制冷系統(tǒng)TBAB 水合物漿的安全流動(dòng)研究

王武昌李玉星梁德青樊栓獅

(1中國(guó)石油大學(xué)(華東)儲(chǔ)建學(xué)院儲(chǔ)運(yùn)工程系 青島 266555；2中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所 廣州 510640；3華南理工大學(xué)傳熱強(qiáng)化與過(guò)程節(jié)能教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 廣州 510640)

四丁基溴化氨(Tera-n-ButylAmmonium Bromide 簡(jiǎn)稱(chēng) TBAB)是化學(xué)中常用的相變催化劑，廣泛應(yīng)用在有機(jī)合成的反應(yīng)中。根據(jù)初始條件的不同，TBAB可以形成不同種類(lèi)的水合物晶體。TBAB水合物作為潛熱輸送材料的研究開(kāi)始于日本，后來(lái)有法國(guó)、中國(guó)等少數(shù)國(guó)家從事相關(guān)技術(shù)研究[1-2]。目前采用TBAB水合物作為新的制冷介質(zhì)的研究已經(jīng)廣泛展開(kāi)，但是在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，TBAB水合物很容易在低溫的壁面上黏附凝結(jié)，這對(duì)于制冷系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是非常不利的。作為一種新型制冷系統(tǒng)的流動(dòng)介質(zhì)，TBAB水合物的流動(dòng)特性，包括其摩阻特性和流變特性，是目前國(guó)內(nèi)外的一個(gè)研究重點(diǎn),但是在流動(dòng)過(guò)程中水合物顆粒會(huì)在管壁上黏附而且可能造成的管道堵塞，目前對(duì)這一方面還缺乏研究。因此借助于實(shí)驗(yàn)環(huán)道進(jìn)行了TBAB水合物漿的流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，分析其流動(dòng)特性，研究其在管道中生成、沉積直至堵塞管道的過(guò)程以及抑制措施。

1 實(shí)驗(yàn)研究

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)在廣州能源研究所低壓環(huán)道系統(tǒng)中進(jìn)行，環(huán)道系統(tǒng)如圖1所示。環(huán)道系統(tǒng)主要由磁力泵、原料罐、緩沖罐、螺旋流量計(jì)、管道、溫度傳感器、壓力傳感器、差壓傳感器及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。其中管道包括水平部分、局部低凹段(C)以及立管(E)三種管道形態(tài)，而且包含一段用于觀察的透明管(D)。管道為不銹鋼管，內(nèi)徑42mm、長(zhǎng)30m。系統(tǒng)可以模擬水平管道、地形低凹段以及立管內(nèi)的正常流動(dòng)、停輸以及停輸后再啟動(dòng)等不同工況下的水合物流動(dòng)情況，原料罐、緩沖罐及低凹段C處均可取樣分析。實(shí)驗(yàn)中選用的試劑為工業(yè)級(jí)四丁基溴化銨(TBAB)(產(chǎn)地:江蘇)，純度大于99.9%，試驗(yàn)用水為自來(lái)水。

圖1 環(huán)道系統(tǒng)流程示意圖Fig.1 Schematic of the flow loop

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

表1 TBAB水合物生成及流動(dòng)實(shí)驗(yàn)工況Tab.1 Experiments of TBAB hydrates in pipeline

