[发明专利]流体减阻组成物

说明书

技术领域

本发明关于一种流体减阻组成物，尤指一种应用于流体输送领域的减阻剂。

背景技术

节能减碳为目前各国因应能源日趋枯竭所提出的口号，各种研究正在进行，以求达成节省能源消耗及减少碳排放量的目标；而在空调设备、暖气管路、石油管道、化工设备、动力系统、灰浆输送等工业过程中，泵功率耗损占了整个系统耗能的主要部分。因此，如何能最大限度地减少泵功率耗损是这些系统降低能源消耗、增加输送能力的主要手段，也是困扰企业的重要问题。

流体的摩擦阻力(frictional drag)限制了流体在输送管道中的流动，造成管道输送量降低且能量消耗增加，而降低流体阻力的概念早在1940年代就已经提出，美国纽约的消防队员曾使用水溶性高分子增加消防水带的流量。于流体输送方面的研究发现，将某些高分子化合物在流体输送时加入流体中，具有降低流体流动阻力的作用，可提高流体流量与降低能源消耗。于1948年，Toms在第一届国际流变学会议上第一次发表指出，将少量的高分子化合物加入具有紊流(turbulent flow)的牛顿流体(Newtonian fluid)中，可有效降低流体的摩擦阻力，而用于降低流体流动阻力的添加剂通称为减阻剂(drag reducing agent)，简称DRA。之后，将高分子化合物用于降低流体流动阻力，受到许多研究重视，例如，美国专利3023760、3562226及3572354，使用水溶性、直链及高分子量的聚合物，如聚苯乙烯磺酸盐(polystyrene sulfonate)或聚丙烯酰胺(polyacrylamide)，做为水相流体的减阻剂。

减阻剂分子与流体的分子不发生作用，也不影响其化学性质，只与其流动特性密切相关，为一纯物理作用。在紊流中，流体质点的运动速度随机变化着，形成大大小小的旋涡(eddy)，大尺寸旋涡从流体中吸收能量发生变形、破碎，进而转化成小尺寸旋涡；小尺度旋涡又称耗散性旋涡，在粘滞力作用下被减弱、平息，它所携带的部分能量转化为热能而耗散。在近管壁边层内，由于管壁剪切应力和黏滞力的作用，这种转化更为严重。

在减阻剂加入到管道以后，减阻剂呈连续相分散在流体中，靠本身特有的黏弹性(viscoelasticity)，分子长链顺流向自然延伸呈柱状(rod-like)，微观上直接影响流体的运动，来自流体分子的径向作用力作用在减阻剂分子上，使其发生扭曲、旋转变形。减阻剂分子间的引力抵抗上述作用力反作用于流体分子，改变流体分子的作用方向及大小，使一部分径向力被转化为顺流向的轴向力，从而减少功率的消耗，宏观上即达成减少摩擦阻力的效果。

在层流(laminar flow)中，流体受黏滞力作用，没有像紊流那样的旋涡耗散，加入减阻剂的效果有限，随着雷诺数(Reynold number)增大进入紊流，减阻剂就显露出减阻作用，雷诺数越大减阻效果越明显。当雷诺数相当大，流体剪切应力足以破坏减阻剂的分子链结构时，减阻剂降解，减阻效果反而下降，甚至完全失去减阻作用。减阻剂的添加浓度影响它在管道内形成弹性底层的厚度，浓度越大，弹性底层越厚，减阻效果越好。理论上，当弹性底层达到管道轴心时，减阻达到极限，即最大减阻。减阻效果还与流体粘度、管道直径、管道清洁等因素有关。

有效的高分子减阻剂主要具有几个特点：分子量高、溶解性高，抗剪切性佳及无侧链的长直链结构等。高分子减阻剂目前已广泛应用于各个领域，取得良好的效果。例如，在消防水带中加入聚环氧乙烷(polyethylene oxide)后，用直径较小的水带仍能维持水的流量不变，便于消防人员携带；在农田灌溉中加入减阻剂后，可提高灌溉效率、扩大灌溉面积；在输水及输油系统中加入减阻剂可节省能源消耗；在泄洪管道中，当出现洪峰时用减阻剂也可提高泄洪效率；在油井钻探方面，在注入水中加入高分子减阻剂可大大提高注入速率。然而，使用高分子做为减阻剂的缺点是价格较贵、不耐高剪切应力、易于降解、反复使用或长距离输送时减阻效率会降低。