Degradation of antiturbulent properties of polymer solutions flowing in cylindrical channel

Abstract

Рассмотрены две возможные причины деградации антитурбулентных свойств растворов полимеров в углеводородных средах. По одной из них уменьшение эффективности полимерных добавок при использовании их для снижения гидродинамического сопротивления турбулентного потока возникает вследствие деструкции полимерных цепей, сопровождающейся уменьшением молекулярной массы введенного образца полимера. Другая причина – инерционный (затянутый во времени) процесс растворения концентрированной присадки до состояния кинетически независимых макромолекулярных клубков с иммобилизованным растворителем в разбавленном растворе. Образовавшиеся индивидуальные полимерные клубки имеют меньшие размеры по сравнению со сгустками ассоциатов макромолекул, изначально существующими в концентрированных растворах и состоящими из множества перепутанных полимерных цепей. Приведено теоретическое обоснование, в соответствии с которым деструкция полимерных цепей в турбулентном потоке с малым напряжением сдвига на стенке трубы маловероятна. Деструкция полимерных макромолекул может протекать в жестких гидродинамических условиях при очень высоких напряжениях сдвига, существующих на крыльчатках центробежных насосов и на местных сопротивлениях трубопроводов, поэтому полимерные присадки рекомендовано дозировать после нефтеперекачиваю- щих станций. Теоретические предсказания подтверждены лабораторным экспериментом, проведенным с разбавленной и концентрированной системами нефтерастворимого полимера, многократно пропущенными через цилиндрический канал турбореометра. Установлено, что деградация антитурбулентных свойств характерна для разбавленных растворов полимеров и отсутствует у концентрированных систем. Two possible reasons for the degradation of the antiturbulent properties of polymer solutions in hydrocarbon media are considered. According to one mechanism, the reason for the decrease in the efficiency of polymer additives when used to reduce the hydrodynamic drag of turbulent flow is the destruction of polymer chains, which is accompanied by a decrease in the molecular mass of the introduced sample. According to another mechanism, the reason for the gradual decrease in the efficiency of the polymer additive is the protracted in time inertial process of its dissolution from a concentrated state to a state of kinetically independent macromolecular coils with an immobilized solvent in a dilute solution. The resulted individual polymer coils are smaller in size compared to the clusters of macromolecular associates initially introduced into the flow. The associates of macromolecules, which consist of many mutually entangled polymer chains pre-exist in concentrated solutions. A theoretical substantiation of the improbability of the polymer chain destruction in a turbulent flow with low shear stress on the pipe wall is given. The destruction of polymeric macromolecules can proceed under hydrodynamic harsh conditions at very high shear stresses existing on the impellers of centrifugal pumps and on local drags of the pipeline network. Therefore it is recommended to control quantities of polymeric additives after pumping stations. Theoretical predictions are confirmed by a laboratory experiment carried out with dilute and concentrated solutions of an oil-soluble polymer repeatedly passed through a cylindrical channel of a turborheometer. It has been found out that the degradation of antiturbulent properties is characteristic of dilute polymer solutions, but it is absent in concentrated systems.