管道中TBAB水合物的生成量與初始溶液濃度和溫度有關(guān)，為了研究管道中水合物顆粒的沉積，此次試驗(yàn)從較小的濃度開(kāi)始，通過(guò)調(diào)整TBAB的初始濃度和介質(zhì)的溫度逐漸增加管道中TBAB水合物的含量，實(shí)驗(yàn)的工況如表1所示，首先進(jìn)行了TBAB初始濃度為11.21w和21.34w的水合物漿流動(dòng)實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)中對(duì)初始濃度為11.21wTBAB溶液完成了三個(gè)溫度的實(shí)驗(yàn):5.5 ，4.0 ，2.3 。每個(gè)溫度下，通過(guò)改變流量進(jìn)行各濃度下水合物的流動(dòng)試驗(yàn)。進(jìn)行完一個(gè)溫度的實(shí)驗(yàn)后，通過(guò)降低低溫室的溫度來(lái)降低管道中溶液溫度。然而在進(jìn)行初始濃度為21.34w的實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)在管道中溫度為4 ，會(huì)堵塞管道，因此對(duì)初始濃度為21.34w的情況下主要進(jìn)行了管道堵塞實(shí)驗(yàn)及加阻聚劑(AA)的實(shí)驗(yàn)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

如前所述，管道中TBAB水合物的生成量與初始溶液濃度和溫度有關(guān)，在一定的初始濃度下和溫度下，水合物生產(chǎn)完全后管道中的TBAB濃度是固定的，然后根據(jù)測(cè)量溫度查到的液相TBAB濃度，初始TBAB濃度，以及根據(jù)溫度和初始濃度判斷出是哪一種水合物，然后結(jié)合水合物中TBAB濃度可以計(jì)算漿體中水合物的濃度[3]。

其中:xH— 水合物漿中的固相體積濃度；x0—TBAB溶液的初始質(zhì)量濃度；xl— 實(shí)驗(yàn)溫度下液相中TBAB的質(zhì)量濃度[3]；xN— 水合物中TBAB的質(zhì)量濃度，與TBAB水合物數(shù)的種類(lèi)有關(guān)，如表2所示。

表2 TBAB水合物組成[3]Tab.2 Hydrate compositions

2.1 管道中水合物漿的流動(dòng)特性

(1)TBAB初始濃度為11.21w的水合物漿體的流動(dòng)

表3 初始濃度為11.21w 的實(shí)驗(yàn)溫度與TBAB 體積含量Tab.3 Relations between TBAB volume concentration and experiment temperatures with an initial mass comentration of 11.21w

根據(jù)公式(1)計(jì)算得到TBAB初始濃度為11.21w的實(shí)驗(yàn)溫度與TBAB體積含量如表3所示。三個(gè)濃度下水合物漿在管道中流動(dòng)時(shí)壓降與流速如圖2所示，隨著流速的增大，管道中水合物漿流動(dòng)的壓降增加。水合物體積含量增大會(huì)造成管道中水合物漿在同樣的流速下壓降增大，但是在實(shí)驗(yàn)的范圍內(nèi)，體積濃度還比較小，小于21%，根據(jù)實(shí)驗(yàn)的得到的壓降數(shù)據(jù)與流量的關(guān)系，漿體的屈服應(yīng)力為0，說(shuō)明管道中水合物漿是牛頓流體，顆粒的影響比較小，所以體積分?jǐn)?shù)對(duì)壓降的影響并不明顯。

圖2 TBAB 初始濃度為11.21w 的水合物漿流動(dòng)壓降與流速的關(guān)系Fig. 2 Relations between pressure drop and flow rate of TBAB hydrate slurry in pipeline with an initial concentration of 11.21w

(2)TBAB初始濃度為21.34w的水合物漿體的流動(dòng)

當(dāng)把管道中的TBAB量增加到初始濃度為21.34w，并降溫進(jìn)行水合物漿的流動(dòng)時(shí)，實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)一種特殊現(xiàn)象，即管道中出現(xiàn)了水合物在管道壁面黏附聚集的現(xiàn)象，如圖3所示，在管壁上黏附了水合物顆粒，而在下部流體繼續(xù)流動(dòng)，根據(jù)取樣分析，流體中仍有水合物顆粒，但是濃度并不大，在6%～9.8%之間。此時(shí)管道中的溫度維持在4～5 ，在這一溫度下如果形成穩(wěn)定的水合物漿，則漿的體積濃度在55%左右。

圖3 環(huán)道的透明段處水合物在管壁上的黏附情況Fig.3 Hydrate adhering to the transparent part on the pipeline

