К вопросу о влиянии противотурбулентных присадок на качество дизельных топлив

УДК 665.7.038

К вопросу о влиянии противотурбулентных

присадок на качество дизельных топлив

с повышением требований к качеству дизельных топлив (ДТ), увеличивается выпуск ДТ экологического класса ЕВРО. Основным средством транспортировки топлива являются магистральные нефтепродуктопроводы (МНПП), следовательно, растёт потребность в увеличении объёмов перекачиваемого по трубопроводам нефтепродукта без потери его качества.

Для увеличения объёмов транспортировки светлых нефтепродуктов по трубопроводам применяются различные методы: лупингование старых и строительство новых линий, создание новых насосных станций и другие.

Наряду с этими методами в целях повышения производительности МНПП применяются различные полимерные добавки, снижающие турбулентность потока жидкости (эффект Томса) — противотурбулентные присадки (ПТП), которые вводятся непосредственно в перекачиваемый нефтепродукт.

Существует три основных вида агентов снижения гидравлического сопротивления, — волокна, полимеры и поверхностно-активные вещества (ПАВ) [1].

Смеси волокон с полимерами могут снижать сопротивление до 95%. С увеличением длины и уменьшением диаметра молекулы эффективность волокон возрастает. Волокна химически и механически устойчивы в водной среде, нечувствительны к материалу трубы и температуре. Однако у волокон есть существенный недостаток: их применение может вызвать заторы в трубопроводе из-за их высокой концентрации.

При применении полимеров снижение сопротивления зависит от нескольких факторов:

• концентрации полимера. Снижение сопротивления в потоке при фиксированной скорости увеличивается до достижения определённой величины — концентрации насыщения. Выше этой концентрации эффект уменьшается. Снижение сопротивления с ростом концентрации объясняется тем, что большее число молекул участвует в гашении микровихрей, а уменьшение — увеличением вязкости раствора;

• молекулярной массы полимера. С увеличением размеров молекулы полимера повышается его эффективность, однако как только размеры макромолекул превысят оптимальные, они начинают ощущать объемные затруднения из-за перекрывания их сфер влияния;

• конформации полимера. Линейные полимеры являются наиболее эффективными агентами снижения сопротивления;

• гидродинамических параметров потока. Необходимо наличие турбулентного течения [2].

Полимеры как агенты снижения сопротивления имеют серьёзный недостаток, — они постоянно деструктируют в области больших сдвиговых или растягивающих напряжений. Особенно чувствительны к деструкции высокомолекулярные полимеры, и скорость механической деструкции тем выше, чем больше молекулярная масса [3].

Преимуществом ПАВ перед полимерами является способность их наноструктур к самосборке после разрушения под дей-

С.В. СЕРЕДА, специалист отдела методологии товарно-транспортных операций ООО «НИИ ТНН» г. Москва

А.И. ГОЛЕНИЦКИЙ, к.т.н,

начальник

отдела трубопроводного транспорта

А.В. СЕРЕДА, к.т.н., доцент, зам. начальника отдела нефтяных и альтернативных топлив

ФАУ «25 ГосНИИхиммотологии Минобороны России»,

E-mail: gail972@yandex.ru

Подтверждается эффективность применения противотурбулентных присадок при перекачке нефтепродуктов по магистральным нефтепро-дуктопроводам. Приведены результаты влияния противотурбулентной присадки Necadd-447 на основные показатели физико-химических и эксплуатационных свойств дизельных топлив. Сделаны выводы о возможности применения данной присадки.

Ключевые слова: нефтепродукто-провод, противотурбулентная присадка, дизельное топливо.

Efficiency of application of antiturbulent additives proves to be true at swapping mineral oil on the main oil pipelines. Results of influence of antiturbulent additive Necadd-447 on the basic parameters of physical and chemical and operational properties diesel combustible are resulted. Are drawn conclusions on an opportunity of application of the given additive.

Keywords: main oil pipelines, antiturbulent additives, fuel oil.

