CC BY
20
УДК 66.026.2
Я. А. Кожемяко, Т. А. Квасникова, Р. Р. Хуснуллин,
Л. Р. Байбекова, А. В. Шарифуллин, В. Н. Шарифуллин
ВЛИЯНИЕ ВОДОРАСТВОРИМЫХ ПРИСАДОК НА СВОЙСТВА ПЕРЕКАЧИВАЕМОЙ ВОДЫ
Ключевые слова: эмульсия, турбулентный поток, гидравлическое сопротивление.
Изучены закономерности влияния водорастворимых присадок на свойства перекачиваемой воды, изменения пропускной способности данного состава в зависимости от вязкости и диаметра трубопровода. Предложен механизм действия присадок и образование транспортируемого эмульсионного потока.
Keywords: emulsion turbulentflow, the fluid resistance.
The regularities of the influence of water-soluble additives on the properties of the pumped water, change the bandwidth of the composition depending on the viscosity and the diameter of the pipeline. A mechanism of action of additives and emulsion formation of the transported stream.
Введение
Эффективность действия присадок в потоках жидкостей по снижению гидравлического сопротивления в основном обусловлена, в том числе и коллоидно-химическими свойствами,
сопровождающаяся изменением поверхностной энергии. Поэтому с позиции влияния поверхностных сил на величину эффекта Томса изучено поверхностное натяжение применяемых присадок.
Действие присадок при перекачке воды (однофазная жидкость) направлены на границу раздела фаз «жидкость - твердое тело» (стенка трубы).
Методы определения межфазных взаимодействий реагентов на границе «жидкость-твердое тело» является сложным и неточным. Однако, по мнению ряда исследователей, закономерности процессов, происходящих на границе раздела твердое тело-жидкость ближе по существу к процессам, происходящим на границе раздела жидкость-газ [1]. Таким образом, определив изотермы поверхностного натяжения на границе «вода-воздух», а так же, смачивающую способность по высоте поднятия жидкости в вертикальном капилляре можно оценить поверхностную активность водных растворов на границе раздела «жидкость-твердое тело» и подтвердить предполагаемую теорию действия присадок [2].
Обсуждение результатов
Определение поверхностного натяжения на границе жидкость-газ (вода-воздух) осуществлялось на аппарате, разработанном Ребиндером и представленном на рис. 1. Опыты проводились при температуре 25°С, так как эксперименты с перекачкой жидкости осуществлялись при данной температуре.
Для сравнения по значениям поверхностного натяжения исследуемых присадок приведены графические зависимости
водорастворимых ПАВ.
Рис. 1 - Схема установки по определению эффекта Томса: 1 - емкость, 2 - насос, 3 -манометры, 4 - расходомер, 5 - змеевик, 6 -электросчетчик
Анализируя графические зависимости поверхностного натяжения и концентраций присадок, представленные на рисунке 2, сразу можно сделать вывод о том, что применяемые присадки обладают поверхностно-активными свойствами. Следующее что можно выделить, в верхней части графических зависимостей (рис. 2) расположены присадки с меньшей молекулярной массой, а в нижней - с большей молекулярной массой, т.е. чем выше молекулярная масса, тем больше поверхностная энергия. Также графические зависимости носят такой же характер, как и ПАВ.
Результаты показывают, что изучаемые водорастворимые присадки обладают поверхностной активностью (рис. 2). При этом для высокомолекулярных полимеров поверхностная активность ниже, чем у НПАВ. Начальная эффективность высокомолекулярных полимеров в большей степени связана с их прямолинейной длинной структурой, которые при разрушении не восстанавливаются. Низкомолекулярные присадки, наоборот, способны к образованию восстанавливающих мицеллярных структур [3].
Рис. 2 - Изотермы поверхностного натяжения на границе «воздух-водный раствор» для присадок при 1=25°С, где: 1 - вода, 2 - ТНФ, 3 - уротропин, 4 - МЭА, 5 - ОЭДФК, 6-КМЦ, 7 - ПАА, 8 - Реапон-4В, 9 - Сульфанол
Сравнивая действия реагентов при перекачке в системе (рис. 3) и их поверхностную активность (рис. 2) оптимальной концентрацией, где наблюдается наиболее больший эффект Томса, составляет 10-15 мг/л. При этом данные поверхностной активности подтверждаются данными по эффекту Томса.
/ 1
У * /
г у
/ \
1
1 - ) --л
/
/ -ж \ ч
/ \ ■х *
0 10000 20000 30000 40000 30000
Критерий Рсйнмпдся
Рис. 3 - Влияние интенсивности турбулентности на величину эффекта Томса в присутствии уротропина при его концентрациях, мг/л: 1 - 10; 2 - 6; 3 - 2
Причинами снижения величины эффекта Томса при повышенной поверхностной активности могут быть следующие:
- при оптимальной поверхностной энергии в потоке достигается определенная турбулизация потока. Дальнейшее увеличение турбулентности приводит к уменьшению ламинарного подслоя, в котором находятся мицеллы. Идет вовлечение мицелл в турбулентное ядро потока, где происходит их разрушение. Таким образом, время на образование мицелл становится меньше, чем время на их разрушение [4].
