基于十八醇磷酸酯单乙醇铵盐的天然气减阻剂室内评价

摘 要

摘要:目前,降低天然气输送阻力、提高管道输送能力的方法包括管道内涂层减阻技术和天然气管输减阻剂技术。由于内涂层技术在施工上存在种种缺陷,因而对天然气管输减阻剂的研究成

摘要:目前,降低天然气输送阻力、提高管道输送能力的方法包括管道内涂层减阻技术和天然气管输减阻剂技术。由于内涂层技术在施工上存在种种缺陷,因而对天然气管输减阻剂的研究成为天然气输送领域的新热点。为此,根据天然气管输减阻剂的减阻机理,在已有的高碳醇磷酸酯盐合成工艺的基础上,设计合成了十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM)作为天然气管输减阻剂样品,利用室内环道评价系统对其0.1、0.2、0.3g/100 mL的乙醇溶液减阻效果进行了评价。结果表明,该样品具有一定的减阻效果,在0.2g/100mL浓度时其减阻效果最好,减阻率在140m3/h流量条件下达到最大值8.0%。并采用L16(54)正交表设计了正交实验对其合成工艺进行了优化,得到最佳工艺条件为:酯化时间为6h,酯化温度为70℃,物料比为3.5:1,加水比为1:1,水解温度为90℃。
关键词:天然气;减阻剂;室内环道评价;十八醇磷酸酯单乙醇铵盐;正交实验
    目前,降低天然气输送阻力、提高管道输送能力的方法包括管道内涂层减阻技术和天然气管输减阻剂技术。由于内涂层技术在施工上的种种缺陷,国内外多家研究机构开始了天然气管输减阻剂技术的研究。1990年Frank E L在室内对常用作缓蚀剂的几种物质进行了环道筛选[1],并进一步阐述了此类物质的减阻机理。1991年Li Ying-Hsiao对几种可能具有减阻潜力的物质进行了室内环道评价[2],其筛选的物质主要为以铵基和酰胺基为极性端,以长碳链为非极性端的缓蚀剂和几种特定的原油。1998年,Li Ying Hsiao等人用Nalco 945缓蚀剂作为减阻剂进行了现场试验,证明了此类物质具有减阻增输的效果[3]。Huey J C等人也以具有缓蚀剂类似结构的物质于2000年在墨西哥湾进行了现场试验并取得了成功[4]。国内对于天然气减阻剂的研究尚处于初级阶段,山东大学的申丽霞等人合成了以N原子为主要吸附基团的缓蚀剂,并在室内环道上评价了其减阻性能[5~8]
    笔者根据天然气管输减阻剂的机理[9~10],合成了含有N、P、O等多原子吸附基团的十八醇磷酸酯单乙醇胺盐(OPEM)作为天然气减阻剂,对其合成工艺进行了优化,并在室内环道上评价了其减阻性能。
1 天然气减阻剂合成实验
1.1 实验仪器与药品
    实验仪器:电动搅拌器、回流冷凝管(250mL)、三口烧瓶(250mL)和数字恒温水浴锅。
    实验药品:十八醇(分析纯)、五氧化二磷(分析纯)、去离子水、无水乙醇(分析纯)、乙醇胺(分析纯)、NaOH(分析纯),酚酞指示剂和甲基红指示剂。
1.2 合成方法
    十八醇磷酸酯单乙醇胺盐(OPEM)的合成过程分为以下3个阶段:酯化反应、水解反应和中和反应[11~12]。在装有回流冷凝管和搅拌器的3口烧瓶中加入定量的十八醇,升温至反应温度后分批加入五氧化二磷,反应一定时间后加入与五氧化二磷当量的水,恒温至预定温度反应2h,从反应体系中移取一定量的水解产物进行滴定分析,剩余产物中加入30mL乙醇,用单乙醇胺中和水解产物至中性,在水解温度下进行中和反应1h。
    设计了正交实验来优化该化合物的合成工艺,正交实验中考察了酯化时间、酯化温度、物料比(十八醇与五氧化二磷的摩尔比)、加水比(五氧化二磷与所加水量的摩尔比)和水解温度等5个因素,每个因素下考察4个水平,因此我们选择了L16(54)正交表,正交实验设计表如表1所示。
 

