Khảo sát ảnh hưởng của một số yếu tố đến khả năng giảm lực cản của dung dịch surfactant

Bài báo này nghiên cứu về ảnh hưởng của đường kính ống, nồng độ chất counter-ion và surfactant trong một số dung dịch chất hoạt động bề mặt surfactant với các nồng độ khác nhau khi dòng dung dịch chảy rối bên trong một đường ống tròn kín. Khi tăng nồng độ counter-ion giúp mở rộng miền giảm lực cản của dung dịch surfactant theo số Reynolds tới số Reynolds lớn hơn.

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 KHẢO SÁT ẢNH HƯỞNG CỦA MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN KHẢ NĂNG GIẢM LỰC CẢN CỦA DUNG DỊCH SURFACTANT INVESTIGATE THE EFFECTS OF FACTORS TO THE DRAG REDUCTION OF SURFACTANT SOLUTION Nguyễn Trọng Dũng1,*, Nguyễn Văn Thành2, Nguyễn Anh Tuấn1 TÓM TẮT Bài báo nghiên cứu ảnh hưởng đường kính ống, nồng độ chất counter-ion surfactant số dung dịch chất hoạt động bề mặt surfactant với nồng độ khác dòng dung dịch chảy rối bên đường ống trịn kín Khi tăng nồng độ counter-ion giúp mở rộng miền giảm lực cản dung dịch surfactant theo số Reynolds tới số Reynolds lớn Với dung dịch 800ppmx10, khả giảm lực cản tăng lên đến số Reynolds khoảng 60000, mức tối đa cơng suất bơm hệ thống thí nghiệm, tiếp tục có xu hướng tăng nữa, dung dịch 800ppmx1 cho khả giảm lực cản tới số Reynolds khoảng 55000 Dung dịch có nồng độ surfactant cao (800ppmx1) cho phần trăm giảm lực cản cao (cao khoảng 39% ứng với số Reynolds khoảng 45000) mở rộng miền giảm lực cản theo số Reynolds (tới số Reynolds lớn khoảng 55000) so với dung dịch có nồng độ surfactant thấp (500ppmx1) với phần trăm giảm lực cản cao khoảng 35% ứng với số Reynolds khoảng 40000, miền giảm lực cản tới số Reynolds lớn khoảng 47000 Ống có đường kính 10mm cho khả giảm lực cản tốt ống 40mm, lớn đạt tới 60% ứng với số Reynolds khoảng 30000, ống đường kính 40mm đạt lớn khoảng 40% ứng với số Reynolds khoảng 40000 Từ khố: Giảm lực cản, dịng chảy rối, surfactant, counter-ion, đường kính ống ABSTRACT This paper investigates the effects of tube diameter, counter-ion and surfactant concentrations in a number of surfactant solutions at different concentrations when the solution flow is turbulent within a circular pipe private Increasing the counter-ion concentration expands the region of drag reduction of the surfactant solution according to the Reynolds number to a larger Reynolds number With 800ppmx10 solution, the reduction in drag increases to Reynolds number about 60000, the maximum pumped capacity of the test system, and continues to increase further, while the 800ppmx1 solution offers a reduced capacity resistance up to Reynolds about 55000 Solutions with a higher concentration of surfactant (800ppmx1) give a higher percentage of drag reduction (the highest is about 39% for Reynolds number about 45000) and expands the region of drag reduction of the surfactant solution according to the Reynolds number (up to a maximum Reynolds number about 55000) compared with a solution with lower surfactant concentration (500ppmx1) with the