Применение водорастворимых полимеров для снижения гидравлического сопротивления трения Текст научной статьи по специальности «Математика»

Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.today 2018, №3, Том 10 / 2018, No 3, Vol 10 https://esj.today/issue-3-2018.html URL статьи: https://esj.today/PDF/35SAVN318.pdf Статья поступила в редакцию 30.03.2018; опубликована 24.05.2018 Ссылка для цитирования этой статьи:

Яснюк Т.И., Вязкова Е. А., Анисимова Е.Ю., Цырендашиев Н.Б., Панасенко Н.Л., Цыбуля И.И. Применение водорастворимых полимеров для снижения гидравлического сопротивления трения // Вестник Евразийской науки, 2018 №3, https://esj.today/PDF/35SAVN318.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ.

For citation:

Yasnyuk T.I., Vyazkova E.A., Anisimova E.Yu., Tsyrendshiyev N.B., Panasenko N.L., Tsybulya I.I. (2018). The use of water-soluble polymers to reduce the hydraulic friction resistance. The Eurasian Scientific Journal, [online] 3(10). Available at: https://esj.today/PDF/35SAVN318.pdf (in Russian)

УДК 05.23.16 ГРНТИ 73.39.01

Яснюк Татьяна Игоревна

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр

E-mail: [email protected]

Вязкова Елизавета Андреевна

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр

E-mail: [email protected]

Анисимова Екатерина Юрьевна

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр

E-mail: [email protected]

Цырендашиев Насаг Баторович

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр E-mail: [email protected]

Панасенко Наталья Леонидовна

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр E-mail: [email protected]

Цыбуля Ирина Игоревна

ФГОУ ВО «Дальневосточный федеральный университет», Владивосток, Россия Студент 3-го курса кафедры «Нефтегазовое дело и нефтехимии»

Бакалавр

E-mail: [email protected]

Применение водорастворимых полимеров для снижения гидравлического сопротивления трения

Аннотация. Сегодня известно, что введение в поток перекачиваемой по трубопроводу жидкости небольшого количества (десятки или сотни миллионных долей от общего объема раствора) водорастворимых полимеров с высокой молекулярной массой снижает гидравлическое сопротивление трения. Такое явление аномального снижения гидравлического сопротивления трения при введении высокомолекулярных полимеров в поток жидкости называется эффектом Томса. Эффективность применения водорастворимых полимеров для снижения турбулентности потока, а следовательно, и затрат на перекачку жидкости по трубопроводу или повышения давления на выходе из него тесно связана с условиями транспортировки жидкости реологией, физическими и химическими характеристиками добавок. Различные полимерные добавки могут быть использованы в промышленности и народном хозяйстве начиная от тушения пожаров и заканчивая агропромышленным комплексом и медициной, так как потенциал применения явления снижения гидравлического сопротивления сложно переоценить. Среди перспективных соединений, рассматриваемых в качестве противотурбулентных агентов последние десятилетия, эффективными себя показали водорастворимые макромолекулы как природных, так и синтетических полимеров, такие как полиэтилентоксид, полиакриловая кислота, полиакриламид и поли №винилформамид. В зависимости от молекулярного веса отдельно взятого полимера можно судить о перспективности его применения в той или иной сфере для снижения гидравлического сопротивления. Важным условием проявления эффекта в данном случае становится эффективное смешение компонентов раствора высокомолекулярного полимера. В статье раскрывается сложное поведение турбулентного потока с добавлением различных водорастворимых полимеров, а также механизм снижения сопротивления трения и связанных с ним методов практического применения этого эффекта.

Ключевые слова: противотурбулентные присадки; трубопроводный транспорт нефти; эффективность применения; эффект Томса; повышение пропускной способности

Эффект снижения гидравлического сопротивления трения при введении в поток жидкости при больших числах Рейнольдса называют эффектом Томса или эффектом снижения турбулентности потока. Этот эффект может найти широкое применение во многих отраслях и областях жизнедеятельности человека начиная от магистрального трубопроводного транспорта нефти и заканчивая теплоснабжением и медициной. В случае с применением противотурбулентных агентов (противотурбулентных присадок) при транспортировке нефти по трубопроводу можно увеличить пропускную способность системы без повышения давления на выходе из магистральных насосных агрегатов.