1.3 产率计算
    计算产品产率的方法是[12]:称取1~2g水解后的磷酸酯样品,加入50mL无水乙醇做溶剂,加热使之溶解,同时滴加一定量甲基红指示剂,用0.1mol/L的氢氧化钠标准溶液进行滴定,溶液由红色变为橙黄色,记录所消耗的氢氧化钠溶液体积V1在溶液中加入一定量的酚酞指示剂,继续用氢氧化钠标准溶液滴定至溶液由黄色变为橙红色,记录所消耗体积V2。在体系中加入10mL 10%(质量分数)氯化钙水溶液,继续滴定至溶液由红色变为橙黄色,记录所消耗体积V3。则双酯所占比例为[(V1-V2)/V1]×100%,单酯所占比例为[(V2-V3)/V1]×100%,游离磷酸所占比例为(V3/V1)×100%。将双酯和单酯的百分含量相加即为产品的转化率。
1.4 减阻性能评价方法
    根据对天然气管输减阻剂性质及作用机理的研究,设计了天然气室内模拟环道评价系统,如图1所示。

    天然气室内模拟环道评价系统流程包括以下3部分:
   1) 压缩空气运行管路。空气采用Atlas Copco双螺杆变频压缩机压缩到0.8MPa,经过滤后进入气体缓冲罐,Yokogawa数字涡街流量计测量的是压缩空气在标准状况下的体积流量Qg,由Swagelok精密调节阀精确调节空气流量后进入测试管道(A-B-C-D,采用12.7mm的镀锌钢管),有机透明玻璃管主要用于观察。
   2) 减阻剂注入管路。减阻剂在加剂罐内经轻微搅拌后,由J-X柱塞式计量泵(J-X 20/1.6)提供压力注入测试管道。
   3) 数据采集系统。实验采用美国National In strument公司的PCI-6071E高速采集卡.结合Lab-view软件可以实现实验数据的采集和处理工作。
    实验中天然气减阻剂的性能评价方法为:先测试不同流量下空白管道的压降,而后将配制好的天然气减阻剂溶液加注到管道中,浸泡4h后将天然气减阻剂溶液放出,以20m3/h流量通空气20min,吹干管道,逐渐增大流量,测试管道在不同流量下加注天然气减阻剂前后压降的变化来评价其减阻性能,评价公式为:
 
当考虑局部摩阻时,减阻率采用下式计算:
 
式中DR为减阻率;λ为摩阻系数;△p为总的摩阻损失,Pa;hj0为加减阻剂前局部摩阻损失,Pa;hjr为加减阻剂后局部摩阻损失,Pa。
    一次评价结束以后,将丙酮加注到管道中,浸泡6h后,放出丙酮,以20m3/h流量通空气20min,吹干管道,重新测量经丙酮清洗后空白管道的压降,并以此为基础进行下一次实验。
2 正交实验结果讨论
    按正交表设计的各个组合工艺条件合成了十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM),测得各个条件下的产率如表2所示。
 

    比较表2中各因素每个水平的平均值可以得到OPEM合成条件的最优组合是酯化时问为6h,酯化温度为70℃,物料比为3.5:1,加水比为1:1.0,水解温度为90℃。比较各因素的极差大小可以看出,各工艺参数影响合成的强弱顺序为:物料比、酯化温度、水解温度、加水量、酯化时间。
    为了验证正交实验优化出来的工艺条件的可靠性,在该条件下又进行了3次重复实验,得到的产率结果如表3所示。
 

    从表3可以看出,优化工艺条件下的合成产率很高且具有可重复性,说明所设计的正交实验有效,得到的最优组合工艺可靠。
3 减阻效果评价
    实验配制出3个浓度(0.1、0.2、0.3g/100mL)的十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM)乙醇溶液,利用图1中所示的天然气室内模拟环道评价系统对其在多个流速条件下的减阻性能进行了评价。
3.1 试验系统水力分析
    在进行减阻剂测试之前,首先要进行空白管道的水力分析。空气由压缩机压缩到0.8MPa后进入测试管道,保证压缩机出口压力pi不变,标准体积流量Qg调节范围为40~280m3/h,经测量、计算得到一组数据如表4所示。
 

