Коллоидно-химические аспекты интенсификации массопереноса жидкостей с присадками из сополимеров акриламида Чичканов Сергей Викторович

Содержание к диссертации

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ 4

ВВЕДЕНИЕ 6

ГЛАВА 1. ЭФФЕКТ ТОМСА В МОДЕЛЬНЫХ И РЕАЛЬНЫХ
СИСТЕМАХ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ) 12

1.1 Общие сведения об эффекте Томса 12

1.1.1 История открытия эффекта Томса 13

1Л .2 Гипотезы о механизме эффекта 15

1.1.3 Основные факторы, влияющие на величину эффекта Томса 21

1. Применение эффекта Томса в нефтепромысловом деле 32

2. Применение эффекта Томса в медицине 40

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ПО ЛИТЕРАТУРНОМУ ОБЗОРУ 43

ГЛАВА 2 РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 44

2.1 Эффект Томса в водных средах 45

2.1.1 Влияние молекулярных параметров (со)полимеров акриламида на

величину эффекта Томса 46

2.1.1.1 Бинарные присадки из (со)полимеров 62

3. Влияние ионной силы на величину эффекта Томса 64

4. Влияние поверхностно-активных веществ на величину эффекта Томса 84

5. Влияние геометрических параметров ограничительного контура на величину эффекта Томса в водных средах 95

2.2 Эффект Томса в прямых эмульсиях нефти 103

1. Влияние природы, концентрации и молекулярных параметров водорастворимых полимерных присадок на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти 104

2. Влияние вязкости и размеров частиц дисперсной фазы на величину эффекта Томса в прямых эмульсиях нефти 118

ГЛАВА З ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ 128

3. Характеристика объектов исследования 128

4. Методика получения образцов (со)полимеров акриламида различной молекулярной массы 132

5. Получение образцов гидролизованного полиакриламида разной степени гидролиза 137

6. Оценка величины эффекта Томса 138

7. Методики определения вязкости растворов и прямых эмульсий нефти.141

8. Оценка критической концентрации мицеллообразования ПАВ 142

9. Методика определения оптических плотностей бинарных смесей полимер-полимер и полимер-ПАВ 143

10. Методика определения адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы 143

ВЫВОДЫ 146

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 148

СОКРАЩЕНИЯ И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ЭТ - эффект Томса;

ВЭТ — величина эффекта Томса, оцениваемая по параметру Т;

ПЭТ - приведённый эффект Томса;

ВПЭТ - величина приведённого эффекта Томса, оцениваемая по параметру у;

Re - число (критерий) Рейнольдса;

АА - акриламид;

ПАА — полиакрил амид;
& СПАА - сополимеры акриламида;

Н — неионогенный полиакриламид;
⁽Щ А - анионный сополимер акриламида;

К — катионный сополимер акриламида;

ПОЭ - полиоксиэтилен;

НКМЦ—натриевая соль карбокс им етил целлюлозы;

С - концентрация (со) полимеров;

а - содержание ионогенных звеньев в сополимерах;

М - молекулярная масса (со)полимеров;

М - средняя молекулярная масса (со)полимеров;

F — параметр Шульца;
;Щр Z — полидисперсность (со)полимеров по составу;

ПАВ — поверхности о-активное вещество;

Спав - концентрация ПАВ;

ККМ - критическая концентрация мицелл образования;

г|уд — удельная вязкость;

Луд/С ~ число вязкости;
[rj] - предельное число вязкости;

v - кинематическая вязкость;
^ ЭН — эмульсия нефти;

v„ - кинематическая вязкость нефти;

v_1M - кинематическая вязкость нефтяной эмульсии;

(h²)⁰'³ - среднеквадратичные размеры макромолекул;

со - массовая доля;

ДЭС —двойной электрический слой;

УЗД - ультразвуковая деструкция;

J - ионная сила;

% - величина светопропускания;

D — оптическая плотность;

X — длина волны;

U_np. - потенциальная энергия притяжения;

Цлт. ~ потенциальная энергия отталкивания;

ДФ - дисперсная фаза;

Р — коэффициент адсорбции на частицах дисперсной фазы;

R - средние размеры частиц дисперсной фазы;

а — поверхностное натяжение;

L - длина капилляра;

d_K — диаметр капилляра;

Р - давление;

m — масса;

v - скорость;

р - плотность;

т - время;

t - температура;

V - объём.