Многие исследователи полагают, что эффект Томса это явление тесно связанное с так называемым вязкоупругим течением жидкости, которое не характерно для привычных нам ньютоновских жидкостей, как например вода и модификацией структуры турбулентного потока. Дело в том, что раствор водорастворимых полимеров в жидкости приобретает свойства отличные от свойств растворителя. Поэтому прогнозирование эффективности применения противотрубулентных присадок и моделирование процесса транспортировки жидкости по трубопроводу с полимерными добавками - это важные задачи современной науки и промышленности, решение которых способно вывести многие отрасли промышленности на принципиально новый уровень.

Введение

Прямое численное моделирование является одним из важных инструментов для исследования турбулентного течения жидкости и получения качественных и количественных характеристик процесса. В последнее время много исследований с использованием прямого численного моделирования было проведено для уравнений, рассчитывающих реологические свойства потока жидкости [1, 2]. В этих работах применялось несколько видов вязкоупругих моделей течения жидкости, таких как Петерлинская модель, а также модели Oldroyd-В и Giesekus. Многие исследования в этом направлении сумели получить важные для понимания механизма эффекта снижения турбулентности данные. Например в работе [3] был предложен вероятностный механизм, связывающий турбулентные вихревые структуры с вязкоупругим напряжением эффекта Томса. Одним из интересных выводов, приведенных в этой работе, является то, что взаимодействие турбулентно-вихревой шкалы времени и временем релаксации создает различия в характеристиках потока при низком режиме и высоким режимом снижения турбулентности, что соответствует высокому и низкому содержанию противотурублентных агентов в растворе. При вязкоупругом течении жидкости время релаксации в близи стенки трубопровода больше, чем временная шкала турбулентных вихрей, что создает вязкоупругое напряжение и ламиниризирует поток вблизи стенки трубопровода.

Изменение структуры потока

Для изучения характеристик снижения сопротивления трения в большинстве исследований был принят турбулентный поток, создаваемый в трубопроводе. Как показано на рисунке 1, существует три основных слоя при турбулентном режиме перекачки жидкости по трубопроводу, такие как ламинарный подслой (пристеночный слой), переходный слой и полностью турбулентный поток вблизи оси трубопровода. Добавление полимерных противотрубулентных агентов в поток приводит к снижению турбулетных всплесков и пульсаций в буферной (переходной области) и препятствует их распространению в область ламинарного течения, тем самым стабилизируя ламинарный подслой [4].

Рисунок 1. Схематическое изображение эффекта снижения турбулентности потока при введении противотурбулентных присадок [4]

Для оценки величины эффекта снижения турбулентности потока используется следующее уравнение:

(1)

где fs и fa описывают значения коэффициента трения, а ДPs и ДPa представляют собой градиенты давления для чистого растворителя и раствора с добавками, соответственно.

В работах [5] эффект изучался на двух различных экспериментальных установках гравитационного типа для определения величины снижения турбулентности при использовании полиакриламида и полиэтиленгликоля. Гравитационный метод

предусматривает истечение жидкости с числами Рейнольда от 15 000 до 35 000 и замер времени истечения фиксированного объема жидкости через фиксированную трубку под действием силы тяжести. В этом случае время истечения обратно пропорционально скорости потока. Зависимость величины снижения турбулентности можно записать следующим образом.

(2)

(3)

где АР - это разность давлений, { - коэффициент трения, р - плотность, V - скорость потока, г - радиус трубопровода, Ь - длина трубопровода.