highest percentage reduction of drag of about 35% corresponding to a Reynolds number of about 40000, the region of resistance to maximum Reynolds number 47000 Pipe diameter of 10mm provides better resistance reduction than 40mm tube, maximum is 60%, with Reynolds number about 30000, while 40mm pipe only reaches 40% maximum with Reynolds number about 40000 Keywords: Drag reduction, turbulent flow, surfactant, counter-ion, pipe diameter Khoa Cơ khí, Đại học Thủy Lợi Trường Đại học Công nghiệp Hà Nội * Email: nguyentrongdung1302@tlu.edu.vn Ngày nhận bài: 03/01/2021 Ngày nhận sửa sau phản biện: 20/3/2021 Ngày chấp nhận đăng: 25/4/2021 54 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) ĐẶT VẤN ĐỀ Giảm lực cản biết đến từ kỷ trước với nồng độ nhỏ (vài µg/g) polyme chất phụ gia hoạt tính bề mặt dung dịch chất lỏng làm giảm lực cản dòng chảy rối đường ống so với chất lỏng tinh khiết Hiện tượng lần giới thiệu Toms vào năm 1948, thu hút ý nhiều nhà nghiên cứu từ năm 1960 Sự quan tâm tới vấn đề phạm vi nghiên cứu tăng lên không tầm quan trọng tượng lĩnh vực học chất lỏng lưu biến học, mà từ thực tế ứng dụng chất phụ gia cho phép tiết kiệm đáng kể tiêu thụ lượng để vận chuyển chất lỏng [2] Một số lượng lớn báo xuất mơ tả khía cạnh khác tượng giảm lực cản Virk đưa từ thí nghiệm đường tiệm cận tối ưu việc giảm lực cản tối đa thể hàm số Reynolds [3] Giảm lực cản dịng chảy rối thu cách bổ sung sợi hóa học Ứng dụng giảm lực cản gia tăng tốc độ dịng chảy đường ống dẫn dầu thơ Hơn nữa, phụ gia polyme ngăn ngừa tắc ứ cống rãnh cách tăng tốc độ dòng chảy thời gian tải mưa lớn Một vấn đề việc sử dụng phụ gia polyme mạch kín suy thối, tức là, polyme bị thuộc tính giảm lực cản chúng thay đổi thông số phân tử chúng Tuy nhiên, ứng dụng thực tế mạch kín, hệ thống sưởi trung tâm, làm mát hệ thống điều hịa khơng khí, việc sử dụng Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 chất hoạt động bề mặt ngăn chặn xuống cấp Một số tác giả phát khơng có thối hóa xảy khoảng thời gian dài dung dịch chất hoạt động bề mặt "Surfactant" cách viết tắt tiện lợi "chất hoạt động bề mặt" Trong số chất hoạt động bề mặt sử dụng để giảm lực cản, phải phân biệt chất hoạt động bề mặt không ion, chất hoạt động bề mặt anion, chất hoạt động bề mặt cation Nhược điểm chất hoạt động bề mặt anion, chủ yếu muối chất béo axit, chúng tạo thành muối khơng hịa tan với canxi ion magiê có nước máy nước biển Nhược điểm tránh kết hợp chất hoạt động bề mặt cation hexadecyltrimethylammonium bromide, thường gọi CTAB, 1-naphthol Như vậy, phụ gia thêm vào chất hoạt động bề mặt giúp tăng hiệu sử dụng để giảm lực cản [4] Tuy nhiên, khả giảm lực cản dung dịch surfactant chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố như: nồng độ surfactant, phụ gia, nhiệt độ dung dịch, đường kính ống,… Mục đích nghiên cứu khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng nồng độ phụ gia counter-ion, surfactant đường kính ống đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant dịng chất lỏng chảy rối đường ống trịn kín THIẾT