基于十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽的天然氣減阻劑室內(nèi)評(píng)價(jià)

摘 要

摘要：目前，降低天然氣輸送阻力、提高管道輸送能力的方法包括管道內(nèi)涂層減阻技術(shù)和天然氣管輸減阻劑技術(shù)。由于內(nèi)涂層技術(shù)在施工上存在種種缺陷，因而對(duì)天然氣管輸減阻劑的研究成
摘要：目前，降低天然氣輸送阻力、提高管道輸送能力的方法包括管道內(nèi)涂層減阻技術(shù)和天然氣管輸減阻劑技術(shù)。由于內(nèi)涂層技術(shù)在施工上存在種種缺陷，因而對(duì)天然氣管輸減阻劑的研究成為天然氣輸送領(lǐng)域的新熱點(diǎn)。為此，根據(jù)天然氣管輸減阻劑的減阻機(jī)理，在已有的高碳醇磷酸酯鹽合成工藝的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)合成了十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)作為天然氣管輸減阻劑樣品，利用室內(nèi)環(huán)道評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)其0.1、0.2、0.3g/100 mL的乙醇溶液減阻效果進(jìn)行了評(píng)價(jià)。結(jié)果表明，該樣品具有一定的減阻效果，在0.2g/100mL濃度時(shí)其減阻效果最好，減阻率在140m3/h流量條件下達(dá)到最大值8.0%。并采用L16(54)正交表設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)對(duì)其合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：酯化時(shí)間為6h，酯化溫度為70℃，物料比為3.5：1，加水比為1：1，水解溫度為90℃。
關(guān)鍵詞：天然氣；減阻劑；室內(nèi)環(huán)道評(píng)價(jià)；十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽；正交實(shí)驗(yàn)
    目前，降低天然氣輸送阻力、提高管道輸送能力的方法包括管道內(nèi)涂層減阻技術(shù)和天然氣管輸減阻劑技術(shù)。由于內(nèi)涂層技術(shù)在施工上的種種缺陷，國(guó)內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)開(kāi)始了天然氣管輸減阻劑技術(shù)的研究。1990年Frank E L在室內(nèi)對(duì)常用作緩蝕劑的幾種物質(zhì)進(jìn)行了環(huán)道篩選[1]，并進(jìn)一步闡述了此類物質(zhì)的減阻機(jī)理。1991年Li Ying-Hsiao對(duì)幾種可能具有減阻潛力的物質(zhì)進(jìn)行了室內(nèi)環(huán)道評(píng)價(jià)[2]，其篩選的物質(zhì)主要為以銨基和酰胺基為極性端，以長(zhǎng)碳鏈為非極性端的緩蝕劑和幾種特定的原油。1998年，Li Ying Hsiao等人用Nalco 945緩蝕劑作為減阻劑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，證明了此類物質(zhì)具有減阻增輸?shù)男Ч?sup>[3]。Huey J C等人也以具有緩蝕劑類似結(jié)構(gòu)的物質(zhì)于2000年在墨西哥灣進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)并取得了成功[4]。國(guó)內(nèi)對(duì)于天然氣減阻劑的研究尚處于初級(jí)階段，山東大學(xué)的申麗霞等人合成了以N原子為主要吸附基團(tuán)的緩蝕劑，并在室內(nèi)環(huán)道上評(píng)價(jià)了其減阻性能[5～8]。
    筆者根據(jù)天然氣管輸減阻劑的機(jī)理[9～10]，合成了含有N、P、O等多原子吸附基團(tuán)的十八醇磷酸酯單乙醇胺鹽(OPEM)作為天然氣減阻劑，對(duì)其合成工藝進(jìn)行了優(yōu)化，并在室內(nèi)環(huán)道上評(píng)價(jià)了其減阻性能。
1 天然氣減阻劑合成實(shí)驗(yàn)
1.1 實(shí)驗(yàn)儀器與藥品
    實(shí)驗(yàn)儀器：電動(dòng)攪拌器、回流冷凝管(250mL)、三口燒瓶(250mL)和數(shù)字恒溫水浴鍋。
    實(shí)驗(yàn)藥品：十八醇(分析純)、五氧化二磷(分析純)、去離子水、無(wú)水乙醇(分析純)、乙醇胺(分析純)、NaOH(分析純)，酚酞指示劑和甲基紅指示劑。
1.2 合成方法
    十八醇磷酸酯單乙醇胺鹽(OPEM)的合成過(guò)程分為以下3個(gè)階段：酯化反應(yīng)、水解反應(yīng)和中和反應(yīng)[11～12]。在裝有回流冷凝管和攪拌器的3口燒瓶中加入定量的十八醇，升溫至反應(yīng)溫度后分批加入五氧化二磷，反應(yīng)一定時(shí)間后加入與五氧化二磷當(dāng)量的水，恒溫至預(yù)定溫度反應(yīng)2h，從反應(yīng)體系中移取一定量的水解產(chǎn)物進(jìn)行滴定分析，剩余產(chǎn)物中加入30mL乙醇，用單乙醇胺中和水解產(chǎn)物至中性，在水解溫度下進(jìn)行中和反應(yīng)1h。
    設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)來(lái)優(yōu)化該化合物的合成工藝，正交實(shí)驗(yàn)中考察了酯化時(shí)間、酯化溫度、物料比(十八醇與五氧化二磷的摩爾比)、加水比(五氧化二磷與所加水量的摩爾比)和水解溫度等5個(gè)因素，每個(gè)因素下考察4個(gè)水平，因此我們選擇了L16(54)正交表，正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表如表1所示。
 