- происходит изменение структуры мицелл: ассоциаты, конгломераты, которые менее устойчивы в турбулентном потоке.
- увеличение концентрации приводит к увеличению вязкости раствора, ламинизируя поток и соответственно приводит к отсутствию эффекта Томса.
Как вывод, действие веществ с поверхностно-активными свойствами в водных растворах может быть спрогнозировано по их поверхностной активности и ККМ.
В процессе эксплуатации промысловых трубопроводов на них откладываются различные породы: песок, глина, продукты коррозии и т. д. Поэтому было необходимо определить поверхностную активность - смачиваемость стенки трубы.
Определение смачивающей способности выполняется высотой кварцевым песком.
В нашей работе в качестве «стенки трубы» использовалась фракция доломита с размером частиц 0.14-0.63 мм, которая для лучшей адсорбционной способности активировалась соляной кислотой и прокаливалась при температуре 150°С в течение 5 часов. Оценка смачивающей способности водных растворов присадок проводилась по высоте поднятия жидкости по вертикальному капилляру, заполненного
доломитом, по чистой воде и с добавлением присадки.
Данный метод позволяет сделать достаточно корректную оценку относительной смачивающей способности ряда веществ, проявляющих поверхностно-активные и используемых для снижения гидравлического сопротивления.
Нами изучалась кинетика капиллярного впитывания водных растворов реагентов с малой и большой молекулярной массой. Концентрация присадок была определена 15 мг/л, так как при этой концентрации наблюдаются существенные отличия в поверхностной активности (рис. 4).
8 10 12 14 16 18 ¿0 22 ¿4 Время, ч
Рис. 4 - Кинетические зависимости смачивающей способности водных растворов при 1=25°С: 1 - вода, 2 - КМЦ, 3 - ОЭДФК
На основании проведенных исследований можно отметить, что поверхностная активность проявляется не только в каком-то одном процессе (например, в адсорбции), но и в процессах функционально связанных с ним. Это понятно, так как в основе данных явлений лежат процессы агрегатирования и образования новых ассоциативных структур (мицеллообразование), сопровождающиеся резким изменением физико-химических свойств растворов.
Литература
1. Повх, И. Л., Экспериментальное исследование турбулентного течения водных растворов полимеров в трубе / И. Л.Повх, А. Б.Ступин // Инж. - физ. журнал. -1972. - Т. 22. № 1. -С. 59-65.
2. Иваненков, В. В., Опыт использования противотурбулентных присадок на магист-ральных нефтепроводах / В. В. Иваненков, О. В. Пименов// Транспорт и хранение нефте-продуктов. - 2006. - №2.
3. Шарифуллин А.В., Хуснуллин Р.Р., Шарифуллин В.Н., Байбекова Л.Р. Особенности турбулентного течения нефтяных эмульсий //Вестник казанского технологического универ-ситета Издательство: КНИТУ (Казань )ISSN: 1998-7072. - 2013. - №21. - С. 272-276
4. Шарифуллин А.В., Хуснуллин Р.Р., Шарифуллин В.Н., Байбекова Л.Р. Осмоление товарных автобензинов в присутствии оксигенатов // Вестник казанского технологического университета. Издательство: КНИТУ (Казань )ISSN: 1998-7072. - 2013. - №17. - С. 224-226
5. Губин В.Е., Губин В.В. Трубопроводный транспорт нефти и нефтепродуктов.М.: Недра, 1982. -296с.
© Я. А. Кожемяко - студент кафедры ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; Т. А. Квасникова - студент кафедры ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; Р. Р. Хуснуллин - ведущий инженер ОАО «Нефтехимпроект», [email protected]; Л. Р. Байбекова - доцент кафедры ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; А. В. Шарифуллин - д-р техн. наук, профессор кафедры ХТПНГ КНИТУ, [email protected]; В. Н. Шарифуллин - д-р техн. наук, профессор КГЭУ, [email protected].
© J. A. Kozhemyako - student chair HTPNG KNRTU, [email protected]; T. Kvasnikova - student chair HTPNG KNRTU, [email protected]; R. R. Kluisiuillin - leading engineer of "Neftekhimproekt", [email protected]; L. R. Baibekova -assistant professor of HTPNG KNRTU, [email protected]; A. V. Sharifullin - Ph.D, professor of HTPNG KNRTU, [email protected]; V. N. Sharifullin - Ph.D, professor KSPEU,[email protected].
