减阻剂的应用及其研究进展

2011-04-10赵亚洲李志洲

化工技术与开发 2011年10期

朱燕，赵亚洲，李志洲

（陕西理工学院化学与环境科学学院，陕西汉中 723001）

减阻剂在国内外的应用都十分广泛。目前已应用到许多系统中，例如管路循环玲却系统、循环水系统，而且还有研究表明减阻剂已应用于造纸、选矿、农业等系统中。

减阻剂能保障管道安全运行，可在满足输量要求的条件下明显降低管道压力，在设计新管道时，使用减阻剂可以满足耐压要求，消除“卡脖子”段，当减阻剂技术用于增大管道输量时，不仅满足了市场需求，而且也提高了管输效益。因此，研究减阻剂在各方面的应用对日常生活生产具有必要的价值及意义。

随着减阻剂生产工艺的不断改进，生产技术水平的不断提高，减阻剂的性能会越来越好，其价格也会相对降低，减阻剂在输油管道上具有非常广阔应用前景，不仅要满足生产需要，而且要降低能耗，减少输送时间，在最短的时间内增加排量是最经济、最现实的，而通过添加减阻剂是实现这一目的的有效途径之一。此外，减阻剂还可以降低管道系统的压力，提高管道运行的安全性和可靠性。

1 减阻剂的减阻机理

当流体中含有某些特定物质时，其在湍流状态下的摩擦阻力会大大降低，这种现象称为减阻。用于降低流体流动阻力的化学药剂称为减阻剂（drag reducing agent），简称 DRA［1］。到目前为止，虽然有许多有关高聚物减阻的论著，但没有一种理论可圆满地解释它的机理。具有代表性的论著有伪塑说、湍流脉动抑制说、粘弹说、表面随机更新说和应力各向异性说。可见，要解决减阻机理这一难题还有许多工作要做［2］。

2 减阻剂的应用

2.1 在供热系统中的应用

表面活性剂与高聚物相比，它最大的优点就是具有降解可逆性，即在高剪切力或高温作用下，其减阻能力被暂时破坏后，待剪切力或流体温度降低到有效范围内时，它又可恢复减阻性能。鉴于表面活性剂溶液的该特性，表面活性剂湍流减阻主要应用于有泵的循环系统，如集中供热／供冷系统。

表面活性剂（或胶束）具有减阻可逆性并且能耐一定的高温而不降解。焦利芳［3］通过考察减阻剂加入供热系统后总流量的变化情况表明，在减阻剂持续加入该供热系统时，系统的减阻增输效果明显，即系统总流量快速上升。但停止加入减阻剂，使系统中的CTAC（十六烷基三甲基氯化铵）水溶液保持在某一浓度时，该循环系统的减阻效应维持时间较短，经过一段时间后，减阻效应基本消失，即系统总流量降到接近未加入减阻剂时的水平。减阻剂在供热工程中应用可大幅降低流动阻力，今后应该深入开展这方面的研究工作，以获得良好的节能和环保综合效益。

2.2 减阻剂的减阻增输作用

减阻剂是一种特殊的湍流现象，减阻剂效应是减阻影响湍流场的宏观表现。减阻剂加入到管道以后，靠本身的粘弹性，分子长链顺流向自然拉伸，其微元直接影响流体微元的运动。来自流体微元的径向作用力作用在减阻剂微元上，使其发生扭曲，旋转变形。减阻剂分子间引力抵抗上述作用力反作用于流体微元，改变了流体微元作用力的大小和方向，使一部分径向力转变为顺流向的轴向力，从而减少无用功的消耗，宏观上起到减少摩阻损失的作用。

对流经不同管径的减阻剂的性能综合测试表明，减阻率并不是随雷诺数的增大而递增或递减，而是在某一雷诺数下减阻率有最大值，并且在相同的测试条件下，减阻剂浓度越大，单位流体中含有的高分子减阻剂数量越多，经过相同的剪切作用，未被剪切的减阻剂分子越多，经过相同的剪切次数时，减阻率相对也就越高。周蓉等人通过对油品减阻剂在长输管道中的性能研究表明［4］，往油品中添加减阻剂，可以改变紊流的内部结构，大大减小紊流阻力，增加管道排量，降低能量消耗，缩减成本。另外还应该改善流体运动的边界条件，选择适当的管路直径，降低沿程摩阻和减少局部摩阻以更加有效地提高管路输送效率。