1.3 產(chǎn)率計(jì)算
    計(jì)算產(chǎn)品產(chǎn)率的方法是[12]：稱取1～2g水解后的磷酸酯樣品，加入50mL無(wú)水乙醇做溶劑，加熱使之溶解，同時(shí)滴加一定量甲基紅指示劑，用0.1mol/L的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，溶液由紅色變?yōu)槌赛S色，記錄所消耗的氫氧化鈉溶液體積V1在溶液中加入一定量的酚酞指示劑，繼續(xù)用氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定至溶液由黃色變?yōu)槌燃t色，記錄所消耗體積V2。在體系中加入10mL 10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈣水溶液，繼續(xù)滴定至溶液由紅色變?yōu)槌赛S色，記錄所消耗體積V3。則雙酯所占比例為[(V1-V2)/V1]×100%，單酯所占比例為[(V2-V3)/V1]×100%，游離磷酸所占比例為(V3/V1)×100%。將雙酯和單酯的百分含量相加即為產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化率。
1.4 減阻性能評(píng)價(jià)方法
    根據(jù)對(duì)天然氣管輸減阻劑性質(zhì)及作用機(jī)理的研究，設(shè)計(jì)了天然氣室內(nèi)模擬環(huán)道評(píng)價(jià)系統(tǒng)，如圖1所示。

    天然氣室內(nèi)模擬環(huán)道評(píng)價(jià)系統(tǒng)流程包括以下3部分：
   1) 壓縮空氣運(yùn)行管路?？諝獠捎肁tlas Copco雙螺桿變頻壓縮機(jī)壓縮到0.8MPa，經(jīng)過(guò)濾后進(jìn)入氣體緩沖罐，Yokogawa數(shù)字渦街流量計(jì)測(cè)量的是壓縮空氣在標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積流量Qg，由Swagelok精密調(diào)節(jié)閥精確調(diào)節(jié)空氣流量后進(jìn)入測(cè)試管道(A-B-C-D，采用12.7mm的鍍鋅鋼管)，有機(jī)透明玻璃管主要用于觀察。
   2) 減阻劑注入管路。減阻劑在加劑罐內(nèi)經(jīng)輕微攪拌后，由J-X柱塞式計(jì)量泵(J-X 20/1.6)提供壓力注入測(cè)試管道。
   3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)采用美國(guó)National In strument公司的PCI-6071E高速采集卡.結(jié)合Lab-view軟件可以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集和處理工作。
    實(shí)驗(yàn)中天然氣減阻劑的性能評(píng)價(jià)方法為：先測(cè)試不同流量下空白管道的壓降，而后將配制好的天然氣減阻劑溶液加注到管道中，浸泡4h后將天然氣減阻劑溶液放出，以20m3/h流量通空氣20min，吹干管道，逐漸增大流量，測(cè)試管道在不同流量下加注天然氣減阻劑前后壓降的變化來(lái)評(píng)價(jià)其減阻性能，評(píng)價(jià)公式為：
 
當(dāng)考慮局部摩阻時(shí)，減阻率采用下式計(jì)算：
 
式中DR為減阻率；λ為摩阻系數(shù)；△p為總的摩阻損失，Pa；hj0為加減阻劑前局部摩阻損失，Pa；hjr為加減阻劑后局部摩阻損失，Pa。
    一次評(píng)價(jià)結(jié)束以后，將丙酮加注到管道中，浸泡6h后，放出丙酮，以20m3/h流量通空氣20min，吹干管道，重新測(cè)量經(jīng)丙酮清洗后空白管道的壓降，并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行下一次實(shí)驗(yàn)。
2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論
    按正交表設(shè)計(jì)的各個(gè)組合工藝條件合成了十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)，測(cè)得各個(gè)條件下的產(chǎn)率如表2所示。
 