Введение к работе

Актуальность работы. Для многих отраслей промышленности весьма актуальными остаются проблемы снижения энергозатрат и оптимизации процессов скоростной транспортировки жидкостей по трубопроводам. В настоящее время в промышленном масштабе применяется ряд подходов для решения этих проблем и, несомненно, один из наиболее перспективных и оригинальных из них связан с введением в систему небольших добавок высокомолекулярных соединений. Следствием введения полимерной добавки является снижение гидравлического сопротивления турбулентного потока, и, как следствие этого, увеличение расхода жидкости при постоянном давлении. Это явление получило название эффекта Томса (ЭТ) по имени учёного, который первым взялся за систематическое изучение этого явления. ЭТ проявляется как в водных, так и в органических средах и в той или иной форме он нашёл широкое применение в самых разных областях промышленности, в частности, при быстрой транспортировке по трубопроводам нефти, нефтепродуктов, водных эмульсий и суспензий, для увеличения скорости быстродвижущихся надводных и подводных объектов, в сельском хозяйстве и в медицине, при тушении сильных пожаров и др.

Несмотря на активное использование ЭТ в промышленности число работ, посвященных систематическому изучению этого явления на количественном уровне явно недостаточно для глубокого понимания его механизма, а также отыскания дополнительных «рычагов» направленного управления процессами турбулентного течения жидкостей. Подавляющее большинство теоретических и экспериментальных работ, посвященных изучению ЭТ, проведено в водных средах, гораздо менее исследованы системы, в которых дисперсионной средой являлись нефть, нефтепродукты или органические растворители. Между тем на практике (особенно в нефтепромысловом деле) всё чаще приходится иметь дело с более сложными, многофазными и многокомпонентными системами, такими как прямые и обратные нефтяные эмульсии (ЭН). Сложный характер дисперсной фазы в

7 этих системах вносит дополнительно осложняющие факторы, учёт которых необходим для успешного внедрения и эксплуатации технологий, связанных с оптимизацией процессов скоростной транспортировки жидкостей (в том числе и с целевыми продуктами в виде эмульсий и суспензий) в присутствии полимерных присадок.

Цель и задачи исследования. Целью данной работы являлось изучение на количественном уровне основных закономерностей процесса массопереноса в турбулентных потоках жидкостей с целью отыскания действенных путей ускорения транспортировки жидкостей по трубопроводам в присутствии различных водорастворимых полимерных присадок. Для успешного достижения этой цели необходимо было решить следующие задачи:

1) создать экспериментальную установку и разработать удобные методики проведения экспериментов по изучению на количественном уровне закономерностей ЭТ;

2) получить образцы неионогенных, анионных и катионных (со)полимеров акриламида (АА) различающихся по молекулярным массам и по содержанию ионогенных звеньев;

3) на уровне таких количественных характеристик турбулентных потоков, как величины ЭТ (ВЭТ) и приведённого ЭТ (ВПЭТ), оценить влияние химической природы, концентрации, молекулярных параметров (молекулярной массы, состава, а также полидисперсности по молекулярной массе и по составу) полимерных присадок и основных характеристик дисперсионной среды (ионной силы, природы электролита, содержание активных компонентов), а также геометрических параметров ограничительного контура на результирующий макроскопический ЭТ; изучить эффективность бинарных композиций типа полимер-полимер и полимер-ПАВ в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентных водных потоков, с целью нахождения условий возникновения в таких системах эффектов синергизма и антагонизма; изучить влияние химической природы, концентрации, молекулярных характеристик водорастворимых (со)полимеров и свойств органической фазы на величину ЭТ при транспортировке нефтесодержащих дисперсных систем (а именно — прямых эмульсий нефти).

Научная новизна и значимость работы. На количественном уровне проведены систематические исследования по выявлению основных закономерностей ЭТ в водных средах и прямых эмульсиях нефти.