李建生［5］通过在室温（25℃）下控制压缩空气压力，测定不同流量下的减阻率，实验结果表明，水溶液在低流速下减阻率并不高，只有当流速达到2.55m·s-1以上，流体处于湍流状态时，减阻效果才能充分体现，3.40m·s-1时，减阻率最高达到54.60%。

管道摩擦减阻剂能减少流体的沿程阻力，从而节约泵功，其节能的作用是得到肯定的。潘佳茜［6］通过实验和相应的试验数据可知，在流量相同的情况下摩擦减阻剂可以节约水泵16%的电能。水泵在满负荷运转的情况下，添加减阻剂后，水流量提高15%。

2.3 减阻剂在输油管道中的应用

随着石油工业的发展，原油在输油管道中的输量日益增加，利用化学添加剂降低管道系统的摩阻，对于安全输送、提高输送量、节约能源和投资、加速原油的开发利用具有重要意义。

戴福俊等人通过对成品油管道应用减阻剂的研究表明，提高在役管道的输油量，在管段两端压差不变的情况下，注入减阻剂可以提高输量［7］，确保已腐蚀管道的安全运行。埋地管道受周围土壤和管内油品中腐蚀性物质的影响，管壁内外表面都会受到腐蚀，使管壁变薄，耐压能力下降。注入减阻剂后，既可以维持原输量，又可使出站压力明显降低，从而保障管道运行安全。

王峰等人研究表明［8］，HG（单氟磷酸钠标准）减阻剂在输量不变的情况下，可以大幅降低管线的沿程摩阻损失，减少管线的阻力，大大降低管道运行压力，显示了HG的减阻功能；管线运行压力不变的情况下，可以提高管线的输量，即具有增输功能。

姜海斌等人［9］经过现场试验验证，EP（乙丙橡胶）系列减阻剂具有良好的减阻和增输效果。当管道冬季运行时，因沿线地温较高，输送摩阻较大，输量较夏季会有一定程度低，而加剂则显著增加输量。

2.4 降低粘度的应用

掺入减粘减阻剂后，减粘减阻剂的晶粒在高温下首先发生分解熔化，随后吸附沥青中与其结构相类似的饱和组分（这些饱和组分大多为蜡基或油基分子），进而溶解于它们之中，形成稳定的溶液而不离析。由于这种吸附融解作用，降低了沥青的运动粘度，而且随着温度的变化，吸附融解作用也不同，进而引起运动。李晓民［10］通过对降低改性沥青施工粘度的应用技术研究表明，掺入3%SLA-603型减粘减阻剂的改性沥青135℃粘度降低50%，路面使用温度下改性沥青车辙因子G＊／sinδ可以提高3～6倍，从而可以提高改性沥青的高温稳定性。

在50℃条件下，由于稠油降粘减阻剂分子中含有酰胺基团，其形成氢键的能力较强，它可与沥青质和胶质分子形成氢键。降粘减阻剂分子借助于强的形成氢键的能力和渗透、分散作用进入胶质和沥青质的片状分子之间，部分拆散平面重叠堆砌而成的聚集体，形成片状分子无规则堆砌，结构比较松散，有序程度降低，空间延伸度变小，从而使沥青质胶质所形成的空间网络结构破坏，使其包裹的石油轻质组分释放出来，降低了稠油的粘度及流动阻力。

张金波［11］的降粘减阻剂的降粘实验证明，用减阻剂HVR的加量增大，降粘率不断增大。1000×10-6的加量降粘率即可达到99%以上，降粘效果显著。而且，加入降粘减阻剂HRV后，能形成均匀稳定的水包油乳状液。

