高分子減阻劑，具有減小流體流動阻力作用的高分子化合物。在流體輸送時將它加入流體中，可取得提高流量、降低能耗等效果。
基本介紹
- 中文名：高分子減阻劑
- 外文名：polymer drag reducer or polymer drag reduction agent
- 作用：減小流體流動阻力
- 類型：高分子化合物
發展,分類,套用,減阻機理,生產工藝,
發展
早在18世紀，人們就已發現河流中的淤泥、水藻和水生動物的分泌物都有不同程度的減阻作用，但對於減阻劑和減阻技術的研究和套用，則於20世紀中葉才開始。減阻技術的研究包括水相輸送和有機油相輸送的減阻兩方面。
水相輸送減阻的研究開展較早，發展迅速。人們已研究了大量水溶性高分子減阻劑。其中減阻效率高的，使用量僅幾ppm就可以降低50%以上的阻力，有時則高達80%。對水而言，有效的減阻劑應具有以下幾個特點：分子量高（約106或更高），溶解性能好，抗剪下性好，無支化的長鏈結構等。例如，瓜爾膠為直鏈分子，減阻效率高；而分子量與它相近的阿拉伯膠則有高度支化的結構，就沒有減阻作用。聚環氧乙烷、聚丙烯醯胺和瓜爾膠都是很有效的水相減阻劑。
有機相中的減阻問題的研究，開始於20世紀60年代中期。對於原油輸送的減阻研究已取得了一定的進展。例如，某地的石油用內徑為15.6厘米的管道輸送，加入2和20ppm的氫化聚異戊二烯（分子量約7×10）後，在24.4°C，流速為2 975升/分時，摩擦損耗可分別降低27%和50%。又如某輸油管系統中加入10ppm的CDR高分子減阻劑(一種α-烯烴的梳狀共聚物)後，可增大15%的流量。在原油等有機相中研究或採用得較多的高分子減阻劑，有聚異丁烯、氫化聚異戊二烯、無規聚丙烯、丁二烯與苯乙烯的嵌段共聚物、乙烯與乙烯基酯類的共聚物、聚丙烯醯胺（用0.3%～0.9%的水溶液加到原油中，控制含量在2～5ppm）、乙烯-丙烯共聚物、α-烯烴的梳狀共聚物等。
分類
減阻劑可分為水溶性減阻劑和油溶性減阻劑， 油溶性減阻劑根據作用原理又分為兩類： 一類是有超高分子量的高柔性線型高分子， 主要有烯烴均聚物或共聚物、 聚甲基丙烯酸酯等； 另一類是表面活性化合物。 大量的研究和實踐證明， 減阻效果最佳、 套用最廣的是α-烯烴聚合物， 特別是聚α-辛烯、 聚α-癸烯。
套用
高分子減阻劑已廣泛套用於各個領域，取得良好的效果。例如，在消防水帶中加入聚環氧乙烷後，用直徑較小的水帶仍能維持水的流量不變，便於消防人員攜帶；在農田灌溉中加入減阻劑後，可提高灌溉效率，擴大灌溉面積；在輸水和輸油系統中加入減阻劑可節省能耗；在泄洪管道中，當出現洪峰時用減阻劑也可提高泄洪效率；在油井鑽探方面，在注入水中加入高分子減阻劑可大大提高注入速率。
高分子減阻劑的缺點是價格較貴，不耐剪下應力，易於降解，反覆使用或長途使用時減阻效率會降低。
減阻機理
從現有的文獻報導中可知，關於減阻機理假說分為五類：Toms 的偽塑假說、Virk 的有效滑移假說、粘彈性假說、湍流脈動抑制假說、湍流脈動解耦假說。這些假說都可以解釋一定範圍內的減阻現象，但無法全面的解釋伴隨減阻而產生的各種現象。
（1）Toms 偽塑假說
（1）Toms 偽塑假說
