張克峰，劉 春，胡 宏，解 田

［1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽 550008；2.甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司］

工業(yè)技術(shù)

磷精礦料漿輸送管道減阻效果研究*

張克峰1，劉 春1，胡 宏2，解 田2

［1.貴州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州貴陽 550008；2.甕福（集團(tuán)）有限責(zé)任公司］

減阻劑可以在不改變管道運(yùn)行方式的條件下，降低管道內(nèi)處于湍流狀態(tài)流體的摩阻壓降，提高流體的輸送流量。從某企業(yè)磷精礦料漿管道輸送的實(shí)際情況出發(fā)，利用自行設(shè)計(jì)的減阻劑室內(nèi)環(huán)道裝置進(jìn)行模擬與評價(jià)，研究了減阻劑種類和濃度及管道流體雷諾數(shù)對減阻效果的影響。實(shí)驗(yàn)得出，在室溫（25℃左右）、聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度（單位體積的料漿中含有減阻劑的質(zhì)量）為500mg/L、雷諾數(shù)為14 154（對應(yīng)管道流速為2.21m/s）條件下，磷精礦料漿的輸送流量從2.31m3/h提高到3.36m3/h，增速為45.6％。

室內(nèi)環(huán)道；減阻劑；聚丙烯酰胺；雷諾數(shù)

管道運(yùn)輸作為主要的運(yùn)輸方式之一，由于具有能耗低、占地少以及受氣象條件限制低等優(yōu)點(diǎn)，在原料或產(chǎn)品運(yùn)輸上具有廣泛的應(yīng)用。管道中的流體由于摩擦阻力的存在會(huì)限制其在管內(nèi)的流動(dòng)，導(dǎo)致運(yùn)輸量下降。如果在管道運(yùn)輸過程中加入減阻劑，可以在不改變原有運(yùn)輸方式的情況下降低管道內(nèi)流體的摩擦阻力，提高輸送流量［1-2］。減阻劑按其溶解性來分可分為水溶性減阻劑和油溶性減阻劑［3］，對于磷精礦料漿的管道輸送主要采用水溶性減阻劑，常用的有聚丙烯酰胺（PAM）、聚氧化乙烯（PEO）、羥乙基纖維素等。減阻效果一般用減阻劑加入前后摩阻壓降的變化率來表示，為了直觀與簡便也常用流量增加率來表示［4］。影響減阻劑減阻效果的因素主要有減阻劑的相對分子質(zhì)量、減阻劑濃度、流體溫度和雷諾數(shù)等［5-7］。筆者從磷精礦管道輸送的實(shí)際情況出發(fā)，利用室內(nèi)環(huán)道評價(jià)裝置進(jìn)行模擬，主要考察減阻劑種類、減阻劑濃度和雷諾數(shù)對減阻效果的影響，在最佳實(shí)驗(yàn)條件下輸送流量（m3/h）增加了45.6％。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用室內(nèi)環(huán)道裝置來模擬現(xiàn)場磷精礦料漿管道輸送過程，流程圖見圖1。管路垂直高度為2m，上下水平管道長約6m，彎管半徑約0.5m。管道采用Φ25mm×2.5mm無縫鋼管，材質(zhì)為低碳合金鋼。管道連接為法蘭式連接，管路上有2個(gè)25mm閘閥，用壓力計(jì)和流量計(jì)記錄壓差和流量變化。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置流程圖

1.2 實(shí)驗(yàn)流程

1）實(shí)驗(yàn)裝置連接好后，對磷精礦料漿的輸送進(jìn)行穩(wěn)定性測試。加入磷精礦料漿，將閥門開到一定開度，啟動(dòng)礦漿泵，記錄流量計(jì)隨時(shí)間變化的讀數(shù)，找出運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定所需時(shí)間。

2）將一定量磷精礦料漿倒入礦漿池中，啟動(dòng)礦漿泵，運(yùn)行10～15min后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄流量計(jì)讀數(shù)Q0。加入計(jì)量的減阻劑（根據(jù)減阻劑在磷精礦料漿中的質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算，mg/L），記錄加入減阻劑后管路上的流量計(jì)隨時(shí)間變化的讀數(shù)Q。用減阻率DR=（Q-Q0）/Q0來評價(jià)減阻效果。實(shí)驗(yàn)選用的減阻劑為聚丙烯酰胺（PAM）和聚氧化乙烯（PEO）。

