KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - S85 (9/2023)
137
BÀI BÁO KHOA HC
NGHIÊN CỨU ẢNH HƯỞNG CỦA NỒNG ĐỘ GUAR GUM ĐẾN
KHẢ NĂNG GIẢM LỰC CẢN DÒNG CHẤT LỎNG HAI PHA
Nguyn Ngc Minh1
Tóm tắt: Sử dụng các chất phụ gia thiên nhiên để giảm thiểu lực cản ma sát trong vận chuyển chất lỏng
bằng đường ống ngày càng phbiến n. Nghiên cứu này xem xét hiệu quả của guar gum như phụ
gia giảm lực cản trong dòng chảy của hỗn hợp dầu-nước. Trong nghiên cứu này, guar gum (GG) được
sdụng làm chất giảm lực cản trong ống dẫn thẳng đường kính trong là 23 mm. Nồng độ của guar
gum thay đổi từ 50 đến 250 pm trong khi tỷ lệ dầu thay đổi là 0,25, 0,50 0,7. Trọng lượng phân tử
của polyme cũng được xác định để hiểu rõ hơn về nh hưởng của chúng đối với tính lưu biến của chất
lỏng. Kết quả cho thấy guar gum (polyme tự nhiên) hoạt động như chất giảm lực cản trong nước máy
tốt hơn so với trong hỗn hợp dầu-nước. Cụ thể, mức giảm lực cản (DR) của các dung dịch 200 pm guar
gum số Reynolds 106157 trong nước máy là 42,2%, trong khi với việc bổ sung 50% thành phần dầu,
nó đã giảm xuống 21,6%. Hơn nữa, DR giảm khi hàm lượng dầu tăng lên.
Từ khóa: Gim lc cn, guar gum, polyme sinh hc.
1. GIỚI THIỆU CHUNG *
Lực cản ma sát là nguyên nhân chính y tiêu
tán năng ợng trong hệ thống đường ống. Ma sát
này được hình thành do ng suất cắt phát triển
giữa chất lỏng và thành ống. Trong các ngành
công nghiệp n dng, các hệ thống bơm
chiếm tlệ tiêu thụ năng lượng rất lớn. Do đó, c
nhà nghiên cứu đang nỗ lực (Han and Choi 2017;
Rajappan and Mckinley 2019; Seo et al. 2021) tìm
kiếm các chất thay thế cũng như bổ sung một s
vật liệu polyme nhất định vào ng chất lỏng vận
chuyển để giảm lực cản ma sát, tđó giảm công
suất yêu cầu của bơm trong quá trình ứng dụng
thực đa. Gim lực cản (Drag reduction - DR) ln
đầu tiên được phát hiện bởi Toms năm 1949, ông
đã quan sát thấy lực cản dòng chảy giảm đáng kể
khi thêm mt vài phần triệu (ppm)
polymethylmethacrylate vào dung dịch
monochlorobenzene (Toms 1948). Các phgia sử
dụng làm chất giảm lực cản thể kể đến như
polyme, các chất hoạt tính bề mặt surfactant,
các th lng dạng sợi và c polyme nguồn
gốc thiên nhiên hoặc polyme sinh học. chế
tương tác chính xác của vật liệu với chất lỏng
1 Khoa Cơ khí, Trường Đại học Thủy lợi
mang lại sự giảm lực cản vẫn đang được nghiên
cứu và tranh luận mặc đã tiến hành nhiều thí
nghim (Anh Tuan and Mizunuma 2013; Liu and
Pine 1996; Myska, Zakin, and Chara 1995).
Lumley (Lumley 1969) tin rằng DR được gây ra
bởi sự kéo dài của chuỗi polyme. Ở đây, khi chuỗi
polyme cuộn ngẫu nhiên bkéo dài, đnhớt hiu
qutăng, do đó làm giảm ma sát thành tường
tăng ch thước của lớp nhớt dẫn đến DR quan sát
được. Virk (Virk and Wagger 1990) tin rng sự
tiếp xúc của dung dch polyme với dòng chảy ri
gây ra DR. Ông cũng đưa ra rng việc tăng năng
lưng cực đại của dòng chảy bên trong thảnh
hưởng đến DR. Hiện nay, nhiều nghiên cứu cho
rằng khi polyme dãn, sthay đổi hướng của hiu
ứng nhớt gây ra những thay đổi cấu trúc rối dẫn
đến hin tượng giảm lc cản (Boltenhagen et al.
