡点温度以下与蜡共同析出，蜡分子在降凝剂分子的烷基链上结晶，改变蜡的结晶行为和取向性，并减弱蜡晶继续发育的趋向 应该说降凝剂的作用机理并不。