    比較表2中各因素每個(gè)水平的平均值可以得到OPEM合成條件的最優(yōu)組合是酯化時(shí)問(wèn)為6h，酯化溫度為70℃，物料比為3.5：1，加水比為1：1.0，水解溫度為90℃。比較各因素的極差大小可以看出，各工藝參數(shù)影響合成的強(qiáng)弱順序?yàn)椋何锪媳取Ⅴセ瘻囟?、水解溫度、加水量、酯化時(shí)間。
    為了驗(yàn)證正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化出來(lái)的工藝條件的可靠性，在該條件下又進(jìn)行了3次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到的產(chǎn)率結(jié)果如表3所示。
 

    從表3可以看出，優(yōu)化工藝條件下的合成產(chǎn)率很高且具有可重復(fù)性，說(shuō)明所設(shè)計(jì)的正交實(shí)驗(yàn)有效，得到的最優(yōu)組合工藝可靠。
3 減阻效果評(píng)價(jià)
    實(shí)驗(yàn)配制出3個(gè)濃度(0.1、0.2、0.3g/100mL)的十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)乙醇溶液，利用圖1中所示的天然氣室內(nèi)模擬環(huán)道評(píng)價(jià)系統(tǒng)對(duì)其在多個(gè)流速條件下的減阻性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。
3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)水力分析
    在進(jìn)行減阻劑測(cè)試之前，首先要進(jìn)行空白管道的水力分析?？諝庥蓧嚎s機(jī)壓縮到0.8MPa后進(jìn)入測(cè)試管道，保證壓縮機(jī)出口壓力pi不變，標(biāo)準(zhǔn)體積流量Qg調(diào)節(jié)范圍為40～280m3/h，經(jīng)測(cè)量、計(jì)算得到一組數(shù)據(jù)如表4所示。
 

    由表4可知：
    1) 氣體管道的流動(dòng)是非常復(fù)雜的，我們將室內(nèi)環(huán)道壓縮氣體的流動(dòng)近似看成是一維等截面水平管的等溫可壓縮且有摩擦的運(yùn)動(dòng)。依據(jù)在于：管道內(nèi)測(cè)量溫度與環(huán)境溫度差不多，即為等溫流動(dòng)；室內(nèi)環(huán)道的流速為54.29～104.54m/s，當(dāng)?shù)芈曀贋?4m/s，計(jì)算得馬赫數(shù)為0.16～0.30。對(duì)于空氣來(lái)說(shuō)，當(dāng)馬赫數(shù)為0.2時(shí)，若按不可壓流處理，皮托管測(cè)速誤差約為0.6%。在常溫下，這時(shí)的空氣流速約為68m/s。若馬赫數(shù)為0.3，則測(cè)速誤差約為1.1%，常溫下相應(yīng)的空氣流速約為102m/s。因此我們必須要按可壓縮流體來(lái)處理?？紤]空氣黏性，便存在摩擦損失，即為有摩擦的運(yùn)動(dòng)。
    2) 室內(nèi)模擬評(píng)價(jià)環(huán)道的雷諾數(shù)為64995.26～451671.95，流動(dòng)處在紊流區(qū)。
    3) 室內(nèi)管道的管壁剪切應(yīng)力為3.95～35.37Pa，實(shí)際商業(yè)管道的管壁剪切應(yīng)力為3.26～12.45Pa，可知其剪切應(yīng)力處在同一數(shù)量級(jí)，可以近似模擬現(xiàn)場(chǎng)管道。
3.2 減阻性能評(píng)價(jià)
    配制了3種濃度的十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)乙醇溶液，依次將其注入管道中，浸泡4h后考察不同濃度、不同雷諾數(shù)下的減阻效果。結(jié)果如表5與圖2所示。
 