    由表4可知:
    1) 气体管道的流动是非常复杂的,我们将室内环道压缩气体的流动近似看成是一维等截面水平管的等温可压缩且有摩擦的运动。依据在于:管道内测量温度与环境温度差不多,即为等温流动;室内环道的流速为54.29~104.54m/s,当地声速为34m/s,计算得马赫数为0.16~0.30。对于空气来说,当马赫数为0.2时,若按不可压流处理,皮托管测速误差约为0.6%。在常温下,这时的空气流速约为68m/s。若马赫数为0.3,则测速误差约为1.1%,常温下相应的空气流速约为102m/s。因此我们必须要按可压缩流体来处理。考虑空气黏性,便存在摩擦损失,即为有摩擦的运动。
    2) 室内模拟评价环道的雷诺数为64995.26~451671.95,流动处在紊流区。
    3) 室内管道的管壁剪切应力为3.95~35.37Pa,实际商业管道的管壁剪切应力为3.26~12.45Pa,可知其剪切应力处在同一数量级,可以近似模拟现场管道。
3.2 减阻性能评价
    配制了3种浓度的十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM)乙醇溶液,依次将其注入管道中,浸泡4h后考察不同浓度、不同雷诺数下的减阻效果。结果如表5与图2所示。
 

    从表5与图2可以看出,评价环道在加注浓度为0.1g/100mL的OPEM乙醇溶液前后,压降没有明显变化,偶然的压降波动可以视为系统误差。评价环道在加注浓度为0.2g/100mL的0PEM乙醇溶液后,随着流量的增加,减阻效果逐渐增大,减阻效果在140m3/h的流量条件下(此时雷诺数为2.3×105)达到最大,在流量超过140m3/h时,减阻效果出现一定程度的下降。评价环道在加注浓度为0.3g/100mL的0PEM乙醇溶液后,随着流量的增加,减阻效果逐渐增大,减阻效果在140m3/h的流量条件下达到最大,在流量超过140m3/h减阻效果出现一定程度的下降。
    OPEM在0.1g/100mL浓度条件下没有明显的减阻效果,在0.2g/100mL浓度条件下减阻效果最好,0.3g/100mL浓度条件下减阻效果出现降低。原因在于:低浓度下管道内壁减阻剂吸附量较少,减阻效果还有提升空间;高浓度下管道在经溶液浸泡一段时间后,有部分晶体析出,这些晶体残留在管道内壁,会增加部分阻力。0.2、0.3g/1OOmL浓度条件下的0PEM乙醇溶液的减阻率并不随雷诺数的增大单调递增或递减,而是存在1个最佳雷诺数值(即2.3×105),当超过此雷诺数值,管壁剪切应力已大于20.15Pa,对减阻剂样品有一定的剪切降解作用,从而导致减阻性能降低。
4 结束语
    利用已有的高碳醇磷酸酯盐合成工艺没计合成了十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM)作为减阻剂,与现有的主要以N原子作为吸附基团的减阻剂相比,OPEM不仅含有N原子,同时引入了P-O基以及多羟基作为吸附基团,吸附点更丰富。采用L16(54)正交表设计了正交实验对OPEM的合成工艺条件进行了优化,得到其最佳的合成工艺条件为:酯化时间为6h,酯化温度为70℃,物料比为3.5:1,加水比为1:1.0,水解温度为90℃。对OPEM乙醇溶液的减阻性能评价结果显示,该溶液在浓度为0.2g/100mL时减阻效果最为理想,在流量为140m3/h时减阻效率最高,达到了8.0%。经过环道评价测试,可以看出十八醇磷酸酯单乙醇铵盐(OPEM)确实有一定的减阻性能,具有进行减阻剂开发的潜力。
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(本文作者:叶天旭1 王铭浩1 曹云2 张梦1 李芳1 1.中网石油大学(华东)化学化工学院;2.中国石油大学(华东)储运与建筑工程学院)