為了研究管道中水合物的黏附情況，在觀察到透明段黏附穩(wěn)定以后，進(jìn)行了一組變流量的實(shí)驗(yàn)，得到了壓降與流速的關(guān)系曲線?？紤]到在小濃度下，水合物體積濃度對(duì)介質(zhì)的物性影響并不大，因此實(shí)驗(yàn)采用TBAB初始濃度為11.21w的水合物漿的流動(dòng)參數(shù)來(lái)粗略估計(jì)TBAB初始濃度為21.34w的水合物漿管道中的黏附情況。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸粘度計(jì)算公式:

由式(2)計(jì)算粘度，得到在速度為0.5m/s，xH=10%時(shí)Re=5895，因此認(rèn)為試驗(yàn)狀況下流體處于水力光滑區(qū)，根據(jù)達(dá)西公式及水力光滑區(qū)的摩阻系數(shù)與雷諾數(shù)的關(guān)系:

利用式(3)和TBAB初始濃度為11.21w水合物漿的流動(dòng)參數(shù)回歸出物性參數(shù)a，根據(jù)公式(3)，得到TBAB初始濃度水21.34w的水合物漿在管道中流動(dòng)時(shí)的實(shí)際當(dāng)量管徑與流速的關(guān)系如圖4所示。圖中的上行是實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，流速?gòu)男〉酱笾饾u增加，測(cè)量流動(dòng)特性，在達(dá)到最大流速后，開(kāi)始減小流速，進(jìn)行下行實(shí)驗(yàn)。從圖4中可以看出水合物黏附后的管道當(dāng)量直徑已經(jīng)遠(yuǎn)小于實(shí)際直徑，實(shí)驗(yàn)過(guò)程測(cè)量到的最大直徑為22mm，與實(shí)際管徑的42mm相比，管內(nèi)的水合物的黏附厚度為10mm。而在流速減小時(shí)，當(dāng)量直徑繼續(xù)減小，最小的當(dāng)量直徑為6mm，相當(dāng)于管壁上黏附的水合物層的厚度達(dá)到了18mm。從圖4中也可以看出，在實(shí)驗(yàn)的最大流速只有1.46m/s，遠(yuǎn)小于正常實(shí)驗(yàn)條件下的3.5m/s。說(shuō)明水合物黏附在管壁上，大大的加大了漿體的流動(dòng)阻力。

圖4 TBAB 初始濃度21.34w 水合物漿在管道中流動(dòng)時(shí)當(dāng)量管徑與流速的關(guān)系Fig.4 Relations between equivalent and velocity of TBAB hydrate slurry in pipeline with an initial mass concentration of 21.34w

水合物顆粒黏附在管壁上，當(dāng)黏附力大于流動(dòng)帶來(lái)的剪切力時(shí)，水合物顆粒就可以穩(wěn)定黏附在管壁上，否則就會(huì)被流體帶走。從圖4中可以看出，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，逐漸增大流速，剪切增大，黏附的一部分顆粒被液體帶走，流體的沖刷使得管道內(nèi)的當(dāng)量直徑逐漸增大，但是在下行過(guò)程中，流速逐漸減小，顆粒又逐漸黏附在管壁上，由于黏附不可能在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到原來(lái)的情況，所以表現(xiàn)在圖中就是下行時(shí)管道的當(dāng)量直徑要大于上行時(shí)管道的當(dāng)量直徑。

2.2 TBAB 水合物漿在管道中形成及抑制劑的作用

考慮TBAB水合物在管道流動(dòng)時(shí)會(huì)明顯的黏附在管壁上，因此實(shí)驗(yàn)中采用恒定流量的方法研究了TBAB水合物在管道中的生成、黏附以及堵塞的過(guò)程。

圖5 TBAB 初始濃度為21.34w 水合物漿在管道中的生成過(guò)程流量變化Fig.5 Flow rate of TBAB hydrate slurry in pipeline with an initial concentration of 21.34w