1997; Liu and Pine 1996).
Người ta đã chứng minh rằng các chất phụ gia
polyme t nhiên kh năng chống phân hy
tương đương với các chất phụ gia tổng hợp của
chúng (Gimba 2020). Savins đã chứng minh rằng
nhiều loại gôm tự nhiên (Natural Gum) như guar
gum, đậu cào (locust bean), tuyết yến (tragacanth
gum), m trôm (karaya gum) và đậu bắp (okra
mucilage) th hiện hoạt động giảm lực cản trong
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - S 85 (9/2023)
138
nước y nước muối (Savins 1964; Sokhal,
Gangacharyulu, and Bulasara 2018). các loi
polyme nguốc gốc thiên nhiên như xanthan
gum, chitosan các loại polysaccaride ng là
những chất giảm lc cản tiềm năng (Novelli et al.
2019). Mặc dù, nhiều chất phụ gia polyme t
nhiên được biết đến với hiệu suất như tác nhân
giảm lực cản (DRAs) trong dòng chảy một pha,
nhưng các nghiên cứu điều tra các polyme này
trong việc tăng cường dòng chảy dầu-nước đa pha
còn hạn chế (Singh et al. 2009). Việc sử dụng gôm
t nhiên chưa được nghiên cứu trên ng chảy
nhiều pha.
Do đó, trong i báo này, tác giả sẽ tập trung
nghiên cứu nh hưởng của nồng độ guar gum
một loại polyme thiên nhiên đến khả năng giảm
lc cản của dòng chất lỏng hai pha dầu-nước.
2. CÁC VT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP
2.1. Nguyên vật liệu
Guar gum, cũng gọi là guaran, một
polysacarit galactomannan được chiết xuất từ hạt
guar đặc tính làm y ổn định hữu ích trong
các ứng dụng thực phẩm, thức ăn và công nghiệp.
Guar gum (GG) (Hindustan & Chemicals Ltd.) có
độ tinh khiết >95%, được mua ngoài thtrường
dạng bột và loại này khi sdụng không cần tinh
chế thêm. Dung dịch 10000 ppm được chuẩn b
riêng biệt với từng mẫu polyme. Dung dịch này
được chuẩn bị bằng cách lấy 30 g của mỗi mẫu
với sự hỗ trợ của cân điện tử (Jadever JBS-2203).
Từng mẫu được t nhẹ nhàng vào 3 lít nước y
đồng thời khuấy nhẹ để tránh vón cục để khử
đồng nhất các chất polyme khi trong hệ thống
polyme-ớc. Hỗn hợp được khuấy tốc đtối
thiểu trong khoảng 4 gibằng máy khuấy từ chậm
(MH800, Yamato-Sciencetific) để giảm ảnh
hưởng của hiệu ng cắt và sau đó đyên trong 12
giđể hydrat hóa thích hợp c hạt polyme. Dung
dịch thí nghiệm giảm lực cản sẽ được pha loãng t
dung dch này để được nồng độ cần thiết.
2.2. Xây dựng hệ thng thí nghiệm
H thống thí nghiệm trong Hình 1 (thiết kế
theo ý tưởng của Gimba và các cộng sự (Gimba
2020)) được sử dụng để đo giảm lực cản cho tất cả
các nồng đpolyme khi cho dòng chất lỏng chảy
qua một ống thẳng. bao gồm các phần xử lý,
điều chỉnh và th nghiệm. Phần xử lý hai bể
chứa riêng biệt dung tích 220 L tương ng cho
dầu (Mineral oil M5904, Sigma Aldrich) và nước
máy, và một bình tách trọng lực 250 lít. Phần điều
chỉnh bao gồm hai (2) máy bơm ly tâm (CDX
70/05, Ebara Pump), để tuần hoàn dầu và nước và
lưu lượng của hệ thống được đo bằng cảm biến
lưu lượng FD-M (Keyence Corp.). Tổn thất áp
suất được đo bằng cảm biến chênh lệch áp suất
DP15 (Valydine Corp.)