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2013

ствием сдвига. При критической концентрации мицеллообразования (ККМ), ПАВ образуют мицеллы. Когда концентрация ПАВ равна или немного превышает ККМ, форма мицелл сферическая или эллипсоидальная. По мере увеличения концентрации и достижения ККМ II, мицеллы принимают несферическую форму и могут перестроиться в диски и далее сформировать длинные цилиндрические структуры, называемые стерж-необразными или червеобразными мицеллами. Вытянутая форма мицелл считается необходимым условием для снижения сопротивления. Силы, удерживающие молекулы ПАВ в мицеллах, гораздо слабее, чем первичные химические связи в молекулах. Но эти связи действуют даже после разрушения под действием сдвига, и происходит их самосборка.

Опыт применения противотурбулентных присадок на МНПП показал эффективность и эколо-гичность данной технологии при перекачке нефтепродуктов, позволил выделить их в качестве одного из приоритетных направлений развития в области транспортирования жидких углеводородов по трубопроводам.

В настоящее время ассортимент дизельных топлив в России насчитывает свыше 40 марок, выпускаемых по более 10 нормативным документам. Основными нормативными документами являются ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия» и ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия», соответствующий требованиям европейского стандарта EN 590 [4,5].

Для повышения качества и соответствия требованиям нормативной документации, в состав ДТ вводят многофункциональные пакеты присадок, состоящие как правило из депрессорно-дисперегирующих промоторов воспламенения, противоизносных, антиокислительных, моющих и др. При составлении многофункциональных пакетов присадок необходимо учитывать их совместимость, поскольку различные ПАВ могут влиять на функциональные свойства друг друга.

Состав пакетов присадок ДТ сбалансирован и введение в них новых компонентов может привести к антогонизму и снижению уровня эксплуатационных свойств, поэтому добавление ПТП в ДТ вносит неопределенность влияния на уровень их физико-химических и эксплуатационных свойств.

С целью оценки влияния противотурбулент-ной присадки Necadd-447, которая используется на российском рынке, на основные показатели физико-химических и эксплуатационных свойств ДТ были проведены экспериментальные исследования образцов ДТ без противотурбулент-ной присадки и с ней в концентрациях 25, 50, 75 и 100 ррт. Она представляет собой суспензию полимера высшего а-олефина в среде растворителя. Полимерная цепь представляет собой продукт со-

полимеризации а-олефинов с числом углеродных атомов от 6 (гексен) до 12 (додецен).

В качестве образца дизельного топлива использовано ДТ ЕВРО по ГОСТ Р 52368-2005, класс 4, вид III, изготовленное путем смешения ДТ гид-роочищенного и фракции гидроочищенной для производства топлива для реактивных двигателей с добавлением противоизносной присадки ШТес 4140А и цетаноповышающей присадки КегоЬ^о1 ЕН^ Компонентный состав образца ДТ ЕВРО, класс 4, вид III, % мас.: Топливо дизельное гидроочищенное ...... 31,63

Фракция гидроочищенная для производства топлива для реактивных двигателей...... 68,37

Противоизносная присадка

ШТес 4140А....................................................0,035

Цетаноповышающая присадка

КегоЪпзо1 ЕНЫ ..........................................0,12

Цетаноповышающие присадки по своей химической природе — это алкилнитраты (тионитра-ты, изопропилнитраты, перекиси), которые применяются в концентрациях до 0,25%. Всемирной топливной хартией предполагается рост цетано-вого числа (ЦЧ) с 51, что необходимо для современных двигателей, до 55 в будущем.

Противоизносные присадки представляют собой сложные эфиры. Рабочие концентрации про-тивоизносных присадок в ДТ составляют от 0,002 до 0,04%.

Для оценки показателей физико-химических и эксплуатационных свойств ДТ были выбраны методы, входящие в ГОСТ Р 52368-2005 «Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия», ГОСТ 305-82 «Топливо дизельное. Технические условия».

В таблице и на рис. 1-3 приведены результаты оценки физико-химических и эксплуатационных свойств образцов ДТ с противотурбулентной присадкой и без неё. Изменение других показателей физико-химических свойств образцов ДТ не установлено.