實(shí)驗(yàn)的初始TBAB濃度為21.34w，實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)運(yùn)行流量為4.88m3/h。如圖5中未加劑曲線所示，在3.3h時(shí)，管道中的介質(zhì)溫度有一個(gè)明顯的溫度突升，說(shuō)明管道中開(kāi)始大量形成水合物，很快管道中的流量逐漸減小，這也證明了水合物確實(shí)是逐漸在管壁上黏附。大約6h時(shí)，流量下降速度加快，而此時(shí)管道沿線的壓力開(kāi)始升高，尤其是泵出口和緩沖罐出口壓力增加明顯。說(shuō)明管道中的水合物的黏附情況很?chē)?yán)重。大約9h時(shí)，管道中失去流動(dòng)，整個(gè)管道被堵塞，此時(shí)流量為0。流量從4.8m3/h下降到0只用了大約3個(gè)小時(shí)，說(shuō)明水合物在管壁上的黏附非?？?。而且在升溫解堵過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)黏附的水合物大塊大塊的脫落，明顯可以從透明段觀察到有水合物段塞體流過(guò)，這一現(xiàn)象如果在實(shí)際管路中出現(xiàn)，會(huì)對(duì)下游的設(shè)備造成很大的威脅。

從上述實(shí)驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)， TBAB水合物的黏附聚集能力非常強(qiáng)，分析原因應(yīng)該是與TBAB自身的性質(zhì)有關(guān)。主要有兩個(gè)方面的原因:1) TBAB 屬于季胺鹽類(lèi)陽(yáng)離子表面活性劑[4]，分子結(jié)構(gòu)如圖6所示。其水合物分子結(jié)構(gòu)是由陰離子(Br-1)和水分子形成籠狀框架，陽(yáng)離子([CH3(CH2)3)]4N-1)填充于其中孔隙形成，形成的水合物為半籠型水合物，其晶體結(jié)構(gòu)如圖7所示[4]。正是其特殊的半籠型結(jié)構(gòu)和離子特性加強(qiáng)了顆粒之間的作用力。2)TBAB溶液本身具有非常大的粘性，可以達(dá)到水粘度的5到6倍[4]，在形成的水合物顆粒表面上會(huì)黏附有TBAB溶液，當(dāng)水合物顆粒靠近時(shí)，液體形成的液橋?qū)⒋蟠笤黾宇w粒之間的作用力。

圖6 TBAB 分子結(jié)構(gòu)Fig. 6 Molecular formula of TBAB

圖7 TBAB 水合物晶體結(jié)構(gòu)示意圖[4]Fig.7 Structure of TBAB hydrate crystal

為了驗(yàn)證上述分析的正確性，同時(shí)尋求抑制TBAB水合物在管道中的黏附現(xiàn)象，通過(guò)調(diào)研和實(shí)驗(yàn)比較，最終選擇Span80(C24H44O6)來(lái)嘗試抑制TBAB水合物的聚集黏附[5]，并在中進(jìn)行了TBAB水合物漿的抑制實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始原料罐中的TBAB初始濃度仍為21.34w。首先在原料罐中加入3.5w的Span80，然后啟動(dòng)溫度控制室，以恒定流量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)過(guò)程與之前進(jìn)行的TBAB水合物在管道中生成和堵塞實(shí)驗(yàn)一樣。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中環(huán)道中流量變化如圖5加3.5w Span80的曲線所示，環(huán)道中流量開(kāi)始下降的時(shí)間與未加劑幾乎一樣，但是在流量快速下降過(guò)程中，加劑的實(shí)驗(yàn)流量曲線下降比未加劑的要緩慢的多，環(huán)道在13.5h左右時(shí)才失去流動(dòng)，整個(gè)堵塞過(guò)程持續(xù)了7.5個(gè)小時(shí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)長(zhǎng)于未加劑的3個(gè)小時(shí)。這也證明了3.5w的Span80具有抑制TBAB水合物顆粒聚集的效果，Span80的親水疏水平衡值(HLB)為4.3，具有比較差的親水性，在管道中黏附在水合物顆粒表面上，減小了水合物顆粒之間的聚集力，阻礙水合物顆粒的聚集。Span80抑制水合物的聚集效果同時(shí)也說(shuō)明了TBAB水合物顆粒聚集促使了其在管壁上的黏附。

