含液天然气管输减阻剂的研究进展.pdf

第 4 2卷第 2期 2 0 1 3年 2月 应用化工 A p p l i e d Ch e mi c a l, I n d u s t r y V0 1 ． 42 No ． 2 F e b ． 2 0 1 3 含液天然气管输减 阻剂 的研 究进展 李孟 ， 岳为超 ， 徐吉展 ， 叶天旭。 1 ． 中国石油大学 华 东化学工程学院 ， l L l 东 青 岛2 6 6 5 8 0 ； 2 ． 中国石油大 学 华东 理学院 ， t 1 东 青 岛2 6 6 5 8 0 ． 摘要 介绍了含液天然气管道的阻力成因， 从减阻技术对管壁粗糙度、 持液率、 水合物的控制三方面阐述了其减 阻降耗机理， 对国内外 目前已开发的天然气管输减阻剂的结构类型分析总结， 得出 G e m i n i 型表面活性剂和高聚物 减阻剂之 间的有效 复配是未 来主要 的研究方向。 关键词 减阻剂； 天然气； 多相流； 凝析液 中图分类号 T Q 3 1 7 文献标识码 A 文章编 号 1 6 7 1 3 2 0 6 2 0 1 3 0 2 0 3 3 70 4 Pr o g r e s s o n dr a g r e d u c t i o n a g e n t o f c o n t a i n i n g l i q u i d n a t ur a l g a s L ／Me n g ， Y U E We i c h a o ， XU J i z h a n ， Y E T i a n 一 1 ． C o l l e g e o f C h e m i c a l E n g i n e e r i n g ． C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m E a s t C h i n a ， Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a ； 2 ． C o U e g e o f S c i e n c e ， C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m E a s t C h i n a ， Q i n g d a o 2 6 6 5 8 0 ， C h i n a Ab s t r a c t I n t r o d uc i n g t h e r e s i s t a nc e c a u s e s a n d t h e me c h a n i s m o f t he mu hi ph a s e t e c h n o l o g y t hr o u g h t h r e e a s p e c t s d r a g r e d u c t i o n o f w a l l r o u g h n e s s ， h e l d c o n t r o l o f t h e l i q u i d a n d h y d r a t e ． T h e c l a s s i fi c a t i o n o f d r a g r e d u c t i o n a g e n t a r e a n a l y z e d a n d s u mma r i z e d， t o d r a w t h e e f f e c t i v e mi x e d b e t we e n t h e Ge mi n i s u r f a c t a n t a n d p o l y me r DR A i s t h e ma i n r e s e a r c h d i r e c t i o n i n t h e f u t u r e ． Ke y wo r d s d r a g r e d u c t i o n a g e n t ；n a t u r a l g a s ；mu l t i p h a s e fl o w；c o n d e n s a t e s 作为一种清洁、 高效的能源， 天然气在世界能源 利用中所占的比例越来越大 ， 被广泛的应用于化工 、 发电等各个领域。