Природные полимеры (биополимеры) в качестве противотурбулентных агентов

Биополимеры представляют собой полимерные биомолекулы, вырабатываемые живыми организмами. Полисахариды являются важным классом биополимеров, которые привлекают к себе значительное внимание исследователей [6]. Полисахариды включают в себя большое количество моносахаридных звеньев, связанных вместе гликозидными связями с образованием больших линейных или сильно разветвленных полимеров. Они находят широкий спектр применения в качестве сырья для многих отраслей промышленности в силу их безопасности, не токсичности, низкой стоимости, биоразлагаемости и биосовместипости. Такие уникальные свойства позволили биополимерам найти широкое применение в качестве загустителей, эмульгаторов, суспендирующих агентов и увлажнителей в пище, косметике, фармацевтике, и лакокрасочной промышленности.

Теперь полисахариды начали также рассматривать в качестве естественных агентов снижения турбулентности потока и, как следствие, коэффициента гидравлического сопротивления. Однако, биоразлагаемость биополимеров может стать в этом случае лимитирующим фактором, так как может сократить срок службы полимера.

В данной работе основное внимание сконцентрировано на ксантиновых смолах, гуаровой смоле и целлюлозе, и их способности уменьшения гидравлического сопротивления.

Природные смолы

Природные смолы представляют собой полисахариды, которые могут быть получены из древесных элементов или полевых растений. Поскольку даже небольшие количества природных смол могут значительно увеличить вязкость раствора воды, они широко применяются в качестве загустителей, стабилизаторов и т. д. в различных отраслях. Ксантановая смола является одним из биополимеров, получаемых на основе жизнедеятельности микроорганизмов. Она может образовывать стойкие растворы с высокой вязкостью, что делает этот полимер полезным в нефтяной промышленности для создания буровых растворов, жидкостей для гидроразрыв пласта, для очистки трубопроводов и повышения коэффициента нефтеотдачи на месторождениях с высокой обводненностью продукции. В последнее время проводились исследования [7, 8] эффективности применения этого соединения для снижения коэффициента гидравлического сопротивления. Сравнение эффективности снижения трения раствора ксантановой смолы в водном растворе хлорида калия (KCl) по прошествии 40 минут эксперимента показало, что механическая деградация и, следовательно, потеря эффекта становится менее выраженной при более высоком значении

концентрации хлорида калия. На рисунке 2 показано снижение гидравлического сопротивления в зависимости от концентрации ксантановой смолы и через 40 минут.

-е-

-е-

m

■ • _ .

/ /U • ''' ' *''

/ P. A" -■-0MKCI нач. -•-0.01 M KCl нач.

/ A"'' -A-0.1 M KCl нач. -и- 0 M KCl 40 мин -О- 0.01 М KCl 40 мин -Л- 0.1 М KCl 40 мин

Ä

Концентрация (ррт)

Рисунок 2. Зависимость величины снижения турбулетности потока от концентрации ксантановой смолы [9]

Снижение гидравлического сопротивления было увеличено при высоких концентрациях ксантановой смолы, в тоже время эффективность ее применения становится ниже при высоких концентрациях хлорида калия. Исследования проводились в трубопроводах различного диаметра, в том числе и в системах, сопоставимых по своим параметрам с современными магистральными трубопроводами. Был проведен анализ экономической эффективности применения ксантановой смолы в качестве агента снижения турбулентности потока при различных параметрах трубопроводной системы, включая строительство специализированных установок по вводу этого вещества в поток нефти, а также стоимость вещества и его эффективность. Данный анализ показал возможность при определенных условиях коммерческого использования ксантановой смолы на магистральных трубопроводах для повышения производительности или снижения энергопотребления насосной станцией.

Гуаровая смола также является биополимером пригодным для снижения гидравлического сопротивления в силу своей внутренней структуры и многих полезных свойств, присущих естественным полимерам, однако она также имеет некоторые недостатки. Возможем решением может стать химическая модификация гуаровой смолы, которая не только устраняет присущие ей недостатки, но и сохраняет преимущества гуара. Для решения проблемы биоразлагаемости гуаровой смолы применяется получение сополимеров гуаровой смолы и ПАА (полиакриламида) Gm1-Gm3. В работе [9] было проведено сравнение таких сополимеров с чистой гуаровой смолой. Результаты показали, что очистка значительно усиливает эффективность снижения сопротивления и устойчивость к биодеградации гуаровой смолы.