2.3 水合物在管道中的黏附沉積機(jī)理探討

對(duì)于水合物顆粒在管道中的黏附沉積機(jī)理，目前還缺乏研究，從水合物顆粒在管道中的運(yùn)動(dòng)可以確定水合物顆粒的沉積主要受到四種作用機(jī)理的影響[6]:1)分子擴(kuò)散；2)剪切彌散；3)重力沉降；4)布朗運(yùn)動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)中由于低溫室的冷風(fēng)從上部吹進(jìn)，整個(gè)低溫室溫度場(chǎng)并不均勻，使得管道上部的溫度低于下部。而在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中水合物顆粒主要沉積在管壁的上部，如圖3所示。而其他一些研究人員在進(jìn)行的TBAB水合物漿的在保溫管道流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中并沒(méi)有觀察到水合物顆粒在管壁上的黏附沉積[1,6]。同時(shí)考慮到TBAB兩種水合物的密度都比水大，分別為1080 kg/m3和1030kg/m3，水合物顆粒只在管璧上部沉積說(shuō)明重力和布朗運(yùn)動(dòng)的影響也很小。綜合分析，認(rèn)為水合物漿與管壁的溫度差是造成水合物顆粒在管壁上沉積的主要原因。管壁溫度比管內(nèi)的介質(zhì)溫度低，會(huì)在管道內(nèi)的生成一個(gè)溫度梯度，靠近管壁溫度越低，越容易生成水合物，水合物生成后會(huì)析出黏附在管壁上，由于TBAB水合物顆粒之間有比較強(qiáng)的聚集力，使得水合物會(huì)牢牢的黏附在管壁上，而不被流動(dòng)沖刷掉，而且這一現(xiàn)象會(huì)在整個(gè)水合物生成過(guò)程持續(xù)，造成管道內(nèi)產(chǎn)生徑向的濃度梯度，促使TBAB向管壁擴(kuò)散，逐漸形成更多的水合物，這正是分子擴(kuò)散作用的結(jié)果。因此可以認(rèn)為分子擴(kuò)散是水合物顆粒在管壁上沉積的主要作用因素。在制冷管道運(yùn)行中盡可能采用保溫減小管壁與介質(zhì)的溫差，減緩水合物顆粒在管壁上的沉積。

3 結(jié)論

通過(guò)對(duì)水合物漿的流動(dòng)特性分析，得到以下結(jié)論:

1)在管道中TBAB的體積濃度比較小(小于21%)的情況下，管道中生成少量的水合物，形成水合物漿，漿體比較均勻，水合物漿在管道中流動(dòng)壓降隨水合物體積分?jǐn)?shù)的增大而微弱的增大，并不會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重的黏附現(xiàn)象。

2)當(dāng)TBAB的體積濃度達(dá)到55%時(shí)，會(huì)在管道中形成大量的水合物，而且水合物很容易在管壁上黏附沉積，造成管道內(nèi)流通面積顯著減少，甚至堵塞管道。

3)TBAB水合物漿堵塞管道的過(guò)程是水合物顆粒逐漸黏附沉積，造成管道流通面積逐漸減小，并最終堵塞整個(gè)管道，而且在升溫解堵過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)大塊水合物的脫離，在實(shí)際管路中會(huì)造成下游儀器的損壞，給生產(chǎn)造成危險(xiǎn)。

4)TBAB水合物在管道沉積主要作用力是分子擴(kuò)散。

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