LẬP THÍ NGHIỆM 2.1 Dung dịch sử dụng thí nghiệm Dung dịch thí nghiệm sử dụng hoạt chất bề mặt Surfactant, surfactant cation hexadecyl trimethyl ammonium bromide (CTAB) sản xuất công ty Glentham (Đức) Counter-ion (Sodium salicylate - C7H5NaO3) sản phẩm công ty DEAJUNG (Hàn Quốc) Trong nghiên cứu này, dung dịch surfactant với nồng độ 500ppm 800ppm kết hợp với counter-ion có nồng độ gấp 10 lần theo phân tử Mol sử dụng Ký hiệu dung dịch thí nghiệm 500ppmx1, 800ppmx1 800ppmx10 Các dung dịch surfactant pha nước máy từ nguồn cung cấp thành phố lọc Sau pha chế xong, dung dịch thí nghiệm giữ thời gian 24 để đảm bảo cân lí hóa trước sử dụng dạng hàm vận tốc trượt (hình 1) với nhiệt độ đo 20 ± 10C Độ nhớt dung dịch surfactant-counterion 500ppmx1 800ppmx1 giảm dần tốc độ trượt tăng Trong dung dịch 800ppmx10 với nồng độ counterion tăng lên 10 lần có tăng đột ngột khoảng tốc độ trượt từ 10 đến 1000 (s-1) Điều cho thấy nồng độ counter-ion có ảnh hưởng đến độ nhớt dung dịch làm xuất đặc tính rheology bất thường dung dịch thí nghiệm Các đặc tính rheology bất thường xuất dịng chảy ảnh hưởng trượt (shear) ảnh hưởng đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant 2.2 Mơ tả thí nghiệm Hệ thống thí nghiệm mơ tả hình Dung dịch thí nghiệm luân chuyển hệ thống bơm EBARA (Nhật bản) có cột áp 15m, lưu lượng 13L/min, với nhiệt độ dung dịch 20 ± 2°C Lưu lượng dịng chảy qua ống thí nghiệm đo thiết bị đo dòng điện tử Keyence, model FD-M50L (Nhật Bản) Ống thí nghiệm ống trịn có đường kính 40mm 10mm, chiều dài tương ứng 6m 2m Hai đầu đo đặt đường ống thí nghiệm cho đầu đo thứ cách đầu ống >1,0m để tránh ảnh hưởng lối vào lên kết đo, đầu đo thứ hai đặt cách đầu đo thứ L = 0,5m L = 1,2m Độ chênh lệch áp suất hai đầu đo đo cảm biến áp suất (sensor) Validyne, model DP15-22 (Mỹ) Các cảm biến kết nối với máy tính thơng qua xử lý liệu DrDAQ sử dụng phần mềm Picolog6 (a) Sơ đồ hệ thống Hình Độ nhớt trượt hàm tốc độ trượt Độ nhớt trượt (shear viscosity) dung dịch thí nghiệm đo thiết bị 6152020 FR MMA đường kính nón 20mm Độ nhớt dung dịch biểu diễn Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn (b) Hình ảnh thực tế Hình Hệ thống thí nghiệm Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 55 KHOA HỌC CÔNG NGHỆ P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 2.3 Hệ số ma sát thành ống Từ sở lý thuyết, nhận giảm lực cản phụ thuộc vào hai yếu tố: Số Reynolds hệ số ma sát Số Reynolds định nghĩa theo công thức [6]: V.D Re w  (1) w Trong đó: ʋw - độ nhớt động học nước, (m2/s); D - đường kính ống, (m); V - vận tốc trung bình, (m/s) Hệ số ma sát λ tính theo cơng thức: D 2.p  (2) L .V Trong đó, ∆p độ chênh áp hai điểm đo có khoảng cách L Ở vùng chảy tầng, dung dịch surfactant chưa cho thấy giảm hệ số ma sát, hệ số ma sát xác định theo công thức [6]: 64  (3) Re w (b) Giảm lực cản DR (%) Hình Ảnh hưởng nồng độ surfactant đến khả giảm lực cản 3.2 Ảnh hưởng nồng độ counter-ion Tỉ lệ giảm lực cản với dịng ống chảy rối tính theo phần trăm (%) sau:   DR (%)  S 100 (4) S Trong đó, λs λ tương ứng