1000 2000 Концентрация (ррт) Рисунок 3. Снижение турбулентности при скорости потока равной 2,2 м/с [9]

Применение

С момента открытия аномального снижения гидравлического сопротивления трения при введении в поток жидкости высокомолекулярных полимеров, их применение было технически и экономически привлекательным для многих областей, таких как транспортировка сырой нефти по трубопроводам, ирригация, гидротранспорт, канализация, системы пожаротушения [10], биомедицинские технологии, нефтедобыча и т. д. Среди них использование полимеров в пожаротушении, нефтедобыче и транспортировке нефти нашли применение в промышленных масштабах, в то время как другие все еще находятся на стадии экспериментальных исследований.

Нефтяная промышленность является главным сектором применения противотурбулентных высокомолекулярных добавок. И синтетические и природные полимеры широко используются на различных этапах работы топливно-энергетического комплекса, начиная от добычи нефти, а именно создания буровых растворов и жидкостей для гидроразрыва, а также повышения нефтеотдачи месторождений и заканчивая транспортировкой сырой нефти по трубопроводам.

Область биомедицины является еще одним важным направлением применения эффекта снижения гидравлического сопротивления. В силу своей биологической и химической неагрессивности и биоразложения биополимеры являются идеальными агентами снижения гидравлического сопротивления внутри тела животных. Существуют исследования [11], в которых животным с острой ишемией миокарда вводили высокомолекулярные полимеры на основе алоэ в кровь. Результаты опытов показали снижение смертности среди животных. Также проводилась реанимация крыс с применением противотурублентных агентов. В ходе этих опытов была подтверждена гипотеза о том, что проведение реанимации с полимерными агентами увеличивает выживаемость в ходе операции у крыс с летальным геморрагическим шоком. Кроме того, проводились исследования по изучению влияния биополимеров для снижения давления при атеросклерозе и увеличении кровотока. Была доказана эффективность применения природных полимеров для лечения заболеваний кровообращения.

Поскольку биополимеры безвредны и биологически нейтральны к окружающей среде, они широко применяются в сельском хозяйстве в первую очередь для повышения эффективности оросительных систем. Добавление в оросительный раствор биополимеров существенно снижает энергопотребление систем орошения и увеличивает зону их покрытия без влияния на продуктивность, что приводит к экономической выгоде от применения природных полимеров для этой цели.

В ходе проведенной работы по оценке эффективности водорастворимых полимеров для снижения гидравлического сопротивления, были определены основные положительные

Нефтяная отрасль

Биомедицина

Сельское хозяйство

Заключение

аспекты применения некоторых видов современных высокомолекулярных полимеров в различных отраслях и сферах деятельности человека.

В заключении стоит отметить, что рассмотренные биополимеры в силу многих их свойств и возможности дальнейшей модификации предлагаются как основа развития и повышения эффективности существующих областей применения эффекта снижения гидравлического сопротивления.

ЛИТЕРАТУРА

1. Wen Jiao Han, Yu Zhen Dong and Hyoung Jin Choi, Department of Polymer Science and Engineering, Inha University, Incheon 22212, Korea.

2. F.C. Li, B.Yu, J.J. Wei, and Y. Kawaguchi, Turbulent Drag Reduction by Surfactant Additives, Wiley, 2012.

3. K. Kim and R. Sureshkumar, "Spatiotemporal evolution of hairpin eddies, Reynolds stress, and polymer torque in polymer drag-reduced turbulent channel flows", Physical Review E, vol. 87, Article ID063002, 11 pages, 2013.

