ТУРБУЛЕНТНЫЙ РЕОМЕТР И СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОТИВОТУРБУЛЕНТНЫХ ПРИСАДОК (ПТП), РЕАЛИЗУЕМЫЙ ПОСРЕДСТВОМ ТУРБУЛЕНТНОГО РЕОМЕТРА
TURBULENT RHEOMETER AND METHOD OF DETERMINING EFFICIENCY OF ANTI-TURBULENCE ADDITIVE (ATA), IMPLEMENTED BY TURBULENT RHEOMETER

Изобретение относится к области реологии разбавленных растворов полимеров, а также поверхностно-активных веществ (ПАВ), и может быть использовано для определения эффективности противотурбулентных присадок (ПТП), используемых при перекачке углеводородных жидкостей по трубопроводам.
Эффект снижения гидродинамического сопротивления жидкостей с помощью добавок высокомолекулярных полимеров, либо ПАВ (эффект Томса) [Хойт, Д. Влияние добавок на сопротивление трения в жидкости // Теоретические основы инженерных расчетов. - 1972. - №2. - С. 1-31] наблюдается лишь в турбулентном режиме течения. Необходимым условием для проявления эффекта в случае полимеров является высокая молекулярная масса, порядка 106-107, и хорошая растворимость в данной жидкости; для ПАВ необходимым условием является образование в жидкости нитевидных мицелл. Эффект Томса широко используется в инженерной практике: при перекачке нефти и нефтепродуктов по трубопроводам, в нефтедобыче при бурении скважин, при движении надводных и подводных объектов, в пожаротушении, для увеличения пропускной способности ливневой канализации, в оросительных системах. Растворы ПАВ применяются для снижения потерь на трение в системах местного теплоснабжения и кондиционирования.
Наибольшее распространение получили ПТП полимерного типа, применяемые для увеличения пропускной способности нефте- и продуктопроводов.
Известен способ проведения испытаний противотурбулентной присадки на натурном трубопроводе [патент на изобретение RU 2488032 С1, опубл. 20.07.2013, МПК: F17D 3/12, F15D 1/02], включающий измерение перепада давлений на испытательном линейном участке трубопровода при отсутствии в перекачиваемой жидкости противотурбулентной присадки, введение в линейный участок трубопровода противотурбулентной присадки поочередно с разными концентрациями до его заполнения, измерение перепада давлений на линейном участке трубопровода после каждого заполнения линейного участка и вычисления эффективности присадки (Ci) для каждой концентрации по формуле:
i
0
Ci
0
гст
(C)=(Р-P)/(Р-Р), где
0
Р - перепад давлений на концах участка при отсутствии присадки;
Ci
P- перепад давлений при введении присадки с концентрацией Ci;
гст
н
к
Ρ=g(z-z);
гст
Р - гидростатический перепад давлений на концах линейного участка;
ρ - плотность перекачиваемой жидкости;
g - ускорение свободного падения;
н
к
(z-z) - разность высотных отметок между началом и концом линейного участка.
От момента начала ввода в линейный участок присадки с каждой концентрацией до заполнения испытательного линейного участка трубопровода этой присадкой и проведения измерения перепада давления при данной концентрации присадки поддерживают расход перекачиваемой жидкости равным расходу на режиме перекачки без присадки с помощью действий, не влияющих на гидравлические потери в испытательном линейном участке.
Недостатком способа являются большие затраты на проведение эксперимента, которые удваиваются или утраиваются при сравнительных испытаниях двух или трех присадок соответственно.
Важным моментом, предваряющим практическое использование полимера (или ПАВ), является его испытание в лабораторных условиях, где определяется зависимость величины снижения сопротивления (DR) от концентрации агента в жидкости в данных условиях потока. Для этих целей используют лабораторные турбулентные реометры различных конструкций, где главным элементом могут быть коаксиальные цилиндры, вращающийся диск, отрезок гладкой трубы (капилляра).
Наиболее близким аналогом заявленного изобретения являются способ измерения величины снижения гидродинамического сопротивления и турбулентный реометр [Манжай В.Н. Турбулентное течение разбавленных растворов полимеров в цилиндрическом канале: Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора хим. наук: 02.00.06 / Томский гос. ун-т. - Томск, 2009. - 44 с.]. Рабочим участком реометра является стеклянный капилляр длиной около 1 м и диаметром от 2 до 5 мм. Жидкость вытекает через капилляр при постоянном давлении, создаваемом в ресивере с помощью баллона со сжатым газом. Верхний открытый конец трубки сообщается с рабочей камерой реометра, куда заливается исследуемая жидкость. Через другой конец, снабженный краном, жидкость имеет выход во внешнюю среду и далее попадает в приемник. В приемнике имеется емкость фиксированного объема. Мениск жидкости, двигаясь по мере заполнения приемника, включает и выключает электронный секундомер с помощью датчиков с фотодиодами.
s
p
На турбулентном реометре замеряют время истечения фиксированного объема чистого растворителя и растворов полимера с различной концентрацией при одинаковых заданных перепадах давления ΔP=ΔΡ=const. Значение снижения гидродинамического сопротивления рассчитывают по формуле:
t
s
где  - время истечения фиксированного объема растворителя (без ПТП),
t
p
- время истечения того же объема раствора полимера при том же давлении.