Hình 1. Sơ đồ hệ thống thí nghiệm giảm lực cản
Phần th nghiệm được tạo thành t ng dẫn
đường kính trong (ID) 23 mm được làm tpolyvinyl
clorua không hóa dẻo (uPVC). c đoạn ống được
ni với nhau bằng mặt ch để dễ dàng tháo lp và
điu chỉnh. Máym nhu động (Model: NE-9000G,
Era Peristatic Pump,.) vi độ chính c 2% được
ng để cấp polyme vào mạch.
B phân tách và thùng chứa được b trí như
hình vẽ để tạo hỗn hợp theo tỷ lệ nhất định. Cả hai
cht lỏng gặp nhau tại điểm nối Y tạo góc 30° đ
đảm bảo sự trộn lẫn tối thiểu của c chất lỏng
đầu vào của phần thử nghiệm. Đầu đo chênh lệch
áp suất (cách nhau 0,5 m) được đặt cách 4 m so
với đầu vào của phần th nghim để đảm bảo
dòng chảy được phát triển đầy đủ trước khi thực
hiện các phép đo giảm áp suất. Hỗn hợp sau đó
được chảy trở lại thiết b pn tách, nơi cả hai hỗn
hp được phân tách bng trọng lực. Nước nặng
hơn dầu được phép chảy vào bồn từ đáy bphân
tách, trong khi dầu được về thùng dầu. Dầu
khoáng được sử dụng trong thí nghiệm y có độ
nhớt 3,5 cP và khối lượng riêng là 840 kg/m3.
2.2.1. Đo khối lượng phân t
Dung dịch polyme 0,05 g/dl được điều chế từ
dung dịch guar gum đã pha trên. Sau đó, mỗi
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - S 85 (9/2023)
139
mẫu được pha loãng với sự hỗ tr của nhớt kế
mao dẫn Ostwald (VS 135) điều kiện i
trường xung quanh để thu được tlệ nước hòa tan
khác nhau trong khong từ 0,01 - 0,05 g/dl và c
độ nhớt khác nhau được ước tính.
Do đó, bằng cách thay thế độ nhớt nội tại vào
phương trình (1) (Paul C. Hiemenz and Lodge
2007), khối lượng phân tử sau đó được ước tính.
a
KM
(1)
Trong đó
là đ nhớt nội tại, M là khối
lưng phân tử trung bình, K và
a
là các hằng s
đối với hệ dung môi, nhiệt độ và polyme cthể.
25°C, đối với guar gum, K = 3,800 × 10-4 dl/g
a
(Venugopal 2010).
2.2.2. Đo giảm áp suất (ΔP)
Đầu tiên nh hưởng của nồng độ polyme đối
với nước máy sẽ được kiểm tra. Trong thí nghiệm
này, nồng độ polyme thay đổi từ 50 đến 250 ppm.
Thí nghiệm được thực hiện lưu lượng trong
khoảng từ 20 đến 75 t/phút. Tnghiệm bắt đầu
bằng cách bơm nước từ bể chứa của đến khu
vực thử nghiệm với tốc đ dòng chảy đo được.
Trong vòng tối thiểu 5 phút khi dòng chảy ổn
định, đo độ giảm áp suất. Sau đó, các nồng đ
polyme khác nhau đã được thêm vào các giá tr
v độ giảm áp suất được đo. Các thí nghiệm được
lặp lại ít nhất ba lần và g trtrung nh được ghi
lại với sai số/độ lệch nhỏ hơn 5%.