Toms 認為高分子聚合物減阻劑溶液具有偽塑性，即剪下速率與表觀粘度成反比，剪下速率增大，表觀粘度減小，從而導致流動阻力減小。隨著非牛頓流體力學的發展，Toms 假說逐漸被人們否定。通過實驗發現減阻劑溶液在管內湍流流動時的摩擦阻力實測值與套用偽塑流體計算值誤差很大，而且稀減阻劑溶液偽塑性很弱，甚至根本無偽塑性。
（2）Virk 的有效滑移假說
Virk 認為，流體在管內湍流流動時，緊靠壁面的一層流體為粘性底層，其次為彈性層，中心為湍流核心。通過實驗測得速度分布，發現減阻劑溶液湍流核心區的速度與純容積相比大了某個值，但速度規律分布相同，而且彈性層的速度梯度增大，導致阻力減小。根據 Virk 的假說，減阻劑濃度增大，彈性層厚度也增大，當彈性層擴大到管軸時，減阻就達到了極限。
（3）粘彈性假說
隨著粘彈性流體力學的發展，研究者對特定的高聚物減阻劑稀溶液進行試驗，發現聚合物分子的鬆弛時間比湍流微渦的持續時間長，說明高聚物分子的粘彈性對減阻的確起到了作用。隨之提出了粘彈性假說：高分子聚合物具有粘彈性。由於粘彈性與湍流漩渦發生作用，使得漩渦的一部分能量被減阻劑分子所吸收，並以彈性能的方式儲存起來，使渦流動能減小達到減阻效果。
（4）湍流脈動抑制假說
該假說認為高分子聚合物對湍流流動起減阻作用的原因是由於聚合物分子抑制了湍流漩渦的產生，從而使脈動強度減小，最終使能量損失減小。
（5）湍流脈動解耦假說
所謂湍流脈動解耦就是指減阻劑分子對湍流的作用，降低了徑向和軸向脈動速度的相關性，從而減小了湍流雷諾應力。
（6）表面隨機更新假說
人們把流體在管內湍流流動分為三層。近壁區為粘性底層；其次是粘性亞層（過渡或彈性層）；第三個區域為湍流中心。由於粘性底層的速度分布、溫度分布規律與層流時相似，因而在較長一段時間裡被人們誤稱為層流底層。大量文獻報導由於運用精密的測速裝置已能準確測出粘性底層的時均速度分布和脈動速度分布，充分說明粘性底層並不是簡單的層流1306狀態，而仍有一定的脈動存在。
我們把流體在管內湍流流動的動量傳遞邊界層看成是有一塊塊動量傳遞塊（在三種傳遞邊界層相同時，三種傳遞塊是相同的）所組成，這些流體塊隨機的被來自主體的流體單元所更新，分解成新的流體單元而產生漩渦。新的流體塊又從壁面開始增長直到被更新。儘管這種更新過程是隨機的，但每一流體塊的年齡存在某一分布函式，且在統計上這種更新的機會是均等的。湍流越激烈，流體塊被更新的機會就越大，產生的漩渦也越多，耗能就越大。
（2）Virk 的有效滑移假說
Virk 認為，流體在管內湍流流動時，緊靠壁面的一層流體為粘性底層，其次為彈性層，中心為湍流核心。通過實驗測得速度分布，發現減阻劑溶液湍流核心區的速度與純容積相比大了某個值，但速度規律分布相同，而且彈性層的速度梯度增大，導致阻力減小。根據 Virk 的假說，減阻劑濃度增大，彈性層厚度也增大，當彈性層擴大到管軸時，減阻就達到了極限。
（3）粘彈性假說
隨著粘彈性流體力學的發展，研究者對特定的高聚物減阻劑稀溶液進行試驗，發現聚合物分子的鬆弛時間比湍流微渦的持續時間長，說明高聚物分子的粘彈性對減阻的確起到了作用。隨之提出了粘彈性假說：高分子聚合物具有粘彈性。由於粘彈性與湍流漩渦發生作用，使得漩渦的一部分能量被減阻劑分子所吸收，並以彈性能的方式儲存起來，使渦流動能減小達到減阻效果。
（4）湍流脈動抑制假說