Установлено, что ВЭТ зависит не только от молекулярной массы и химического состава сополимеров, но и от полидисперсности по молекулярной массе и по составу, причём эти зависимости носят сложный, экстремальный характер.

Проведена оценка влияния ионной силы и природы электролита на ВЭТ для различных по химической природе (со)полимеров акриламида (СПАА). Обнаружено, что характер этих зависимостей для анионных и катионного СПАА существенно различен.

Изучена эффективность бинарных композиций (со)полимер-(со)полимер, (со)полимер-ПАВ и (со)полимер-электролит в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентных водных и водно-солевых потоков. Выявлены основные причины возникновения в таких системах эффектов синергизма и антагонизма, что способствует более оправданному и научно-обоснованному подбору полимерных компонентов для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков в реальных дисперсных системах.

Для различных по составу прямых эмульсий нефти впервые на количественном уровне проведена оценка влияния химической природы, концентрации и молекулярных параметров полимерных присадок, ионной силы, а также вязкости и размеров частиц дисперсной фазы (нефти) на величину эффекта Томса.

Практическая ценность работы. Проведены систематические исследования на количественном уровне основных закономерностей влияния различных факторов на ВЭТ в водных средах и прямых НЭ. В ходе исследований был сделан вывод о том, что при выборе полимерной присадки для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков

9 реальных жидкостей необходимо руководствоваться не только значениями молекулярной массы и состава, но учитывать и полидисперсность образцов по молекулярной массе и по составу, так как влияние их на величину ЭТ в ряде случаев довольно значительно.

При изучении эффективности бинарных композиций типа (со)полимер-(со)полимер, (со)полимер-ПАВ и (со)полимер-электролит были установлены условия возникновения эффектов синергизма и антагонизма действия отдельных компонентов смеси. В будущем это может способствовать исключению ошибок при работе со сложными полимерными композициями и повышению эффективности уже освоенных и новых бинарных полимерных композиций в качестве присадок в реальных процессах транспортировки жидкостей по трубопроводам.

Изученные закономерности ЭТ в прямых эмульсиях нефти в присутствии водорастворимых полимерных позволяют рекомендовать их как эффективные присадки для снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков НЭ. Проведённые исследования могут способствовать разработке и развитию принципиально новых способов транспортировки тяжёлых, высокозастывающих нефтей в виде прямых эмульсий в присутствии полимерных присадок.

Личное участие автора. Диссертант лично принимал участие в создании экспериментальных установок, разработке методик, постановке и выполнению экспериментов по изучению эффекта Томса (а также всех сопутствующих экспериментов), обработке экспериментальных данных и обсуждении полученных результатов, а также в подготовке материалов и текстов печатных публикаций.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 научных статей, издано 6 тезисов докладов.

Апробация работы. Результаты работы докладывались на: Всерос. симп. ХИФПИ-02, г. Хабаровск, 2002 г.; -междун. конф. «Азиатско-Тихоокеанский регион в глобальной политике, экономике и культуре XXI в.», г. Хабаровск, 2002 г.; -междун. конф. по ВМС, ЮТУ, г .Казань - 2003, 2005 гг.; Всерос. конф. «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии», г. Саратов, 2003 г.; -междун. конф. «Oil Recovery 2003», г. Москва, 2003 г.; -

Европ. Симп. «Повышение нефтеотдачи пластов», г. Казань, 2003 г.

Результаты работы докладывались и обсуждались на отчётных научно- V технических конференциях КГТУ в 2004-2005 гг.