Недостатком известной конструкции реометра является то, что при больших скоростях истечения жидкость при входе в приемник может захватывать пузыри воздуха, что может приводить к вспениванию, а это, в свою очередь, может привести к преждевременному срабатыванию секундомера.
Задачей, на решение которой направлено заявленное изобретение, является разработка турбулентного реометра, позволяющего измерять массовый расход жидкости, вытекающей за заданный отрезок времени, быстро оценивать эффективность той или иной ПТП без необходимости испытаний на действующем трубопроводе или применения сложного дорогостоящего лабораторного оборудования.
Технический результат заявленного изобретения заключается в упрощении конструкции турбулентного реометра и повышении надежности результатов измерений эффективности противотурбулентной присадки.
Указанный технический результат достигается тем, что турбулентный реометр содержит установленные на штативе расходную емкость, в верхней части которой расположен шаровый кран для приема маловязкой углеводородной жидкости или маловязкой углеводородной жидкости с введенной в нее противотурбулентной присадкой (ПТП) в определенной концентрации, при этом расходная емкость снабжена трубкой Мариотта для поддержания постоянного давления в расходной емкости при истечении из нее жидкости; трубку малого внутреннего диаметра для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, верхний конец которой подсоединен к расходной емкости; электромагнитный клапан, расположенный на нижнем конце трубки малого внутреннего диаметра, выполненный с возможностью задания отрезка времени, в течение которого он будет открыт, посредством подключенного к нему реле времени; приемную емкость, вход которой находится под нижним концом трубки малого внутреннего диаметра, выходящим из электромагнитного клапана; технические весы для измерения массы жидкости, прошедшей через трубку малого внутреннего диаметра в приемную емкость за отрезок времени, заданный посредством реле времени.
Кроме того, в турбулентном реометре трубка малого внутреннего диаметра представляет собой трубку из металла, пластика или стекла, длина которой составляет от 80 до 150 см, а внутренний диаметр - от 1,5 до 6,5 мм.
При этом маловязкая углеводородная жидкость имеет вязкость менее 1,3 сСт.
Кроме того отрезок времени, в течение которого электромагнитный клапан открыт, предпочтительно находится в пределах 15-25 сек.
Технический результат достигается также тем, что в способе определения эффективности противотурбулентной присадки (ПТП), реализуемом посредством турбулентного реометра, заливают в расходную емкость, снабженную трубкой Мариотта, через шаровый кран маловязкую углеводородную жидкость; закрывают шаровый кран для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости при истечении из нее жидкости; задают посредством реле времени отрезок времени, в течение которого электромагнитный клапан будет открыт, и запускают открытие электромагнитного клапана; заполняют предварительно взвешенную приемную емкость жидкостью в течение заданного отрезка времени; закрывают электромагнитный клапан посредством автоматического срабатывания реле времени; взвешивают на технических весах приемную емкость с жидкостью и определяют массу чистой жидкости; выполняют вышеперечисленные действия после введения в маловязкую углеводородную жидкость ПТП в определенной концентрации и определяют массу жидкости с введенной в нее ПТП; вычисляют снижение гидродинамического сопротивления после введения ПТП в определенной концентрации по следующей формуле:
где
m
0
- масса маловязкой углеводородной жидкости, прошедшей в приемную емкость за отрезок времени, заданный посредством реле времени;
m
ПТП
- масса жидкости с введенной в нее ПТП, прошедшей в приемную емкость за тот же отрезок времени, заданный посредством реле времени;
выполняют вышеперечисленные действия для ряда значений концентраций ПТП в маловязкой углеводородной жидкости; оценивают эффективность ПТП, получая зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления от значения концентрации ПТП.
Заявленное изобретение поясняется чертежами:
Фиг. 1 - схема турбулентного реометра;
Фиг. 2 - зависимость снижения гидродинамического сопротивления маловязкой углеводородной жидкости (нефраса) от концентрации противотурбулентной присадки (ПТП).
Обозначения, указанные на чертежах, показаны следующими позициями:
1 - расходная емкость;
2 - шаровый кран;
3 - трубка Мариотта;
4 - трубка малого внутреннего диаметра;
5 - электромагнитный клапан;
6 - реле времени;
7 - приемная емкость;
8 - штатив.