    從表5與圖2可以看出，評(píng)價(jià)環(huán)道在加注濃度為0.1g/100mL的OPEM乙醇溶液前后，壓降沒(méi)有明顯變化，偶然的壓降波動(dòng)可以視為系統(tǒng)誤差。評(píng)價(jià)環(huán)道在加注濃度為0.2g/100mL的0PEM乙醇溶液后，隨著流量的增加，減阻效果逐漸增大，減阻效果在140m3/h的流量條件下(此時(shí)雷諾數(shù)為2.3×105)達(dá)到最大，在流量超過(guò)140m3/h時(shí)，減阻效果出現(xiàn)一定程度的下降。評(píng)價(jià)環(huán)道在加注濃度為0.3g/100mL的0PEM乙醇溶液后，隨著流量的增加，減阻效果逐漸增大，減阻效果在140m3/h的流量條件下達(dá)到最大，在流量超過(guò)140m3/h減阻效果出現(xiàn)一定程度的下降。
    OPEM在0.1g/100mL濃度條件下沒(méi)有明顯的減阻效果，在0.2g/100mL濃度條件下減阻效果最好，0.3g/100mL濃度條件下減阻效果出現(xiàn)降低。原因在于：低濃度下管道內(nèi)壁減阻劑吸附量較少，減阻效果還有提升空間；高濃度下管道在經(jīng)溶液浸泡一段時(shí)間后，有部分晶體析出，這些晶體殘留在管道內(nèi)壁，會(huì)增加部分阻力。0.2、0.3g/1OOmL濃度條件下的0PEM乙醇溶液的減阻率并不隨雷諾數(shù)的增大單調(diào)遞增或遞減，而是存在1個(gè)最佳雷諾數(shù)值(即2.3×105)，當(dāng)超過(guò)此雷諾數(shù)值，管壁剪切應(yīng)力已大于20.15Pa，對(duì)減阻劑樣品有一定的剪切降解作用，從而導(dǎo)致減阻性能降低。
4 結(jié)束語(yǔ)
    利用已有的高碳醇磷酸酯鹽合成工藝沒(méi)計(jì)合成了十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)作為減阻劑，與現(xiàn)有的主要以N原子作為吸附基團(tuán)的減阻劑相比，OPEM不僅含有N原子，同時(shí)引入了P-O基以及多羥基作為吸附基團(tuán)，吸附點(diǎn)更豐富。采用L16(54)正交表設(shè)計(jì)了正交實(shí)驗(yàn)對(duì)OPEM的合成工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化，得到其最佳的合成工藝條件為：酯化時(shí)間為6h，酯化溫度為70℃，物料比為3.5：1，加水比為1：1.0，水解溫度為90℃。對(duì)OPEM乙醇溶液的減阻性能評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，該溶液在濃度為0.2g/100mL時(shí)減阻效果最為理想，在流量為140m3/h時(shí)減阻效率最高，達(dá)到了8.0%。經(jīng)過(guò)環(huán)道評(píng)價(jià)測(cè)試，可以看出十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)確實(shí)有一定的減阻性能，具有進(jìn)行減阻劑開(kāi)發(fā)的潛力。
參考文獻(xiàn)
[1] LOWTHER F E.Drag reduction method for gas pipeline：US，4958653[P].1990-09-25.
[2] LI YING HSIA0.Drag reduction method for gas pipelines：US，5020561[P].1991-06-04.
[3] LI YING HSIA0，CHESNUT G R，RICHMOND R G，et al.Laboratory tests and field implementation of gas drag-reduction chemicals[J].SPE Production & Facilities，1998，13(1)：53-58.
[4] CHEN H J，KOUBA G E，F(xiàn)OUCHI M S，et al.Field application of a drag reducing agent to increase gas production[J].Corrosion，2000，73：1-9.
[5] 申麗霞.天然氣減阻劑的合成及減阻性能測(cè)試裝置的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2006.
[6] 趙寧.天然氣減阻劑的合成及霧化減阻性能測(cè)試裝景的設(shè)計(jì)[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2007.
[7] 許超.天然氣減阻劑的合成及減阻性能測(cè)試裝置的改進(jìn)與應(yīng)用[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.
[8] 張雷.天然氣減阻劑的研制及減阻性能測(cè)試[D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2009.
[9] 李國(guó)平，劉兵，鮑旭晨，等.天然氣管道的減阻與天然氣減阻劑[J].油氣儲(chǔ)運(yùn)，2008，27(3)：15-21.
[1O] 張其濱，范云鵬，林竹，等.天然氣管道輸送減阻劑研究[J]：天然氣技術(shù)，2008，2(1)：48-50.
[11] 劉燕軍，葛啟，徐進(jìn)云，等.高碳醇C18磷酸酯合成工藝的研究[J].天津工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，21(2)：50-54.
[12] 廖銀念，強(qiáng)西懷，周亞麗，等.長(zhǎng)鏈脂肪醇磷酸酯合成新方法的研究[J].皮革科學(xué)與工程，2006，6(1)：71-74.
 
(本文作者：葉天旭1 王銘浩1 曹云2 張夢(mèng)1 李芳1 1.中網(wǎng)石油大學(xué)(華東)化學(xué)化工學(xué)院；2.中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)運(yùn)與建筑工程學(xué)院)