hệ số ma sát nước dung dịch giảm lực cản Trong vùng chảy rối, hệ số ma sát nước xác định theo công thức Blasius [5]: (5)   0,3164Re1/4 Zakin xây dựng đường tiệm cận giảm lực cản lớn dung dịch giảm lực cản surfactant [1]:   1,26Re0,55 (6) KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Ảnh hưởng nồng độ surfactant Hình cho thấy nồng độ surfactant dung dịch có ảnh hưởng đến khả giảm lực cản Dung dịch có nồng độ surfactant cao (800ppmx1) cho phần trăm giảm lực cản cao (cao khoảng 39% ứng với số Reynolds khoảng 45000) có miền giảm lực cản rộng theo số Reynolds (với số Reynolds lớn khoảng 55000) so với dung dịch có nồng độ surfactant thấp (500ppmx1) với phần trăm giảm lực cản cao khoảng 35% ứng với số Reynolds khoảng 40000, miền giảm lực cản tới số Reynolds lớn khoảng 47000 (a) Hệ số ma sát thành ống, d = 40mm 56 Tạp chí KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ ● Tập 57 - Số (4/2021) (a) Hệ số ma sát thành ống, d = 40mm (b) Giảm lực cản DR (%) Hình Ảnh hưởng nồng độ counter-ion đến khả giảm lực cản Hình cho thấy ảnh hưởng nồng độ counter-ion đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant tăng số Reynolds Dung dịch surfactant chứa Counter-ion (800ppmx1) cho khả giảm lực cản lớn khoảng 39% số Reynolds khoảng 45000 Khi tiếp tục tăng số Reynolds tượng giảm lực cản dung dịch giảm dần, hệ số ma sát thành ống dung dịch trở gần với hệ số ma sát nước (tới số Reynolds khoảng 55000) Tuy nhiên tăng nồng độ counter-ion lên gấp 10 lần, dung dịch 800ppmx10 cho thấy tăng khả giảm lực cản số Reynolds tăng lên 60000 tiếp tục tăng hết công suất bơm thí nghiệm Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn SCIENCE - TECHNOLOGY P-ISSN 1859-3585 E-ISSN 2615-9619 3.3 Ảnh hưởng đường kính ống KẾT LUẬN Nghiên cứu cho thấy sử dụng tổ hợp dung dịch surfactant counterion làm giảm hệ số ma sát  dòng chảy rối Mức độ giảm ma sát hay gọi giảm lực cản phụ thuộc vào nhiều yếu tố có nồng độ counter-ion, surfactant đường kính ống Khi tăng nồng độ counter-ion giúp mở rộng miền giảm lực cản dung dịch surfactant theo số Reynolds Với dung dịch 800ppmx10, khả giảm lực cản tăng lên đến số Reynolds khoảng 60000, mức tối đa công suất bơm hệ thống thí nghiệm, tiếp tục có xu hướng tăng nữa, dung dịch 800ppmx1 cho khả giảm lực cản tới số Reynolds khoảng 55000 Dung dịch có nồng độ surfactant cao (800ppmx1) cho phần trăm giảm lực cản cao (cao khoảng 39% ứng với số Reynolds khoảng 45000) mở rộng miền giảm lực cản theo số Reynolds (tới số Reynolds lớn khoảng 55000) so với dung dịch có nồng độ surfactant thấp (500ppmx1) với phần trăm giảm lực cản cao khoảng 35% ứng với số Reynolds khoảng 40000, miền giảm lực cản tới số Reynolds lớn khoảng 47000 Ống có đường kính 10mm cho khả giảm lực cản tốt ống 40mm, lớn đạt tới 60% ứng với số Reynolds khoảng 30000, ống đường kính 40mm đạt lớn khoảng 40% ứng với số Reynolds khoảng 40000 (a) Hệ số ma sát thành ống (b) Giảm lực cản DR (%) Hình Ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản Hình cho thấy ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản dung dịch surfactant Cùng số Reynolds đường kính ống khác hệ số ma sát khác Ống đường kính d = 10mm cho khả giảm lực cản lớn cao so với ống có đường kính 40 mm khảo sát với dung dịch 500ppmx1 Ống có đường kính 10mm cho khả giảm lực cản lên đến 60% ống có đường kính 40mm đạt khoảng 35% Tuy nhiên ống có đường kính 40mm có miền giảm lực cản lớn (giảm lực cản tới số Reynolds lớn hơn) Như vậy, dung dịch surfactant ống có đường kính nhỏ cho khả giảm lực cản số Reynolds tối ưu cao so với ống có đường kính lớn số Reynolds tối ưu, điều ngược với dung dịch Polyme kết nghiên cứu giảm lực cản M Dugonik, D Goricanec, J krope Đại học Maribor Smetanova ul 17 [2] sử dụng dung dịch Polymer Habon G solution, cho kết ống có đường kính lớn giảm lực cản tốt có miền giảm lực cản rộng theo số Reynolds so với ống có đường kính nhỏ Trên thực tế, đường ống dẫn dầu thơ có đường kính lớn người ta thường sử dụng dung dịch Polyme Vấn đề đường kính ống chưa hiểu đầy đủ cần tiếp tục nghiên cứu để làm rõ ảnh hưởng để tìm quy luật cơng thức toán khả giảm lực cản tối ưu với đường kính ống dung dịch surfactant dung dịch Polyme Website: https://tapchikhcn.haui.edu.vn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] J.L Zakin, J Myska, Z Chara, 1996 New limiting drag reduction and velocity profile asymptotes for nonpolymeric additives systems AIChE J., vol 42, no 12, pp 3544–3546 [2] M Dugonik, D Goricanec, J Krope, 2000 Pressure Drop in Aqueous Surfactant Solution Flow through Pipes in SIS Structure Degradation Zone Faculty of Chemistry and Chemical Engineering University of Maribor Smetanova ul 17, Maribor Slovenia [3] K Schmitt, P O Brunn, F Durst, 1988 Scaling-up correlations for dragreducing surfactants in Progress and Trends in Rheology 2: Proceedings of the Second Conference of European Rheologists, Prague, June 17–20, 1986, edited by H Gieskus et al (Springer Verlag, Berlin) [4] H.W Bewersdorff, D Ohlendorf, 1988 The Behavior of Drag Reducing Cationic Surfactant Solutions Colloid and Polymer Science 226 (10), 941-953 [5] Blasius H., 1913 Das Ahnlichkeitsgesetz bei Reibungsvorg angen in Flussigkeiten Forsch Arb Ing 134 [6] Thuy Loi University Bai giang Co hoc chat long AUTHORS INFORMATION Nguyen Trong Dung1, Nguyen Van Thanh2, Nguyen Anh Tuan1 Faculty of Mechanical Engineering, Thuy Loi University Hanoi University Of Industry Vol 57 - No (Apr 2021) ● Journal of SCIENCE & TECHNOLOGY 57 ... với số Reynolds khoảng 40000 (a) Hệ số ma sát thành ống (b) Giảm lực cản DR (%) Hình Ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản Hình cho thấy ảnh hưởng đường kính ống đến khả giảm lực cản dung. .. Số (4/2021) (a) Hệ số ma sát thành ống, d = 40mm (b) Giảm lực cản DR (%) Hình Ảnh hưởng nồng độ counter-ion đến khả giảm lực cản Hình cho thấy ảnh hưởng nồng độ counter-ion đến khả giảm lực cản. .. giảm lực cản [4] Tuy nhiên, khả giảm lực cản dung dịch surfactant chịu ảnh hưởng nhiều yếu tố như: nồng độ surfactant, phụ gia, nhiệt độ dung dịch, đường kính ống,… Mục đích nghiên cứu khảo sát