Để nghiên cứu ảnh hưởng của dầu đến tính năng
của c polyme thiên nhiên, thí nghiệm dòng du-
nước được thực hiện với lưu lượng hỗn hợp Q
(L/phút) thay đổi và t ldầu đầu vào lần ợt là
0,25, 0,5 và 0,75. c thí nghiệm được thực hiện
trong khoảng thời gian 60 phút để ngăn chặn sự gia
tăng nhiệt đ của pha dầu do hiệu ứng cắt của bơm
ly m. Trong mỗi thnghim được tiến hành (với
từng Re và t lệ dầu-nước cố định), ban đầu du
đưc bơm đến bộ phận điu chnh, tại đây dầu được
đo. Sau đó, nước được bơm đoơng tự trước khi
trộn với dầu tại điểm nối chY (Hình 1). Hỗn hp
sau đó đưc chảy đến phần ống thử nghiệm.
Đầu tiên, sau khi ng chảy trong hệ thống đạt
được sự ổn định trong vòng tối thiểu năm phút, đ
giảm áp suất
0
P
được đo tại các s Reynolds
khác nhau bằng cảm biến chênh lệch áp suất,
trường hợp này guar gum chưa được bơm vào
đường ống. Tiếp theo, sau khi kết thúc đo
0
P
,
dung dịch guar gum được bơm vào dòng nước
trước điểm giao nhau Y và đ giảm áp suất
P
cũng được đo tại các s Reynolds như trên.
Quy trình này được thực hiện cho các dung dịch
polyme có nồng độ khác nhau là 50, 100, 150 200,
250 ppm.
Để nghiên cứu nh hưởng của tỷ lệ dầu-nước
đến khả năng giảm lực cản của guar gum tác giả
đã thc hin thí nghiệm theo đúng quy trình trên
với các tỷ lệ khác nhau của dầu nước. Trong thí
nghim này, guar gum có nồng đlà 200 ppm. Đ
lập lại của dữ liệu thử nghiệm đã được kiểm tra
bằng cách thực hiện thử nghiệm ba lần và mức
trung bình được ghi nhận là dưới 5%.
Sau đó, tỷ l gim lực cản bằng polyme được
tính toán từ công thức (2) (Toms 1948) sử dụng áp
suất th nghiệm trong khi số Reynolds được tính
từ công thức (3) (Sommerfeld 1908).
% 100
o
o
P P
DR P
(2)
trong đó
o
P
đgiảm áp suất khi không sử
dụng phụ gia guar gum và
P
độ giảm áp suất
khi sử dụng phụ gia guar gum.
Re
VD
(3)
Trong đó:
khối lượng riêng của chất lỏng,
D
đường kính ống,
V
vận tốc trung bình
là độ nhớt.
3. CÁC KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN
3.1. Đo trọng lượng phân tử
Sau khi đo được độ nhớt với các nồng độ khác
nhau như tả trong phần 2.2.1, đồ thị thể hiện
mối quan hệ giữa nồng đguar gum độ nhớt
được thể hiện như hình 2. Bằng phép ngoại suy,
độ nhớt nội tại của guar gum được nh tương ứng
là 11,54 g/dl.
Bằng cách thay thế đ nhớt nội tại vào công
thức (1), khối lượng nguyên tử của guar gum được
tính tương ứng là 1329008 g/mol. Khối lượng
phân tđược tính gần với các giá tr được báo cáo
là 954000 g/mol đối với guar gum (Martin Alberto
2014). Skhác biệt về gtrtrọng lượng phân tử
được báo o bởi Martin Alberto (Martin Alberto
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - S 85 (9/2023)
140
2014) thlà do skhác biệt vloài hoặc mức
độ tinh chế của các mẫu được sử dụng.
Hình 2. Sự thay đổi độ nhớt của dung dịch theo
nồng độ guar gum
3.2. Ảnh hưởng của nồng độ polyme đến DR
Hình 3. nh hưng của nồng đ đến tỉ l gim lực cản
Ảnh hưởng của nồng độ polyme trong nước
máy đã được nghiên cứu các vận tốc nước khác
nhau được biểu thị bằng sReynolds và kết qu
được trình bày trong Hình 3. thquan sát thấy
rằng DR tăng lên khi tăng nồng đpolyme trước
khi đạt đến mức tương đối ổn định nồng độ
polyme lớn hơn 150 ppm. Điều này do khi nồng
độ polyme tăng lên, s nhiều phân tử polyme
tương tác với các xoáy bên trong dòng chy chính.