4. T. Tsukahara, M. Motozawa, D. Tsurumi, and Y. Kawaguchi, "PIV and DNS analyses of viscoelastic turbulent flows behind a rectangular orifice", International Journal of Heat and Fluid Flow, vol. 41, pp. 66-79, 2013.

5. Sreedhar, I.; Jain, G.; Srinivas, P.; Reddy, K.S.K. Polymer induced turbulent drag reduction using pressure and gravity-driven methods. Korean J. Chem. Eng. 2014, 31, 568-573.

6. Reddy, K.; Mohan, G.K.; Satla, S.; Gaikwad, S. Natural polysaccharides: Versatile excipients for controlled drug delivery systems. Asian J. Pharm. Sci. 2011, 6, 275-286.

7. Hong, C.H.; Choi, H.J.; Zhang, K.; Renou, F.; Grisel, M. Effect of salt on turbulent drag reduction of xanthan gum. Carbohydr. Polym. 2015, 121, 342-347.

8. Thombarea, N.; Jhab, U.; Mishrab, S.; Siddiqui, M.Z. Guar gum as a promising starting material for diverse applications: A review. Int. J. Biol. Macromol. 2016, 88, 361-372.

9. Sakai, T.; Repko, B.; Griffith, B.P.; Waters, J.H.; Kameneva, M.V. IV infusion of a drag-reducing polymer extracted from aloe vera prolonged survival time in a rat model of acute myocardial ischaemia. Br.J. Anaesth. 2007, 98, 23-28.

10. Шаптала М.В., Скушникова А.И., Шаглаева Н.С. Влияние полимеров акриламида на свойства огнетушащих водопенных составов // Вестник ВСИ МВД РФ. - 2009. - № 1. - С. 37-42

11. Коровина М.А. Разработка методологии и технологии создания лечебных текстильных и гидрогелевых аппликаций для направленной местной доставки лекарств при лучевой терапии онкологических заболеваний (теория и практика): дис. ... д-ра техн. наук. М, 2011. 93 с.

Yasnyuk Tatyana Igorevna

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

Vyazkova Elizaveta Andreevna

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

Anisimova Ekaterina Yuryevna

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

Tsyrendshiyev Nasag Batorovich

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

Panasenko Natalia Leonidovna

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

Tsybulya Irina Igorevna

Far eastern federal university, Vladivostok, Russia E-mail: [email protected]

The use of water-soluble polymers to reduce the hydraulic friction resistance

Abstract. Today it is known that the introduction of a small amount (tens or hundreds of parts per million of the total solution volume) of water-soluble high molecular weight polymers into the flow of liquid pumped through the pipeline reduces the hydraulic friction resistance. This phenomenon of an abnormal decrease in the hydraulic friction resistance when high molecular weight polymers is introduced into a liquid flow is called the Toms effect. The effectiveness of the use of water-soluble polymers to reduce the turbulence of the flow, and hence the cost of pumping liquid through the pipeline or increasing the pressure at the outlet from it, is closely related to the conditions for transporting the liquid with rheology, the physical and chemical characteristics of the additives. Various polymer additives can be used in industry and the national economy, from extinguishing fires to agro-industrial complex and medicine, since the potential for using the phenomenon of reducing hydraulic resistance can not be overemphasized. Among the promising compounds considered as antiturbulent agents in recent decades, water-soluble macromolecules of both natural and synthetic polymers, such as polyethylene oxide, polyacrylic acid, polyacrylamide and poly N-vinylformamide, have proved effective. Depending on the molecular weight of the individual polymers, one can judge whether it is promising to use it in one area or another to reduce the hydraulic resistance. An important condition for the manifestation of the effect in this case is the effective mixing of the components of a solution of a high-molecular polymer. This paper will shed light on the complex behavior of a turbulent flow with the addition of various water-soluble polymers, as well as a mechanism for reducing friction resistance and the associated methods of practical application of this effect.

Keywords: anti-turbulent additives; pipeline oil transportation; efficiency of application; Toms effect; increase of capacity