磷精矿料浆输送管道减阻效果研究*

张克峰，刘 春，胡 宏，解 田

［1.贵州工业职业技术学院，贵州贵阳 550008；2.瓮福（集团）有限责任公司］

工业技术

磷精矿料浆输送管道减阻效果研究*

张克峰1，刘 春1，胡 宏2，解 田2

［1.贵州工业职业技术学院，贵州贵阳 550008；2.瓮福（集团）有限责任公司］

减阻剂可以在不改变管道运行方式的条件下，降低管道内处于湍流状态流体的摩阻压降，提高流体的输送流量。从某企业磷精矿料浆管道输送的实际情况出发，利用自行设计的减阻剂室内环道装置进行模拟与评价，研究了减阻剂种类和浓度及管道流体雷诺数对减阻效果的影响。实验得出，在室温（25℃左右）、聚丙烯酰胺质量浓度（单位体积的料浆中含有减阻剂的质量）为500mg/L、雷诺数为14 154（对应管道流速为2.21m/s）条件下，磷精矿料浆的输送流量从2.31m3/h提高到3.36m3/h，增速为45.6％。

室内环道；减阻剂；聚丙烯酰胺；雷诺数

管道运输作为主要的运输方式之一，由于具有能耗低、占地少以及受气象条件限制低等优点，在原料或产品运输上具有广泛的应用。管道中的流体由于摩擦阻力的存在会限制其在管内的流动，导致运输量下降。如果在管道运输过程中加入减阻剂，可以在不改变原有运输方式的情况下降低管道内流体的摩擦阻力，提高输送流量［1-2］。减阻剂按其溶解性来分可分为水溶性减阻剂和油溶性减阻剂［3］，对于磷精矿料浆的管道输送主要采用水溶性减阻剂，常用的有聚丙烯酰胺（PAM）、聚氧化乙烯（PEO）、羟乙基纤维素等。减阻效果一般用减阻剂加入前后摩阻压降的变化率来表示，为了直观与简便也常用流量增加率来表示［4］。影响减阻剂减阻效果的因素主要有减阻剂的相对分子质量、减阻剂浓度、流体温度和雷诺数等［5-7］。笔者从磷精矿管道输送的实际情况出发，利用室内环道评价装置进行模拟，主要考察减阻剂种类、减阻剂浓度和雷诺数对减阻效果的影响，在最佳实验条件下输送流量（m3/h）增加了45.6％。

1 实验部分

1.1 实验装置

实验中采用室内环道装置来模拟现场磷精矿料浆管道输送过程，流程图见图1。管路垂直高度为2m，上下水平管道长约6m，弯管半径约0.5m。管道采用Φ25mm×2.5mm无缝钢管，材质为低碳合金钢。管道连接为法兰式连接，管路上有2个25mm闸阀，用压力计和流量计记录压差和流量变化。

图1 实验装置流程图

1.2 实验流程

1）实验装置连接好后，对磷精矿料浆的输送进行稳定性测试。加入磷精矿料浆，将阀门开到一定开度，启动矿浆泵，记录流量计随时间变化的读数，找出运行达到稳定所需时间。

2）将一定量磷精矿料浆倒入矿浆池中，启动矿浆泵，运行10～15min后达到稳定状态，记录流量计读数Q0。加入计量的减阻剂（根据减阻剂在磷精矿料浆中的质量浓度进行计算，mg/L），记录加入减阻剂后管路上的流量计随时间变化的读数Q。用减阻率DR=（Q-Q0）/Q0来评价减阻效果。实验选用的减阻剂为聚丙烯酰胺（PAM）和聚氧化乙烯（PEO）。

3）在考察减阻效果与雷诺数的关系时，由雷诺数Re=duρ/μ=4ρQ/（πdμ），可知雷诺数与流量是对应的，实验时通过调节流量来改变雷诺数，流量通过管路上的闸阀来调节。

2 实验结果与讨论

2.1 装置运行稳定性测试

对磷精矿料浆的输送稳定性进行测定。保持阀门开度不变，不加入任何减阻剂，考察管路流量变化与时间的关系，结果见图2。从图2可以看出，在装置运行时间10min左右时，整个管路系统基本趋于稳定；在0～20min的运行时间内，流量变化率的最大值为（2.35-2.31）/2.31=1.73％。由此可以看出，实验装置对磷精矿料浆的输送较为稳定，流量测试结果具有较高的准确度。

