Widerstandsreduzierungsmittel – Wikipedia

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Mittel zur Reduzierung des Luftwiderstands (DRA) oder widerstandsreduzierende Polymere (DRPs), sind Additive in Rohrleitungen, die Turbulenzen in einem Rohr reduzieren. Sie werden normalerweise in Erdölpipelines verwendet und erhöhen die Pipelinekapazität, indem sie Turbulenzen reduzieren und die laminare Strömung erhöhen.[1]

Beschreibung[edit]

Widerstandsreduzierende Mittel können grob eingeteilt werden [2] unter den folgenden vier Kategorien – Polymere, Feststoffsuspensionen, biologische Additive und Tenside. Diese Mittel bestehen aus hochmolekularen Polymeren oder mizellaren Systemen. Die Polymere helfen bei der Reduzierung des Luftwiderstands, indem sie Turbulenzen in den Ölleitungen verringern. Dadurch kann Öl bei niedrigeren Drücken durchgepumpt werden, was Energie und Geld spart. Obwohl diese Mittel zur Reduzierung des Luftwiderstands hauptsächlich in Ölleitungen verwendet werden, wird untersucht, wie hilfreich Polymere bei der Reduzierung des Luftwiderstands in Venen und Arterien sein könnten.

Wie es funktioniert[edit]

Die Verwendung von nur wenigen Teilen pro Million des Widerstandsreduzierers hilft, die Turbulenzen im Rohr zu reduzieren. Da das Öl gegen die Innenwand des Rohres nach oben drückt, drückt das Rohr das Öl wieder nach unten, wodurch eine Turbulenzwirbelung auftritt, die eine Widerstandskraft erzeugt. Wenn das Polymer hinzugefügt wird, interagiert es mit dem Öl und der Wand, um den Kontakt des Öls mit der Wand zu verringern.

An den Polymeren kann es während des Fließens zu einem Abbau kommen. Aufgrund des Drucks und der Temperatur auf den Polymeren ist es leichter, sie abzubauen. Aus diesem Grund wird das widerstandsreduzierende Mittel nach Punkten wie Pumpen und Kurven, an denen der Druck und die Temperatur besonders hoch sein können, erneut eingespritzt. Um einen Abbau bei hoher Temperatur zu verhindern, wird manchmal eine andere Klasse von widerstandsreduzierenden Mitteln verwendet, nämlich Tenside.[3]Tensid ist eine sehr bequeme Verkürzung des Begriffs Oberflächenaktives Mittel. Es bezeichnet ein organisches Molekül oder eine nicht formulierte Verbindung mit oberflächenaktiven Eigenschaften. Alle drei Tensidklassen, nämlich anionische, kationische und nichtionische Tenside, wurden erfolgreich als widerstandsreduzierende Mittel erprobt.[4]

Zu wissen, was den idealen Widerstandsreduzierer hervorbringt, ist der Schlüssel in diesem Prozess. Ideale Moleküle haben ein hohes Molekulargewicht, eine Beständigkeit gegen Scherzersetzung, lösen sich schnell in allem, was sich im Rohr befindet, auf und weisen eine geringe Zersetzung in Hitze, Licht, Chemikalien und biologischen Bereichen auf.

Bei der Widerstandsreduzierung spielen viele Faktoren eine Rolle, wie gut der Widerstand reduziert wird. Ein wesentlicher Faktor dabei ist die Temperatur. Bei einer höheren Temperatur ist das widerstandsreduzierende Mittel leichter abzubauen. Bei einer niedrigen Temperatur neigt das widerstandsreduzierende Mittel dazu, sich zusammenzuballen. Dieses Problem kann jedoch leichter gelöst werden als der Abbau, indem eine andere Chemikalie, wie beispielsweise Aluminium, hinzugefügt wird, um die intermolekulare Anziehungskraft des widerstandsreduzierenden Mittels zu verringern.

Andere Faktoren sind der Rohrdurchmesser, die innere Rauheit und der Druck. Der Widerstand ist bei Rohren mit kleinerem Durchmesser höher. Je rauer die Innenfläche des Rohres ist, desto höher ist der Widerstand oder die Reibung, die durch die Reynold-Zahl gemessen wird. Eine Erhöhung des Drucks erhöht den Durchfluss und verringert den Luftwiderstand, wird jedoch durch den maximalen Nenndruck des Rohres begrenzt.