3）在考察減阻效果與雷諾數(shù)的關(guān)系時(shí)，由雷諾數(shù)Re=duρ/μ=4ρQ/（πdμ），可知雷諾數(shù)與流量是對應(yīng)的，實(shí)驗(yàn)時(shí)通過調(diào)節(jié)流量來改變雷諾數(shù)，流量通過管路上的閘閥來調(diào)節(jié)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 裝置運(yùn)行穩(wěn)定性測試

對磷精礦料漿的輸送穩(wěn)定性進(jìn)行測定。保持閥門開度不變，不加入任何減阻劑，考察管路流量變化與時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果見圖2。從圖2可以看出，在裝置運(yùn)行時(shí)間10min左右時(shí)，整個(gè)管路系統(tǒng)基本趨于穩(wěn)定；在0～20min的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，流量變化率的最大值為（2.35-2.31）/2.31=1.73％。由此可以看出，實(shí)驗(yàn)裝置對磷精礦料漿的輸送較為穩(wěn)定，流量測試結(jié)果具有較高的準(zhǔn)確度。

圖2 管路流量與時(shí)間的變化趨勢

2.2 減阻劑對輸送管路流量的影響

管道內(nèi)的流量為2.31m3/h，流速約為2m/s，Re＞10 000，可知磷礦漿在管內(nèi)的流動(dòng)為湍流。泵的壓力一定，加入減阻劑后管路的流量會(huì)增加，用流量的變化率為指標(biāo)來衡量減阻效果。實(shí)驗(yàn)中考察了聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯兩種減阻劑對管路的減阻效果。

1）聚丙烯酰胺減阻效果與剪切時(shí)間的關(guān)系。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，分別保持聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為100、200、500mg/L不變，考察減阻劑在該質(zhì)量濃度下減阻率與剪切時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果見圖3。從圖3看出，在一定的聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度條件下，在開始的一段時(shí)間內(nèi)，減阻率隨著剪切時(shí)間的增加而增大，增大的幅度逐漸減小，之后隨著時(shí)間的繼續(xù)增加，減阻率逐漸趨于穩(wěn)定。這是由于，聚丙烯酰胺為高分子聚合物，加入到磷精礦料漿中后，其分子長鏈開始逐漸伸展開來，直接影響流體微元的運(yùn)動(dòng)。湍流過程存在徑向流，加入減阻劑聚丙烯酰胺后，流體的徑向作用力開始作用在減阻劑上，減阻劑的分子長鏈之間的引力反抗上述作用力，作用在流體微元上，使部分的徑向力改變?yōu)檠恿黧w流動(dòng)方向的軸向力，這樣就可以使流量增加。從圖3還可以看出，減阻劑質(zhì)量濃度越高，達(dá)到穩(wěn)定時(shí)減阻率越大，在減阻劑質(zhì)量濃度為500mg/L時(shí)減阻率達(dá)到了45.6％；此外，減阻劑質(zhì)量濃度越高，達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間越短，在減阻劑質(zhì)量濃度為100mg/L時(shí)所需時(shí)間約為50min，而在減阻劑質(zhì)量濃度為200mg/L和500mg/L時(shí)穩(wěn)定時(shí)間約為30min。

2）聚丙烯酰胺減阻效果與減阻劑質(zhì)量濃度的關(guān)系。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，固定剪切時(shí)間為60min不變，加入質(zhì)量濃度分別為50、100、200、300、500、700、800mg/L的聚丙烯酰胺，以流量的變化率為指標(biāo)，考察減阻效果與減阻劑質(zhì)量濃度的關(guān)系，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，在減阻劑質(zhì)量濃度為50～500mg/L范圍內(nèi)，減阻率隨著減阻劑質(zhì)量濃度的增大而增大，在減阻劑質(zhì)量濃度為500mg/L時(shí)減阻率達(dá)到了45.6％，之后繼續(xù)增加減阻劑質(zhì)量濃度，減阻率有下降的趨勢。其原因可能是由于聚丙烯酰胺濃度太大會(huì)增加礦漿的黏度，產(chǎn)生黏性應(yīng)力，對管道流體有一定的阻礙作用，減阻效果降低。就增大減阻率而言，最佳的聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為500mg/L。

