[發(fā)明專利]流體減阻組成物

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910170216.1
• 申請日: 2009-09-04
• 公開（公告）號: CN102011771A
• 公開（公告）日: 2011-04-13
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳光洋
• 申請（專利權(quán)）人: 陳光洋
• 主分類號: F15D1/06
• 分類號: F15D1/06
• 代理公司: 北京科龍寰宇知識產(chǎn)權(quán)代理有限責(zé)任公司 11139
• 代理人: 孫皓晨

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明關(guān)于一種流體減阻組成物，尤指一種應(yīng)用于流體輸送領(lǐng)域的減阻劑。

背景技術(shù)

節(jié)能減碳為目前各國因應(yīng)能源日趨枯竭所提出的口號，各種研究正在進行，以求達成節(jié)省能源消耗及減少碳排放量的目標；而在空調(diào)設(shè)備、暖氣管路、石油管道、化工設(shè)備、動力系統(tǒng)、灰漿輸送等工業(yè)過程中，泵功率耗損占了整個系統(tǒng)耗能的主要部分。因此，如何能最大限度地減少泵功率耗損是這些系統(tǒng)降低能源消耗、增加輸送能力的主要手段，也是困擾企業(yè)的重要問題。

流體的摩擦阻力(frictional?drag)限制了流體在輸送管道中的流動，造成管道輸送量降低且能量消耗增加，而降低流體阻力的概念早在1940年代就已經(jīng)提出，美國紐約的消防隊員曾使用水溶性高分子增加消防水帶的流量。于流體輸送方面的研究發(fā)現(xiàn)，將某些高分子化合物在流體輸送時加入流體中，具有降低流體流動阻力的作用，可提高流體流量與降低能源消耗。于1948年，Toms在第一屆國際流變學(xué)會議上第一次發(fā)表指出，將少量的高分子化合物加入具有紊流(turbulent?flow)的牛頓流體(Newtonian?fluid)中，可有效降低流體的摩擦阻力，而用于降低流體流動阻力的添加劑通稱為減阻劑(drag?reducing?agent)，簡稱DRA。之后，將高分子化合物用于降低流體流動阻力，受到許多研究重視，例如，美國專利3023760、3562226及3572354，使用水溶性、直鏈及高分子量的聚合物，如聚苯乙烯磺酸鹽(polystyrene?sulfonate)或聚丙烯酰胺(polyacrylamide)，做為水相流體的減阻劑。

減阻劑分子與流體的分子不發(fā)生作用，也不影響其化學(xué)性質(zhì)，只與其流動特性密切相關(guān)，為一純物理作用。在紊流中，流體質(zhì)點的運動速度隨機變化著，形成大大小小的旋渦(eddy)，大尺寸旋渦從流體中吸收能量發(fā)生變形、破碎，進而轉(zhuǎn)化成小尺寸旋渦；小尺度旋渦又稱耗散性旋渦，在粘滯力作用下被減弱、平息，它所攜帶的部分能量轉(zhuǎn)化為熱能而耗散。在近管壁邊層內(nèi)，由于管壁剪切應(yīng)力和黏滯力的作用，這種轉(zhuǎn)化更為嚴重。

在減阻劑加入到管道以后，減阻劑呈連續(xù)相分散在流體中，靠本身特有的黏彈性(viscoelasticity)，分子長鏈順流向自然延伸呈柱狀(rod-like)，微觀上直接影響流體的運動，來自流體分子的徑向作用力作用在減阻劑分子上，使其發(fā)生扭曲、旋轉(zhuǎn)變形。減阻劑分子間的引力抵抗上述作用力反作用于流體分子，改變流體分子的作用方向及大小，使一部分徑向力被轉(zhuǎn)化為順流向的軸向力，從而減少功率的消耗，宏觀上即達成減少摩擦阻力的效果。

在層流(laminar?flow)中，流體受黏滯力作用，沒有像紊流那樣的旋渦耗散，加入減阻劑的效果有限，隨著雷諾數(shù)(Reynold?number)增大進入紊流，減阻劑就顯露出減阻作用，雷諾數(shù)越大減阻效果越明顯。當(dāng)雷諾數(shù)相當(dāng)大，流體剪切應(yīng)力足以破壞減阻劑的分子鏈結(jié)構(gòu)時，減阻劑降解，減阻效果反而下降，甚至完全失去減阻作用。減阻劑的添加濃度影響它在管道內(nèi)形成彈性底層的厚度，濃度越大，彈性底層越厚，減阻效果越好。理論上，當(dāng)彈性底層達到管道軸心時，減阻達到極限，即最大減阻。減阻效果還與流體粘度、管道直徑、管道清潔等因素有關(guān)。

有效的高分子減阻劑主要具有幾個特點：分子量高、溶解性高，抗剪切性佳及無側(cè)鏈的長直鏈結(jié)構(gòu)等。高分子減阻劑目前已廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，取得良好的效果。例如，在消防水帶中加入聚環(huán)氧乙烷(polyethylene?oxide)后，用直徑較小的水帶仍能維持水的流量不變，便于消防人員攜帶；在農(nóng)田灌溉中加入減阻劑后，可提高灌溉效率、擴大灌溉面積；在輸水及輸油系統(tǒng)中加入減阻劑可節(jié)省能源消耗；在泄洪管道中，當(dāng)出現(xiàn)洪峰時用減阻劑也可提高泄洪效率；在油井鉆探方面，在注入水中加入高分子減阻劑可大大提高注入速率。然而，使用高分子做為減阻劑的缺點是價格較貴、不耐高剪切應(yīng)力、易于降解、反復(fù)使用或長距離輸送時減阻效率會降低。