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涂層減阻技術和天然氣管輸減阻劑技術。由于內涂層技術在施工上存在種種缺陷，因而對天然氣管輸減阻劑的研究成為天然氣輸送領域的新熱點。為此，根據(jù)天然氣管輸減阻劑的減阻機理，在已有的高碳醇磷酸酯鹽合成工藝的基礎上，設計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，利用室內環(huán)道評價系統(tǒng)對其0.1、0.2、0.3g/100 mL的乙醇溶液減阻效果進行了評價。結果表明，該樣品具有一定的減阻效果，在0.2g/100mL濃度時其減阻效果最好，減阻率在140m3/h流量條件下達到最大值8.0%。并采用L16(54)正交表設計了正交實驗對其合成工藝進行了優(yōu)化，得到最佳工藝條件為：酯化時間為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℃。
關鍵詞：天然氣；減阻劑；室內環(huán)道評價；十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽；正交實驗
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涂層減阻技術和天然氣管輸減阻劑技術。由于內涂層技術在施工上的種種缺陷，國內外多家研究機構開始了天然氣管輸減阻劑技術的研究。1990年Frank E L在室內對常用作緩蝕劑的幾種物質進行了環(huán)道篩選[1]，并進一步闡述了此類物質的減阻機理。1991年Li Ying-Hsiao對幾種可能具有減阻潛力的物質進行了室內環(huán)道評價[2]，其篩選的物質主要為以銨基和酰胺基為極性端，以長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行了現(xiàn)場試驗，證明了此類物質具有減阻增輸?shù)男Ч?sup>[3]。Huey J C等人也以具有緩蝕劑類似結構的物質于2000年在墨西哥灣進行了現(xiàn)場試驗并取得了成功[4]。國內對于天然氣減阻劑的研究尚處于初級階段，山東大學的申麗霞等人合成了以N原子為主要吸附基團的緩蝕劑，并在室內環(huán)道上評價了其減阻性能[5～8]。
筆者根據(jù)天然氣管輸減阻劑的機理[9～10]，合成了含有N、P、O等多原子吸附基團的十八醇磷酸酯單乙醇胺鹽(OPEM)作為天然氣減阻劑，對其合成工藝進行了優(yōu)化，并在室內環(huán)道上評價了其減阻性能。
1 天然氣減阻劑合成實驗
1.1 實驗儀器與藥品
實驗儀器：電動攪拌器、回流冷凝管(250mL)、三口燒瓶(250mL)和數(shù)字恒溫水浴鍋。
實驗藥品：十八醇(分析純)、五氧化二磷(分析純)、去離子水、無水乙醇(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)的合成過程分為以下3個階段：酯化反應、水解反應和中和反應[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，升溫至反應溫度后分批加入五氧化二磷，反應一定時間后加入與五氧化二磷當量的水，恒溫至預定溫度反應2h，從反應體系中移取一定量的水解產物進行滴定分析，剩余產物中加入30mL乙醇，用單乙醇胺中和水解產物至中性，在水解溫度下進行中和反應1h。
設計了正交實驗來優(yōu)化該化合物的合成工藝，正交實驗中考察了酯化時間、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個因素，每個因素下考察4個水平，因此我們選擇了L16(54)正交表，正交實驗設計表如表1所示。
1.3 產率計算
計算產品產率的方法是[12]：稱取1～2g水解后的磷酸酯樣品，加入50mL無水乙醇做溶劑，加熱使之溶解，同時滴加一定量甲基紅指示劑，用0.1mol/L的氫氧化鈉標準溶液進行滴定，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)用氫氧化鈉標準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%(質量分數(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品的轉化率。
1.4 減阻性能評價方法
根據(jù)對天然氣管輸減阻劑性質及作用機理的研究，設計了天然氣室內模擬環(huán)道評價系統(tǒng)，如圖1所示。
天然氣室內模擬環(huán)道評價系統(tǒng)流程包括以下3部分：
1) 壓縮空氣運行管路?？諝獠捎肁tlas Copco雙螺桿變頻壓縮機壓縮到0.8MPa，經過濾后進入氣體緩沖罐，Yokogawa數(shù)字渦街流量計測量的是壓縮空氣在標準狀況下的體積流量Qg，由Swagelok精密調節(jié)閥精確調節(jié)空氣流量后進入測試管道(A-B-C-D，采用12.7mm的鍍鋅鋼管)，有機透明玻璃管主要用于觀察。
2) 減阻劑注入管路。減阻劑在加劑罐內經輕微攪拌后，由J-X柱塞式計量泵(J-X 20/1.6)提供壓力注入測試管道。
3) 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實驗采用美國National In strument公司的PCI-6071E高速采集卡.結合Lab-view軟件可以實現(xiàn)實驗數(shù)據(jù)的采集和處理工作。
實驗中天然氣減阻劑的性能評價方法為：先測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評價其減阻性能，評價公式為：
當考慮局部摩阻時，減阻率采用下式計算：
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。
一次評價結束以后，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，重新測量經丙酮清洗后空白管道的壓降，并以此為基礎進行下一次實驗。
2 正交實驗結果討論