3）聚氧化乙烯與聚丙烯酰胺減阻效果比較。為初步衡量聚氧化乙烯對磷精礦料漿管道輸送的減阻效果，將其與聚丙烯酰胺的減阻效果進(jìn)行比較，以達(dá)到快速篩選的目的。在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，固定二者的質(zhì)量濃度為500mg/L不變，分別考察其減阻率與剪切時(shí)間的關(guān)系，結(jié)果見圖3。從圖3可以看出，兩種減阻劑的減阻率隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢大致相似，在一定的時(shí)間范圍內(nèi)隨時(shí)間的增加而增大，而后逐漸趨于穩(wěn)定，聚氧化乙烯的穩(wěn)定時(shí)間大約為40min。從圖3還可以看出，聚丙烯酰胺的減阻效果要明顯高于聚氧化乙烯，穩(wěn)定后聚氧化乙烯的減阻率為32.9％，而聚丙烯酰胺的減阻率達(dá)到了45.6％。在后面的實(shí)驗(yàn)中主要研究聚丙烯酰胺的減阻效果。

圖3 減阻率與剪切時(shí)間及減阻劑質(zhì)量濃度的關(guān)系

2.3 雷諾數(shù)對減阻效果的影響

實(shí)驗(yàn)中通過控制水平管路上兩個(gè)閥門開度來控制流量，從而控制雷諾數(shù)。在磷精礦料漿管路輸送達(dá)到穩(wěn)定后，記錄初始流量，計(jì)算對應(yīng)雷諾數(shù)，然后加入質(zhì)量濃度為500mg/L的聚丙烯酰胺，以管路流量達(dá)到穩(wěn)定后的流量變化率為指標(biāo)比較不同雷諾數(shù)時(shí)減阻劑聚丙烯酰胺的減阻效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖4 減阻率與雷諾數(shù)的關(guān)系

圖4中的6個(gè)點(diǎn)對應(yīng)的雷諾數(shù)除第一個(gè)點(diǎn)雷諾數(shù)為9 059外，其余均在10 000以上，磷精礦料漿在管內(nèi)的流動(dòng)為湍流。從圖4可以看出，在一定范圍內(nèi)減阻率隨著雷諾數(shù)的增大而增大，當(dāng)雷諾數(shù)增加到14 154時(shí)，繼續(xù)增加雷諾數(shù)減阻率不再增加，甚至有下降的趨勢。主要是由于雷諾數(shù)增加，管內(nèi)的湍流程度增大，大到一定程度的時(shí)候會(huì)破壞高聚物聚丙烯酰胺的分子長鏈，導(dǎo)致其分子引力不足以抗拒流體徑向作用力，流量的增加率減小，減阻效果變差。雷諾數(shù)Re=duρ/μ，當(dāng)流體物性確定時(shí)，也就只取決于管內(nèi)的流速了，由此說明要達(dá)到最大的減阻效果，必須選擇一個(gè)最佳的流速，就本次實(shí)驗(yàn)條件而言，雷諾數(shù)14 154對應(yīng)的最佳流量為2.5m3/h，流速為2.21m/s。

3 結(jié)語

1）自行設(shè)計(jì)的減阻劑室內(nèi)環(huán)道評價(jià)裝置穩(wěn)定性能較好，運(yùn)行磷精礦料漿的輸送時(shí)，10min左右即達(dá)到穩(wěn)定，流量最大變化率只有1.73％。該裝置對流量的測定具有較高的準(zhǔn)確度。

2）在測定減阻效果與剪切時(shí)間的關(guān)系時(shí)，得出在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為100mg/L時(shí)運(yùn)行50min即可達(dá)到穩(wěn)定，在聚丙烯酰胺質(zhì)量濃度為200mg/L和500mg/L時(shí)達(dá)到穩(wěn)定減阻效果只需30min。實(shí)驗(yàn)還得出，減阻效果隨減阻劑聚丙烯酰胺濃度的增大先增大后略有減小，減阻劑存在一個(gè)最佳濃度，實(shí)驗(yàn)條件下最佳質(zhì)量濃度為500mg/L。

3）對聚丙烯酰胺和聚氧化乙烯兩種減阻劑的減阻效果進(jìn)行了比較，在減阻劑質(zhì)量濃度均為500mg/L時(shí)，聚氧化乙烯的最佳減阻率為32.9％，而聚丙烯酰胺的最佳減阻率達(dá)到了45.6％。在研究減阻率與雷諾數(shù)的關(guān)系時(shí)發(fā)現(xiàn)，減阻率隨雷諾數(shù)的增加先增大后減小，最佳的雷諾數(shù)為14 154，對應(yīng)的流量為2.5m3/h，流速為2.21m/s。

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

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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

張克峰（1969— ），男，副教授，主要從事化工工藝和磷化工的研究。

解田

貴州省工業(yè)攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（黔科合GY字［2013］3044）。

聯(lián)系方式：chemostar@163.com