图2 管路流量与时间的变化趋势

2.2 减阻剂对输送管路流量的影响

管道内的流量为2.31m3/h，流速约为2m/s，Re＞10 000，可知磷矿浆在管内的流动为湍流。泵的压力一定，加入减阻剂后管路的流量会增加，用流量的变化率为指标来衡量减阻效果。实验中考察了聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯两种减阻剂对管路的减阻效果。

1）聚丙烯酰胺减阻效果与剪切时间的关系。系统运行稳定后，分别保持聚丙烯酰胺质量浓度为100、200、500mg/L不变，考察减阻剂在该质量浓度下减阻率与剪切时间的关系，结果见图3。从图3看出，在一定的聚丙烯酰胺质量浓度条件下，在开始的一段时间内，减阻率随着剪切时间的增加而增大，增大的幅度逐渐减小，之后随着时间的继续增加，减阻率逐渐趋于稳定。这是由于，聚丙烯酰胺为高分子聚合物，加入到磷精矿料浆中后，其分子长链开始逐渐伸展开来，直接影响流体微元的运动。湍流过程存在径向流，加入减阻剂聚丙烯酰胺后，流体的径向作用力开始作用在减阻剂上，减阻剂的分子长链之间的引力反抗上述作用力，作用在流体微元上，使部分的径向力改变为延流体流动方向的轴向力，这样就可以使流量增加。从图3还可以看出，减阻剂质量浓度越高，达到稳定时减阻率越大，在减阻剂质量浓度为500mg/L时减阻率达到了45.6％；此外，减阻剂质量浓度越高，达到稳定的时间越短，在减阻剂质量浓度为100mg/L时所需时间约为50min，而在减阻剂质量浓度为200mg/L和500mg/L时稳定时间约为30min。

2）聚丙烯酰胺减阻效果与减阻剂质量浓度的关系。系统运行稳定后，固定剪切时间为60min不变，加入质量浓度分别为50、100、200、300、500、700、800mg/L的聚丙烯酰胺，以流量的变化率为指标，考察减阻效果与减阻剂质量浓度的关系，结果见图3。从图3可以看出，在减阻剂质量浓度为50～500mg/L范围内，减阻率随着减阻剂质量浓度的增大而增大，在减阻剂质量浓度为500mg/L时减阻率达到了45.6％，之后继续增加减阻剂质量浓度，减阻率有下降的趋势。其原因可能是由于聚丙烯酰胺浓度太大会增加矿浆的黏度，产生黏性应力，对管道流体有一定的阻碍作用，减阻效果降低。就增大减阻率而言，最佳的聚丙烯酰胺质量浓度为500mg/L。

3）聚氧化乙烯与聚丙烯酰胺减阻效果比较。为初步衡量聚氧化乙烯对磷精矿料浆管道输送的减阻效果，将其与聚丙烯酰胺的减阻效果进行比较，以达到快速筛选的目的。在系统运行稳定后，固定二者的质量浓度为500mg/L不变，分别考察其减阻率与剪切时间的关系，结果见图3。从图3可以看出，两种减阻剂的减阻率随运行时间的变化趋势大致相似，在一定的时间范围内随时间的增加而增大，而后逐渐趋于稳定，聚氧化乙烯的稳定时间大约为40min。从图3还可以看出，聚丙烯酰胺的减阻效果要明显高于聚氧化乙烯，稳定后聚氧化乙烯的减阻率为32.9％，而聚丙烯酰胺的减阻率达到了45.6％。在后面的实验中主要研究聚丙烯酰胺的减阻效果。

图3 减阻率与剪切时间及减阻剂质量浓度的关系

2.3 雷诺数对减阻效果的影响

实验中通过控制水平管路上两个阀门开度来控制流量，从而控制雷诺数。在磷精矿料浆管路输送达到稳定后，记录初始流量，计算对应雷诺数，然后加入质量浓度为500mg/L的聚丙烯酰胺，以管路流量达到稳定后的流量变化率为指标比较不同雷诺数时减阻剂聚丙烯酰胺的减阻效果，实验结果见图4。