2.5 减阻剂的药理作用

近年来，人们发现减阻剂对心血管疾病、失血性休克等局部或全身性缺血有潜在的治疗价值，并有可能成为新型的利尿剂等，引起了国际医药界的重视，其药用研究开发正在全球医药界兴起［12］。

减阻剂可治疗心血管疾病，能使动物血流量明显增加，外周血管阻力降低；血压在给药初期降低，舒张压的下降更为明显；心电图表现出心率的缓慢下降。赵莲等人［13］通过给大鼠注射聚丙烯酰胺、李糖-半乳糖-半乳糖醛酸形成的多糖（rhamnogalactogalacturonan，RGGu）和牛胸腺 DNA等进行比较，结果表明，聚丙烯酰胺和RGGu能提高大鼠的心输出量。聚丙烯酰胺、RGGu和聚乙二醇在给药后最初1 h内，均能引起主动脉血流的增加和外周血管阻力的下降。它们在体内的代谢和药理作用有所不同，其主要原因是3种化合物的化学组成不同，可见分子的空间结构是减阻剂发挥减阻效应的主要原因。

3 减阻剂的研究进展.

减阻剂价格昂贵而且研制的减阻剂由于分子量较低，防剪切性能较差，因此经济效益不是很好，故目前减阻剂除了在原油和产品油的长输管道上应用外，在工业上还不能广泛应用。为此，要降低成本，不但在减阻剂的研制方面要有所突破，还要研究复合高效的助剂，而且分子量要尽可能大，使其防剪切性能尽可能好，这是减阻剂发展的重要趋势之一［14］。

国内外众多研究机构根据已经提出的减阻机理及借鉴一些现有工业化学品如缓蚀剂、润滑剂的结构进行的研究已经取得了很大的进展，且已有的工业现场实验也已经显示了减阻剂一定的应用前景，因此，探索合适的减阻剂溶剂与减阻剂溶液加注工艺具有极大的开发价值［15］。

减阻剂在诸多领域中得到广泛的应用。减阻剂在医药领域中的应用起步较晚，进展相对缓慢，主要原因是减阻剂属于流体力学和工程学研究范畴，与医药领域学科背景差异较大；另外，减阻剂的作用机制尚未完全揭示，限制了其进一步的应用。但在学科交叉、融合空前活跃的今天，有理由相信减阻剂可能成为一类新型的药物，在心血管疾病、失血性休克或肾脏疾病等的治疗中发挥作用。因此，新型药用减阻剂的获得，药用减阻剂的适应症、药效学和作用机制的研究，高分子化合物的药代动力学研究有可能成为未来的研究重点和发展趋势。

［1］曹登巨，何建川.减阻剂在陇东油区的应用分析［J］.油气储运，2008，27（1）：32-35.

［2］富雯婷.管民.油溶性减阻剂的研究进展［J］.辽宁化工，2009，39（1）：51-55.

［3］焦利芳.表面活性剂减阻剂在集中供热系统中的应用试验研究［J］.节能技术，2008，（3）：159-201.

［4］周蓉，等.油品减阻剂在长输管道中的性能研究［J］.西南石油大学学报，2007，29（6）：142-144.

［5］李建生，魏清，等.工业水处理表面活性剂的减阻性能研究［J］.工业水处理，2010，（1）：19-21.

［6］潘佳茜.利用管道摩擦减阻剂进行节能［J］.城市公用事业，2008，22（4）：53-55.

［7］戴福俊.成品油管道应用减阻剂研究［J］.油气储运，2009，28（1）：19-23.

［8］王峰.HG减阻剂在输油管道中的应用［J］.安全、健康和环境，2006，6：20-22.

［9］姜海斌.EP系列减阻剂在库鄯输油管道的应用［J］.油气储运，2009，28（9）：30-32.

［10］李晓民.降低改性沥青施工粘度的应用技术研究［J］.公路交通科技，2006，8（8）：1-4.

［11］张金波.克浅十稠油降粘减阻剂HVR的降粘机理及现场应用［J］.新疆石油天然气，2006，6（2）：36-39.

［12］张伦.减阻剂药用研究正兴起［J］.中国创药信息，2009，25（6）：7-8.