Проведя экстраполяцию полученных данных по показателю «предельная температура фильтруемо-сти», получено, что при концентрации присадки Necadd-447 от 160 ррт и выше, качество ДТ ЕВРО не удовлетворяет требованиям ГОСТ Р 52368, что

3 460 1 440

V 420

-400

^ 380

360

340

320

300

Нор/ *а по ГО СТ5236 8-2005

- 1- -

-к

0 20 40 60 80 100 120

Necadd-447, ppm

Рис. 1. Зависимость изменения смазывающей способности (скорректированного диаметра пятна износа при 60 °С) ДТ ЕВРО от концентрации присадки Necadd-447

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2013

Физико-химические свойства образцов ДТ ЕВРО, класс 4, вид III с противотурбулентной присадкой Necadd-447 и без неё

Показатели Норма Результат Метод испытания

по Техническому регламенту

Предельная температура фильтруемости, °С Не выше минус 38 Не выше минус 44 Минус 51 Минус 51 Минус 49 Минус 48 Минус 47 ГОСТ 22254-92

Смазывающая способность, скорректированный диаметр пятна износа при 60°С, мкм Не более 460 Не более 460 345 360 348 352 364 ГОСТ Р ИСО 121562001

Коэффициент фильтруемо- сти Не более 3 (ГОСТ 305-82) 1,07 1,52 1,46 1,75 1,77 ГОСТ 19006-72

i > -44

о

h-"" -45

-46-

-47

-48

-49

-50-

-51 i

-52

Норма по ГО CT 305-82

5o

100

150 200

Necadd-447, ppm

Рис. 2. Зависимость изменения предельной температуры фильтруемости ДТ ЕВРО от концентрации присадки Necadd-447

í 3,5

U

о

м3

Ф

£2,5

I 2

-& 1,5

I 1

0,5

S о

Н орма по ГОСТ 3 05-82

_____ i" '

2о

40

6о

80 100 120 Necadd-447, ppm

Рис. 3. Зависимость изменения коэффициента фильтруемости ДТ ЕВРО от концентрации присадки Necadd-447

было подтверждено проведением дополнительного эксперимента.

Таким образом, на основании результатов проведенных экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:

1. Наиболее склонными к изменению показателями физико-химических свойств дизельных топлив от концентрации присадки Necаdd-447, являются:

• предельная температура фильтруемости — с введением присадки Necadd-447 в концентрации до 100 ррт повышается от минус 51°С до минус

47°С, при концентрации присадки в топливе более 160 ppm данный показатель выходит за пределы установленных требований;

• коэффициент фильтруемости — при повышении концентрации присадки Necadd-447 с 25 до 100 ppm увеличивается на 70%, однако не превышает установленных требований ГОСТ Р 52368);

• смазывающая способность — при введении до 100 ppm присадки Neccad-447 изменяется незначительно (на 19 мкм) и находится в пределах установленной нормы.

2. В зависимости от условий перекачки ДТ ЕВРО по магистральному нефтепродуктопроводу (диаметр, длина трубопровода, состояние внутренней поверхности, перепад высот по длине трубопровода, время года и др.) противотурбулентная присадка Necadd-447 может вводиться в продукт в концентрациях от 0 до 160 ppm без потери его качества.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. YiWang, Во Yu, Haifeng Shi. Снижение гидродинамического сопротивления и теплоперенос в присутствии добавок. Advances in Mechanical Engineering, volume 2011, ID 478749, P. 17.

2. Несын Г.В., Манжай В.Н., Сулейманова Ю.В., Станкевич B.C., Коновалов К.Б. Механизм действия, оценка эффективности и особенности получения полимерных антитурбулентных присадок для транспорта углеводородных жидкостей II Известия Томского политехнического университета. — 2006. — Т. 309, № 3. — С. 112-115.

3. Lee W.K. Turbulent drag reduction in polymeric solutions containing suspended fibers. 1974. — V. 20. — № 1. — P. 128-133.

4. ГОСТ 305-82. Топливо дизельное. Технические условия.

5. ГОСТ Р 52368-2005 Топливо дизельное ЕВРО. Технические условия.

0

0

транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья № 2 2013