图4 减阻率与雷诺数的关系

图4中的6个点对应的雷诺数除第一个点雷诺数为9 059外，其余均在10 000以上，磷精矿料浆在管内的流动为湍流。从图4可以看出，在一定范围内减阻率随着雷诺数的增大而增大，当雷诺数增加到14 154时，继续增加雷诺数减阻率不再增加，甚至有下降的趋势。主要是由于雷诺数增加，管内的湍流程度增大，大到一定程度的时候会破坏高聚物聚丙烯酰胺的分子长链，导致其分子引力不足以抗拒流体径向作用力，流量的增加率减小，减阻效果变差。雷诺数Re=duρ/μ，当流体物性确定时，也就只取决于管内的流速了，由此说明要达到最大的减阻效果，必须选择一个最佳的流速，就本次实验条件而言，雷诺数14 154对应的最佳流量为2.5m3/h，流速为2.21m/s。

3 结语

1）自行设计的减阻剂室内环道评价装置稳定性能较好，运行磷精矿料浆的输送时，10min左右即达到稳定，流量最大变化率只有1.73％。该装置对流量的测定具有较高的准确度。

2）在测定减阻效果与剪切时间的关系时，得出在聚丙烯酰胺质量浓度为100mg/L时运行50min即可达到稳定，在聚丙烯酰胺质量浓度为200mg/L和500mg/L时达到稳定减阻效果只需30min。实验还得出，减阻效果随减阻剂聚丙烯酰胺浓度的增大先增大后略有减小，减阻剂存在一个最佳浓度，实验条件下最佳质量浓度为500mg/L。

3）对聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯两种减阻剂的减阻效果进行了比较，在减阻剂质量浓度均为500mg/L时，聚氧化乙烯的最佳减阻率为32.9％，而聚丙烯酰胺的最佳减阻率达到了45.6％。在研究减阻率与雷诺数的关系时发现，减阻率随雷诺数的增加先增大后减小，最佳的雷诺数为14 154，对应的流量为2.5m3/h，流速为2.21m/s。

［1］Horn A F，Wu C D，Prilutski D J.High viscosity crude drag reduction［J］.Oil＆Gas Journal，1986（6）：24-26.

［2］Savins J G.The relation for evaluating the drag reduction［J］.Society of Petroleum Engineers Journal，1964（4）：203-205.

［3］张华平.减阻剂的研究现状及应用［J］.化学工业与工程技术，2011，32（5）：28-33.

［4］马卫荣，谭芳，赵玲莉，等.减阻剂的发展与应用［J］.新疆石油天然气，2005，1（1）：71-74.

［5］罗旗荣，张帆，肖博元，等.减阻剂减阻效果的评价与分析［J］.天然气与石油，2010，28（2）：8-11.

［6］张红梅，龚志荣.减阻剂在长输管线中的应用机理探讨［J］.辽宁化工，2012，41（4）：369-371.

［7］张波.管道减阻剂实验评价系统［D］.济南：山东大学，2010.

Reasearch on drag reduction property of phosphate concentrate slurry pipeline

Zhang Kefeng1，Liu Chun1，Hu Hong2，Xie Tian2
［1.Guizhou Industry Polytechnic College，Guiyang 550008，China；2.Wengfu（Group）Co.，Ltd.］

Drag reducing agents（DRA）can reduce the frictional pressure drop of turbulent fluid in the pipe and improve the flow of fluid without change the condition of the pipeline operation mode.DRA indoor loop equipment，which was similar to a company′s actual phosphate concentrate slurry pipeline，was designed to simulate，and evaluate the drag reduction property.The factors on drag reduction property were studied by DRA species，DRA concentration，and fluid Reynolds number，and the optimal conditions were as follows：at room temperature（25℃），polyacrylamide mass concentration（mass of DRA per unit volume of slurry，mg/L）was 500mg/L，and Reynolds number was 14 154（corresponding flow rate of fluid was 2.21 m/s）.Under these conditions，the flow of phosphate concentrate slurry increased from 2.31 m3/h to 3.36 m3/h，with 45.6％improved.

indoor loop；DRA；polyacrylamide；reynolds

TQ022.1

A

1006-4990（2014）12-0044-03

2014-06-29

张克峰（1969— ），男，副教授，主要从事化工工艺和磷化工的研究。

解田

贵州省工业攻关计划项目（黔科合GY字［2013］3044）。

联系方式：chemostar@163.com