据预测 ， 到 2 0 3 0年 ， 天然气将成 为能源结构中的主要燃料 ， 其需求量远远超过石油 和煤炭。在今后的 1 0 0年中 ， 天然气将代替煤成为 基本的热电燃料。 天然气运输过程 中， 往往伴随着凝析与反凝析 现象的发生 ， 因此 ， 含液天然气的管输实际上可以看 作是含有凝析液的多相混输 ， 因此 ， 相对于单相流来 说 ， 含液天然气管输 是一个 十分复杂 的问题 。 目 前 ， 天然气管道减阻主要采用减阻剂减阻技术 ， 天然 气减阻剂作为一种新型的管道添加剂， 由于其使用 方便 ， 成本低等优点 ， 受到 了广泛的关注。 1 阻力成因 1 ． 1 流型分类 含液天然气管输流型一般分为泡状流 、 间歇流 、 环状流 、 分层流等多种流型。其中， 间歇流又包含弹 状流 段塞流 、 塞状流和块状流 ； 分层流又包含光 滑分层流和波状分层流 引。 分层流型 环状流型 图 1 气液混合流体在管内流动时流型简图 F i g ． 1 T h e fl o w d i a g r a m o f t h e mi x g a s l i q u i d fl u i d i n t h e p i p e 收稿日期 2 0 1 2 - 1 2 - 1 8 修改稿 日期 2 0 1 2 ． 1 2 ． 2 8 基金项目 国家科技重大专项 2 0 1 1 Z X 0 5 0 2 6 - 0 0 4 - 0 4 作者简介 李孟 1 9 8 8一 ， 女， 山东莱阳人， 中国石油大学 华东 硕士研究生， 师从叶天旭副教授， 从事精细化工、 缓蚀剂 、 天然气减阻剂等新材料的开发。电话 1 5 8 6 3 0 0 3 1 0 2 ， Em a i l k l m8 1 I s i n a ． c n 通讯联系人 叶天旭 ， 男， 湖北汉川人， 中国石油大学 华东 副教授， 从事精细化工、 降凝剂 、 缓蚀剂 、 天然气减阻剂等新材 料的开 发。电话 1 5 8 6 3 0 1 6 1 3 8 。 E ma i l x i n z i 1 9 9 7 s i n a ． c o rn 第 2期 李孟等 含液天然气管输减阻剂的研究进展 3 3 9 使多相流的减阻率达到最大 ， 一方面需要减少管道 摩擦阻力 ， 另一方面需要减少其持液率 。而减阻剂 的复配并不是简单的加入管道中就可以进行有效的 减阻， 需要减阻剂与其流型特征相互匹配 ， 这样才能 获得最大的减阻效果 。 表 1 含液天然气管输减阻剂的分类 Ta bl e 1 Th e c l a s s i fic at i on of t he mul t i pha s e flo w dr a g r e duc t i on a ge n t s 由表 1 可知 ， 聚合物减阻剂和表面活性剂减阻 剂都有其各 自的优缺点 ， 这就需要根据管道流型 ， 针 对不同的流型找到其最佳的配方 ， 使 其对 降低管道 摩擦 阻力以及持液率都有一定的效果。 3 ． 1 聚合物减阻剂 聚合物减阻剂应该具有以下特点 ①分子量 一 般要达到百万量级 ， 因为分子量越大 ， 其减阻效果 越好； ②分子链呈直线型结构， 而且主链越长、 支链 越少， 其减阻效果越显著， 这主要是因为分子链的支 化大大降低了高分子聚合物的减阻效果； ③用量少， 即添加极少量的高分子聚合物就会 出现明显的减阻 现象。 目前开发的高分子聚合物减阻剂主要有聚氧化 乙烯类、 聚丙烯酰胺类、 聚 仅 一 烯烃类减阻剂。在 1 9 6 8年， O l i v e首次完成 了第 1个多相流 的减阻 实 验 ， 利用聚氧化乙烯为减阻剂 ， 结果发现 ， 在聚氧化 乙烯浓度为 1 ． 3 ％的条件下 ， 其对 多相流存在着 一 定的减阻效果⋯J 。