Điều này gây ra sự gia tăng rõ ràng về độ nhớt của
cht lỏng và do đó làm tăng DR quan sát được
(Abdulbari, Shabirin, and Abdurrahman 2014).
Vic ng thêm nồng độ polyme vượt quá giá tr
này không y ra sgia ng đáng kể trong việc
giảm lực cản. Điều này do đã đạt được nồng đ
cân bng chất lỏng-ph gia tối ưu vượt quá
mức đó thì không tác dụng nào được quan t
thấy (Hoyer, Gyr, and Tsinober 1995). Người ta
tin rằng các điểm nhiễu loạn trở nên bão hòa vi
polyme việc tăng thêm nồng đ polyme s
không làm giảm lực cản đáng kể (Hoyer, Gyr, and
Tsinober 1995). Tại điểm bão hòa này, polyme
không thkéo dài hơn nữa, do đó dẫn đến không
thay đổi hoặc trong hầu hết các trường hợp, gim
nh lực cản.
Những kết quả này cũng tiết lộ rằng hiệu suất
tối ưu của dung dịch polyme được nghiên cứu phụ
thuộc vào mức độ nhiễu loạn của dòng chảy. Bằng
cách ng lưu lượng bên trong các đường ống,
mức đnhiễu loạn ng sẽ tăng do đó cung cấp
môi trường thuận lợi hơn cho các dung dịch
polyme hot động. i chung, dựa trên các thí
nghim đã thc hiện, tất cả các nồng đđều giảm
lc cản trong phạm vi Re được nghiên cứu. Hầu
hết các kết quả thử nghiệm đều phù hợp tốt với
các công trình trước đây được công bố bởi nhiều
nhà nghiên cứu như Reddy Singh (Reddy and
Singh 1985) và Kulmatova (Kulmatova 2013).
Dựa trên mức giảm lực cn quan sát được, nồng
độ polyme là 200 ppm đã được chọn trong nghiên
cứu dòng dầu-nước nhiều pha để đảm bảo đạt
được mức giảm lực cản tối đa.
3.3. Ảnh hưởng của tỷ lệ thể tích dầu đầu
vào đến DR
Hình 4. nh hưng ca t l th tích du đến gim lc cn
Dựa trên những quan sát trong phần trước, hiệu
suất của các polyme trong dòng nước máy là
giống nhau. Do đó, nồng độ polyme 200 ppm
được chọn để nghiên cứu ảnh hưởng của dầu đến
tính năng của polyme tự nhiên trong dòng nước
máy và kết quả được thể hiện trong Hình 4. Có th
thấy rằng guar gum nhạy cảm với sự hiện diện của
dầu. dụ, t lệ dầu đầu vào 0,5 Re =
106157 (Q = 115L/phút), DR của guar gum giảm
từ 42,2 % xuống 21,6 %.
Nói chung, các kết quả thí nghiệm đã chứng
minh rng việc bổ sung dầu làm giảm hiệu suất
của các polyme trong dòng nước máy. Do đó, vic
tăng tỷ ldầu đầu vào sức chế stương tác của
KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - S 85 (9/2023)
141
các phân tpolyme vi pha nước (Dosumu et al.
2020; Edomwonyi-Otu, Gimba, and Yusuf 2020).
Nói cách khác, dầu đã ức chế sự kéo dài của chuỗi
polyme trong điều kiện nhiễu loạn do đó làm
giảm DR. Được biết, trọng lượng phân tử của
polyme càng cao thì càng nhiều polyme vướng
u được hình thành nhng điều này đã được
áp dụng để tăng cường giảm lực cản (Al-Yaari et
al. 2009).