Einsatzgebiete[edit]

Widerstandsreduzierende Mittel haben sich bei der Verringerung von Turbulenzen in der Schiffbauindustrie, bei Brandbekämpfungsvorgängen, bei Ölbohrloch-Bruchprozessen,[5] in Bewässerungssystemen und in Zentralheizungsanlagen. Widerstandsreduzierer können in verschiedenen Bereichen eingesetzt werden. Am beliebtesten sind Rohöl, raffinierte Produkte und nicht trinkbares Wasser. Derzeit gibt es mehrere Studien mit laufenden Tests an Ratten, die untersuchen, ob Widerstandsreduzierer den Blutfluss unterstützen können.

Geschichte[edit]

Die frühesten Arbeiten, die eine Abnahme des Druckabfalls während turbulenter Strömungen verzeichneten, wurden in den dreißiger Jahren durchgeführt[6][7][8] und betraf den Transport von Zellstoff. Dies wurde jedoch nicht explizit als ein Widerstandsreduktionsphänomen bezeichnet. Toms[9] war der erste, der die enorme Verringerung der Wandschubspannung erkannte, die durch die Zugabe einer kleinen Menge linearer Makromoleküle zu einer turbulent strömenden Flüssigkeit verursacht wird. Eine umfangreiche Bibliographie der ersten 25 Jahre der Luftwiderstandsreduzierung durch Polymeradditive identifizierte über 270 Referenzen.[10]

Widerstandsreduzierer wurden in den frühen 1970er Jahren von Conoco Inc. auf den Markt gebracht.[11] (jetzt bekannt als LiquidPower Specialty Products Inc. (LSPI), ein Unternehmen von Berkshire Hathaway). Seine Verwendung hat es ermöglicht, die traditionelle Kapazität von Pipelinesystemen stark zu erhöhen und die Lebensdauer bestehender Systeme zu verlängern. Die höheren Durchflussraten, die bei langen Rohrleitungen möglich sind, haben auch das Potenzial für Druckstöße bei älteren Systemen erhöht, die zuvor nicht für hohe Geschwindigkeiten ausgelegt waren.

Sowohl proprietäre (wie Conoco T-83) als auch nicht proprietäre (wie Polyisobutylen) Additive zur Reduzierung des Luftwiderstands wurden vom Forschungs- und Entwicklungszentrum für Mobilitätsausrüstung der US-Armee zur Verbesserung militärischer Erdölpipelinesysteme bewertet.[12]

Verweise[edit]

  1. ^ “Wie Drag-Reduction Agents funktionieren”. www.liquidpower.com. LiquidPower Spezialprodukte Inc. Abgerufen 4. August 2017.
  2. ^ Shenoy, Aroon (2020). Rheologie von widerstandsreduzierenden Flüssigkeiten. Springer Internationaler Verlag. P. 184. doi:10.1007/978-3-030-40045-3. ISBN 978-3-030-40044-6.
  3. ^ Shenoy, AV (1976). „Widerstandsreduktion mit Tensiden bei erhöhten Temperaturen“. Rheologica Acta. fünfzehn (11-12): 658-664. mach:10.1007/BF01524753. S2CID 96719336.
  4. ^ Shenoy, AV (1984). „Eine Überprüfung zur Reduzierung des Luftwiderstands unter besonderer Berücksichtigung von mizellaren Systemen“. Kolloid- und Polymerwissenschaft. 262 (4): 319–337. mach:10.1007/BF01410471. S2CID 95769134.
  5. ^ Fink, Johannes Karl (2012-01-01), Fink, Johannes Karl (Hrsg.), “Kapitel 12 – Widerstandsreduzierer”, Leitfaden für Erdölingenieure zu Ölfeldchemikalien und -flüssigkeiten, Boston: Gulf Professional Publishing, S. 379–389, ISBN 978-0-12-383844-5, abgerufen 2021-02-02
  6. ^ Forrest, G. (1931) Paper Trade J, Vol. 2, No. 22, s. 298.
  7. ^ Brautlecht, CA und Sethi, JR (1933) Ind. Eng. Chem., vol. 25, s. 283.
  8. ^ Brecht, W. und Heller, H. (1939) Das Papier p. 264.
  9. ^ Toms, BA (1948) Proc. 1. Praktikant Kongress für Rheologie, Bd. II, S. 135-141, Nordholland, Amsterdam.
  10. ^ Nash, JM; Wylie, KF (Oktober 1975). „Ein Leitfaden zur Reduzierung des Luftwiderstands durch Polymeradditive“. Vorschau der Wärme- und Stoffübertragung. 2 (1): 70–87.
  11. ^ “LSPI-Zeitleiste”. www.liquidpower.com. LiquidPower Spezialprodukte Inc. Abgerufen 4. August 2017.
  12. ^ Treiber, KL; Nash, JM; Neradka, VF (1975). „Military Pipeline Experience mit Drag Reduction Additives“. Strömungsmechanik in der Erdölindustrie, American Society of Mechanical Engineers: 37–41.