Объекты и -методы исследования. В работе в качестве базовых использовались образцы СПАА, полиоксиэтилена (ПОЭ) и натриевой соли карбоксиметилцеллюлозы (НКМЦ) как промышленного производства, так и синтезированные лабораторным путём, а также (со)полимеры АА, полученные методами щелочного гидролиза и ультразвуковой и химической деструкции. В работе в качестве модифицирующих добавок, а также для стабилизации прямых эмульсий нефти применяли различные ПАВ. Критическая концентрация мицеллобразования (ККМ) растворов ПАВ определялась методом сталагмометрии. Ф Изучение ЭТ проводилось в лабораторных условиях как в водных средах (на дистиллированной воде), так и в более сложных модельных системах — прямых эмульсиях нефти. Величину эффекта Томса Т оценивали по разнице массовых расходов жидкости, прошедшей через капилляр (или трубку) с добавками полимера и без него на созданных нами экспериментальных установках. _ЧФ Определение оптической плотности растворов бинарных смесей полимер-полимер и полимер-ПАВ осуществляли фотоколориметрическим методом. Разделение нефтяных эмульсий для определения величины адсорбции полимера на частицах дисперсной фазы проводили методом центрифугирования с последующей экстракцией остаточной нефти органическим растворителем. Размеры частиц дисперсной фазы в эмульсиях * оценивали по данным оптической микроскопии.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 163 страницах машинописного текста и состоит из введения, трёх глав, списка литературы из 155 наименований и выводов. Диссертация включает 8 таблиц и 60 рисунков.

Работа выполнена в рамках Государственной программы развития науки и техники Республики Татарстан «Химия и химическая технология», постановление № 212 от 14.04.94.

Первая глава содержит анализ литературных источников, освещающих различные аспекты эффекта Томса - от оценки отдельных закономерностей и механизма явления до примеров практического использования в промышленности. Во второй главе приводятся результаты экспериментов и их обсуждение. Раздел 2.1 посвящен изучению ЭТ в водных средах. В подразделе 2.1.1 описаны эксперименты по влиянию химической природы, концентрации и молекулярных параметров на величину ЭТ. Там же приведены результаты экспериментов с использованием бинарных полимерных композиций. В подразделе 2.1.2 представлены данные о влиянии ионной силы, природы и режима ввода электролита в многокомпонентных солевых средах на ВЭТ. В подразделе 2.1.3 анализируется влияние природы ПАВ и (со)полимеров на эффективность бинарных композиций типа (со)полимер-ПАВ в качестве агентов, снижающих гидравлическое сопротивление турбулентных водных потоков. В подразделе 2.1.4 описываются эксперименты с различными по длине и диаметру капиллярами, а раздел 2.2 посвящен изучению эффекта Томса в прямых ЭН. В подразделе приводятся данные по влиянию химической природы, концентрации и молекулярных параметров полимерных присадок, содержания нефти в эмульсии, а также ионной силы на ВЭТ в прямых эмульсиях. В подразделе проведена оценка влияния вязкости и размеров частиц дисперсной фазы (нефти) на эффект снижения гидравлического сопротивления турбулентных потоков прямых эмульсий нефти. В третьей главе приведены характеристики всех используемых в работе веществ и описаны методики проведения экспериментов.

Похожие диссертации на Коллоидно-химические аспекты интенсификации массопереноса жидкостей с присадками из сополимеров акриламида

Закономерности процессов флокуляции модельных дисперсных систем с участием сополимеров акриламида и полимер-неорганических гибридовПроскурина Виктория Евгеньевна

Разработка технологических жидкостей с использованием ПАВ и биополимерных реагентов для интенсификации добычи нефтиГригорьева, Виктория Валерьевна

Ассоциация катионных и анионных сополимеров акриламида с анионным ПАВ в водных растворахБабаев Алексей Александрович

Флокулирующие свойства анионных и катионных сополимеров акриламида и их модифицированных производныхСнигирев Святослав Витальевич

Синтез и свойства привитых, блок-сополимеров и смесей гомополимеров N-винилпирролидона и акриламида с хитозаномМочалова Алла Евгеньевна

Лесоводственные аспекты интенсификации воспроизводства кедра корейского (Pinus Koraiensis (Siebold et Zucc.)) на Дальнем ВостокеНикитенко, Елена Алексеевна

Научно-практические аспекты интенсификации технологических процессов с использованием наноактивированных жидких сред при производстве мясопродуктовБрацихин, Андрей Александрович

Современные аспекты интенсификации ведения свиноводства Василенко Вячеслав Николаевич

Альто-бактериальные аспекты интенсификации биогидрохимического круговорота в техногенных экосистемахДзержинская, Ирина Станиславовна

Селекционные и технологические аспекты интенсификации свиноводстваСвинарев Иван Юрьевич