按正交表設計的各個組合工藝條件合成了十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)，測得各個條件下的產率如表2所示。
比較表2中各因素每個水平的平均值可以得到OPEM合成條件的最優(yōu)組合是酯化時問為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)影響合成的強弱順序為：物料比、酯化溫度、水解溫度、加水量、酯化時間。
為了驗證正交實驗優(yōu)化出來的工藝條件的可靠性，在該條件下又進行了3次重復實驗，得到的產率結果如表3所示。
從表3可以看出，優(yōu)化工藝條件下的合成產率很高且具有可重復性，說明所設計的正交實驗有效，得到的最優(yōu)組合工藝可靠。
3 減阻效果評價
實驗配制出3個濃度(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模擬環(huán)道評價系統(tǒng)對其在多個流速條件下的減阻性能進行了評價。
3.1 試驗系統(tǒng)水力分析
在進行減阻劑測試之前，首先要進行空白管道的水力分析?？諝庥蓧嚎s機壓縮到0.8MPa后進入測試管道，保證壓縮機出口壓力pi不變，標準體積流量Qg調節(jié)范圍為40～280m3/h，經測量、計算得到一組數(shù)據(jù)如表4所示。
由表4可知：
1) 氣體管道的流動是非常復雜的，我們將室內環(huán)道壓縮氣體的流動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動。依據(jù)在于：管道內測量溫度與環(huán)境溫度差不多，即為等溫流動；室內環(huán)道的流速為54.29～104.54m/s，當?shù)芈曀贋?4m/s，計算得馬赫數(shù)為0.16～0.30。對于空氣來說，當馬赫數(shù)為0.2時，若按不可壓流處理，皮托管測速誤差約為0.6%。在常溫下，這時的空氣流速約為68m/s。若馬赫數(shù)為0.3，則測速誤差約為1.1%，常溫下相應的空氣流速約為102m/s。因此我們必須要按可壓縮流體來處理。考慮空氣黏性，便存在摩擦損失，即為有摩擦的運動。
2) 室內模擬評價環(huán)道的雷諾數(shù)為64995.26～451671.95，流動處在紊流區(qū)。
3) 室內管道的管壁剪切應力為3.95～35.37Pa，實際商業(yè)管道的管壁剪切應力為3.26～12.45Pa，可知其剪切應力處在同一數(shù)量級，可以近似模擬現(xiàn)場管道。
3.2 減阻性能評價
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。結果如表5與圖2所示。
從表5與圖2可以看出，評價環(huán)道在加注濃度為0.1g/100mL的OPEM乙醇溶液前后，壓降沒有明顯變化，偶然的壓降波動可以視為系統(tǒng)誤差。評價環(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(此時雷諾數(shù)為2.3×105)達到最大，在流量超過140m3/h時，減阻效果出現(xiàn)一定程度的下降。評價環(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的流量條件下達到最大，在流量超過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；高濃度下管道在經溶液浸泡一段時間后，有部分晶體析出，這些晶體殘留在管道內壁，會增加部分阻力。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)的增大單調遞增或遞減，而是存在1個最佳雷諾數(shù)值(即2.3×105)，當超過此雷諾數(shù)值，管壁剪切應力已大于20.15Pa，對減阻劑樣品有一定的剪切降解作用，從而導致減阻性能降低。
4 結束語
利用已有的高碳醇磷酸酯鹽合成工藝沒計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原子作為吸附基團的減阻劑相比，OPEM不僅含有N原子，同時引入了P-O基以及多羥基作為吸附基團，吸附點更豐富。采用L16(54)正交表設計了正交實驗對OPEM的合成工藝條件進行了優(yōu)化，得到其最佳的合成工藝條件為：酯化時間為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OPEM乙醇溶液的減阻性能評價結果顯示，該溶液在濃度為0.2g/100mL時減阻效果最為理想，在流量為140m3/h時減阻效率最高，達到了8.0%。經過環(huán)道評價測試，可以看出十八醇磷酸酯單乙醇銨鹽(OPEM)確實有一定的減阻性能，具有進行減阻劑開發(fā)的潛力。
參考文獻
[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試裝置的設計[D].濟南：山東大學，2006.
[6] 趙寧.天然氣減阻劑的合成及霧化減阻性能測試裝景的設計[D].濟南：山東大學，2007.
[7] 許超.天然氣減阻劑的合成及減阻性能測試裝置的改進與應用[D].濟南：山東大學，2008.
[8] 張雷.天然氣減阻劑的研制及減阻性能測試[D].濟南：山東大學，2009.
[9] 李國平，劉兵，鮑旭晨，等.天然氣管道的減阻與天然氣減阻劑[J].油氣儲運，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，2008，2(1)：48-50.
[11] 劉燕軍，葛啟，徐進云，等.高碳醇C18磷酸酯合成工藝的研究[J].天津工業(yè)大學學報，2001，21(2)：50-54.
[12] 廖銀念，強西懷，周亞麗，等.長鏈脂肪醇磷酸酯合成新方法的研究[J].皮革科學與工程，2006，6(1)：71-74.
(本文作者：葉天旭1 王銘浩1 曹云2 張夢1 李芳1 1.中網石油大學(華東)化學化工學院；2.中國石油大學(華東)儲運與建筑工程學院)
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