На фиг. 1 показана схема заявленного турбулентного реометра капиллярного типа для измерения величины снижения гидродинамического сопротивления маловязких углеводородных жидкостей, обусловленного добавками ПТП в виде полимеров или ПАВ. Реометр состоит из расходной емкости 1, снабженной трубкой Мариотта 3, и шарового крана 2 в верхней части емкости 1. Трубка 4 малого внутреннего диаметра (капилляр) служит для прохождения маловязкой углеводородной жидкости в турбулентном режиме течения, при этом верхний ее конец подсоединен к расходной емкости 1, а нижний - через электромагнитный клапан 5 к приемной емкости 7. К электромагнитному клапану 5 подключено реле времени 6, позволяющее задать отрезок времени, в течение которого электромагнитный клапан 5 будет открыт. Реометр включает также технические весы (не показаны) для измерения массы жидкости, прошедшей через трубку 4 малого внутреннего диаметра в приемную емкость 7 за отрезок времени, в течение которого был открыт электромагнитный клапан 5. Элементы турбулентного реометра установлены на штативе 8.
Основное отличие предложенного турбулентного реометра заключается в том, что вместо измерения времени истечения фиксированного объема жидкости, измеряют массу вытекающей жидкости за данный отрезок времени, который задается посредством реле времени 6, подключенного к электромагнитному клапану 5. Таким образом, измерение объемного расхода жидкости заменяют измерением массового расхода. В этом случае образование двухфазной системы при вытекании жидкости и смешивании ее с пузырьками воздуха не сказывается на достоверности измерений.
Кроме того, в предложенном турбулентном реометре реализовано свободное истечение жидкости под действием сил гравитации. Это освобождает от необходимости использовать баллон со сжатым газом и ресивер, содержащиеся в конструкции ближайшего аналога, что существенно упрощает конструкцию. Чтобы давление при свободном истечении жидкости было постоянным, в предлагаемой конструкции используют трубку Мариотта 3. При этом в трубке 4 малого внутреннего диаметра, длина которой - от 80 до 150 см, а диаметр - от 1,5 до 6,5 мм, турбулентный режим течения (с числами Рейнольдса Re>4000) реализуется лишь для жидкостей, чья вязкость не превышает 1,3 сСт. Этот интервал вязкости включает в себя большинство органических растворителей, воду и водно-органические смеси.
Способ определения эффективности ПТП заключается в следующем.
В расходную емкость 1 через шаровый кран 2 заливают маловязкую углеводородную жидкость и закрывают шаровый кран 2 для обеспечения поддержания постоянного давления в расходной емкости 1 при истечении из нее жидкости. Затем задают посредством реле времени 6 отрезок времени, в течение которого электромагнитный клапан 5 будет открыт. Данный отрезок времени предпочтительно находится в диапазоне 15-25 сек. Жидкость под действием силы тяжести начинает течь по трубке 4 малого внутреннего диаметра в стационарном режиме турбулентного потока.
После этого запускают открытие электромагнитного клапана 5 и заполняют предварительно взвешенную приемную емкость 7 жидкостью в течение заданного отрезка времени. При этом давление истечения поддерживается постоянным с помощью трубки Мариотта 3. После автоматического срабатывания реле времени 6 электромагнитный клапан 5 закрывается. Наполненную приемную емкость 7 взвешивают на технических весах и определяют массу жидкости без ПТП.
Далее в маловязкую углеводородную жидкость вводят ПТП в определенной концентрации и выполняют все вышеперечисленные действия для определения массы жидкости с введенной ПТП за тот же отрезок времени. Снижение гидродинамического сопротивления DR после введения ПТП в определенной концентрации вычисляют по формуле (1).
Вышеперечисленные этапы способа выполняют для ряда значений концентраций ПТП в маловязкой углеводородной жидкости, определяя для каждой концентрации ПТП величину снижения гидродинамического сопротивления DR. После чего получают зависимость величины снижения гидродинамического сопротивления DR от значения концентрации ПТП и по полученной зависимости оценивают эффективность ПТП.
Ниже для иллюстрации приведен пример по оценке эффективности ПТП в углеводородных жидкостях.
Пример
m
0
Чистый нефрас С2 объемом 700 мл (469 г) через открытый шаровый кран залили в расходную емкость турбулентного реометра при запертом электромагнитном клапане. Трубку малого внутреннего диаметра (капилляр) взяли длиной 110 см и диаметром 4 мм. Затем закрыли шаровый кран, реле времени установили на 20 с, взвесили приемную емкость и установили ее под выходное отверстие трубки. Открыли электромагнитный клапан на 20 с, взвесили заполненную приемную емкость и определили массу вытекшей жидкости . Она составила 251,6 г.
m
ПТП
То же проделали с раствором образца противотурбулентной присадки (ПТП) в нефрасе С2 в концентрации 2 ppm (0,0002%). Масса вытекшего за 20 с раствора  составила 294,9 г.
m
m
0
ПТП
Подставляя значения  и  в формулу (1), получили значение величины снижения сопротивления DR, равное 27,2%.
Затем по этой же схеме определили значения DR для растворов того же образца ПТП с концентрациями 1, 4 и 8 ppm, после чего построили зависимость DR от концентрации С для данной присадки (фиг. 2).
Данная кривая характеризует качество присадки в данных условиях потока, и ее можно использовать для сравнения с данными, полученными для образцов ПТП других производителей в тех же условиях потока.