該假說認為高分子聚合物對湍流流動起減阻作用的原因是由於聚合物分子抑制了湍流漩渦的產生，從而使脈動強度減小，最終使能量損失減小。
（5）湍流脈動解耦假說
所謂湍流脈動解耦就是指減阻劑分子對湍流的作用，降低了徑向和軸向脈動速度的相關性，從而減小了湍流雷諾應力。
（6）表面隨機更新假說
人們把流體在管內湍流流動分為三層。近壁區為粘性底層；其次是粘性亞層（過渡或彈性層）；第三個區域為湍流中心。由於粘性底層的速度分布、溫度分布規律與層流時相似，因而在較長一段時間裡被人們誤稱為層流底層。大量文獻報導由於運用精密的測速裝置已能準確測出粘性底層的時均速度分布和脈動速度分布，充分說明粘性底層並不是簡單的層流1306狀態，而仍有一定的脈動存在。
我們把流體在管內湍流流動的動量傳遞邊界層看成是有一塊塊動量傳遞塊（在三種傳遞邊界層相同時，三種傳遞塊是相同的）所組成，這些流體塊隨機的被來自主體的流體單元所更新，分解成新的流體單元而產生漩渦。新的流體塊又從壁面開始增長直到被更新。儘管這種更新過程是隨機的，但每一流體塊的年齡存在某一分布函式，且在統計上這種更新的機會是均等的。湍流越激烈，流體塊被更新的機會就越大，產生的漩渦也越多，耗能就越大。
生產工藝
減阻劑的聚合方法主要有溶液聚合、本體聚合等工藝路線。
本體聚合法聚合初期轉化率不高，體系粘度不大，散熱容易，但轉化率提高后， 體系粘度增大，產生凝膠效應，如不及時散熱，易引起爆聚，但因為本體聚合法轉化率較高，因此套用廣泛。趙夢奇等加入少量1， 5-己二烯交聯劑， 本體聚合法合成了超高分子量的聚合物， 產品的抗剪下穩定性及產品的相對分子質量得到提高，但聚合物的減阻率僅為39.1%，其認為這是由於聚合物的分子量分散度低導致聚合物溶解性差，減阻率低。本體聚合是不加溶劑，主要使單體與催化劑體系在一定條件下反應，體系中只有單體及催化劑。其特點是，產品純，無需復，的產品分離操作，產品直接粉，調製成劑使用。但該方法的反應熱不易散出，反應中容易，生飛溫現象，因此實驗設備中，攪拌及控溫系統成為生產的關鍵。
本體聚合法聚合初期轉化率不高，體系粘度不大，散熱容易，但轉化率提高后， 體系粘度增大，產生凝膠效應，如不及時散熱，易引起爆聚，但因為本體聚合法轉化率較高，因此套用廣泛。趙夢奇等加入少量1， 5-己二烯交聯劑， 本體聚合法合成了超高分子量的聚合物， 產品的抗剪下穩定性及產品的相對分子質量得到提高，但聚合物的減阻率僅為39.1%，其認為這是由於聚合物的分子量分散度低導致聚合物溶解性差，減阻率低。本體聚合是不加溶劑，主要使單體與催化劑體系在一定條件下反應，體系中只有單體及催化劑。其特點是，產品純，無需復，的產品分離操作，產品直接粉，調製成劑使用。但該方法的反應熱不易散出，反應中容易，生飛溫現象，因此實驗設備中，攪拌及控溫系統成為生產的關鍵。
溶液聚合法可以及時將聚合過程中產生的熱量排出，避免局部過熱，減少凝膠效應。但由於溶劑的稀
釋作用單體轉化率較低，單體和溶劑分離回收費用高，聚合體系粘度大，現場套用困難。通過改進裝置和加入一些添加劑，溶液聚合法取得了一定的成就。
釋作用單體轉化率較低，單體和溶劑分離回收費用高，聚合體系粘度大，現場套用困難。通過改進裝置和加入一些添加劑，溶液聚合法取得了一定的成就。