T a l a l A I h a i b i 【 1 2 ] 利用聚丙烯 酰 胺为减阻剂 ， 实验发现 ， 加入减阻剂后 ， 管道中环形 流向分层流转变 ， 减阻率可达到 5 0 ％。后来 ， Wi l k ． e n s R 以及 A b d e l s a l a m A 1 一 S a r k h i 等 也对高聚 物减阻剂进行了研究， 但是高聚物减阻剂因其易降 解 、 抗剪切性能差， 因此对高聚物的广泛应用造成了 限制。 3 ． 2 表面活性剂减阻剂 表面活性剂减阻剂 主要有 G e mi n i 型和 B o l a型 表面活性剂 ， G e mi n i 型和 B o l a型表面活性剂又分为 磷酸酯及其盐类、 含氮化合物类、 杂环化合物类等表 面活性剂 。 3 ． 2 ． 1 磷酸酯及其 盐类 磷 酸酯及其盐类表面活 性剂是利用磷酸酯基与管道表面的铁原子形成配位 键， 建立较强的螯合作用， 从而在管道表面形成较强 的吸附膜 ， 该吸附膜还可 以对 管道有一定 的保护作 用 ， 从而达到防止管道腐蚀 的效果。实验室前期发 现 ， 在天然气单相流管道中， 单酯类磷酸酯铵盐的缓 释效果优于双酯类铵盐 J ， 可能原 因是单酯较双 酯多一个 P 一0键 ， 增加了其吸附稳定性。， 3 ． 2 ． 2 含 氮化合物类 含氮化合物类表面活性剂 是利用极性端氮原子与 F e的空轨道形成配位键 ， 而 非极性端伸向管道内部 ， 在管道表面形成一层柔性 的膜 ， 从而减少 了湍流强度 ， 增加了输气量。目前 ， 由张其滨_ 】 合成的油酸酰胺类减 阻剂经复配 之后 发现， 其在钢片表面 的吸附性强 ， 可以增加 1 0 ％ 一 1 5 ％ 的输气量 。含氮化合物类表面活性剂 目前主要 研究的是 G e m i n i 型的表面活性剂 ， 由于其在管道表 面具有 2个吸附基团 ， 所 以在 F e原子表面的吸附力 更强， 缓蚀效果以及减阻效果更好 。 3 ． 2 ． 3 杂环化合物类 杂环化合物因环 中含有杂 原子 ， 杂原子中的孤对 电子可与 F e的空轨道 ， 对金 属具有较强的吸附作用 。且分子 内或者分子间极易 形成大量的氢键进而使吸附膜增厚。引人长碳链的 杂环化合物具有天然气减阻剂潜质 引。 目前， 李峰 等合成了以巯基三唑化合物为基体， 与 1 一 萘胺一 5 一 磺 酸、 二甲基硫代氨基 甲酰氯 、 马来酰亚胺、 苯磺酰胺 和氨基丙二酸乙酯复配， 实验结果发现， 其减阻率为 8． 4％ [ 1 9 j 。 4 结束语 由于含液天然气管道运输固有的复杂性、 多样 性 和测试手段的局限性 ， 故至今对于其流动机理 、 流 型形成、 阻力特性 、 质量、 动量和能量传递等还不十 分清楚， 对其许多现象的分析还存在许多分歧， 所以 研究起来比较 复杂 引， 目前 ， 对于含液天然气管输 减阻剂的研究也比较少 ， 鉴于 目前的研究现状 ， 对于 含液天然气管输减 阻剂 的研 究主要倾 向于 G e m i n i 型与高聚物的复配研究 。原 因是 G e m i n i 型表面活 性剂具有多个螯合基团 ， 其在钢片表 面的吸附能力 较强， 同时表面活性剂类可以降低气． 液界面张力， 降低管道的持液率， 而与聚合物类减阻剂复配可以 提高其减阻效果 。随着对含液天然气管输减阻剂的 研究的深人， 相信其具有很大的开发前景和应用潜 力 。 参考文献 [ 1 ] 刘磊． 表面 活性剂 减阻 C N， 2 0 1 0 1 0 2 4 2 5 4 5 ． 5[ P] ． 201 0． 1 2之2． [ 2 ] 谢黎明， 朱绪胜， 王岩． 气液两相流在管内流动数值研 究[ J ] ． 设计与研究， 2 0 1 1 4 7 2 ． 7 4 ． [ 3 ] 林竹， 袁中立， 翟建军． 长输天然气管道内涂层减阻试 应用化工 第 4 2卷 验研究[ J ] ． 天然气工业 ， 2 0 0 2 ， 2 2 1 7 5 - 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