4. KẾT LUẬN
Nghiên cứu này tập trung vào việc nghiên cứu
ảnh hưởng của nồng đguar gum đến khả năng
giảm lực cản cho dòng chất lỏng hai pha dầu-
nước. Kết quả nghiên cứu cho thy rằng, guar
gum kh năng gim lực cản dòng chảy tương
đối tốt, nồng đ200 ppm trong nước tlệ gim
lc cản là 42,2 % . Nhưng tỷ lệ giảm lực cản của
guar gum nồng đ200 ppm đối với dòng hai pha
dầu-nước vi tỷ lệ dầu 0,5 chỉ còn 21,6 %. Điu
này cho thấy rằng việc bổ sung dầu vào dòng
nước máy đã làm gim s tương tác của các
polyme t nhiên với nước. Các polyme tự nhiên
giảm lực cản tốt hơn trong nước so với hỗn hp
dầu-nước. Tuy nhiên, cần nghiên cứu sử dụng
nhiều loại polyme tự nhiên để giảm lực cản hơn để
xác nhận sự đúng đắn ca nhận định này.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
Abdulbari, Hayder A., Ainoon Shabirin, and H. N. Abdurrahman. 2014. “Bio-Polymers for Improving
Liquid Flow in Pipelines-A Review and Future Work Opportunities. Journal of Industrial and
Engineering Chemistry 20(4): 1157–70.
Al-Yaari, M. et al. 2009. “Effect of Drag Reducing Polymers on Oil-Water Flow in a Horizontal Pipe.”
International Journal of Multiphase Flow 35(6): 516–24.
Anh Tuan, Nguyen, and Hiroshi Mizunuma. 2013. “Advection of Shear-Induced Surfactant Threads and
Turbulent Drag Reduction. Journal of Rheology 57(6): 1819–32.
Boltenhagen, P., Yuntao Hu, E. F. Matthys, and D. J. Pine. 1997. “Inhomogeneous Structure Formation and
Shear-Thickening in Worm-like Micellar Solutions.” Europhysics Letters 38(5): 389–94.
Dosumu, Abdulwahid Ishola, Lawrence Chukwuka Edomwonyi-Otu, Nurudeen Yusuf, and Abdulkareem
Abubakar. 2020. “Guar Gum as Flow Improver in Single-Phase Water and LiquidLiquid Flows. Arabian
Journal for Science and Engineering 45(9): 7267–73. https://doi.org/10.1007/s13369-020-04429-2.
Edomwonyi-Otu, Lawrence C., Muhammad M. Gimba, and Nurudeen Yusuf. 2020. “Drag Reduction with
Biopolymer-Synthetic Polymer Mixtures in Oil-Water Flows: Effect of Synergy.” Engineering Journal
24(6): 1–10.
Gimba, M.M., Edomwonyi-Otu, L.C., Yusuf, N and Abubakar, A. 2020. “Synergistic Effect of Natural and
Synthetic Polymers as Drag Reducing Agents in Water Flow: Effect of Pipe Diameter.FUPRE Journal
of Scientific and Industrial Research 4(2): 2020.
Han, Wen Jiao, and Hyoung Jin Choi. 2017. Role of Bio-Based Polymers on Improving Turbulent Flow
Characteristics: Materials and Application. Polymers 9(6).
Hoyer, K., A. Gyr, and A. Tsinober. 1995. “On the Mechanism of Drag Reduction in Dilute Polymer
Solutions.” Applied Scientific Research 55(4): 289–95.
Kulmatova, D. 2013. Turbulent Drag Reduction by Additives. Universiteit van Amsterdam.
https://hdl.handle.net/11245/1.398395.
Liu, Chu Heng, and D. J. Pine. 1996. “Shear-Induced Gelation and Fracture in Micellar Solutions.
Physical Review Letters 77(10): 2121–24.
Lumley, J L. 1969. “Drag Reduction By 1 Additives.” Annual Review of Fluid Mechanics 1(8): 367–84.
Martin Alberto, Masuelli. 2014. “Mark-Houwink Parameters for Aqueous-Soluble Polymers and
Biopolymers at Various Temperatures.” Journal of Polymer and Biopolymer Physics Chemistry 2(2):
37–43.
Myska, Jiri, Jacques L. Zakin, and Zdenek Chara. 1995. Viscoelasticity of a Surfactant and Its Drag-
Reducing Ability. Applied Scientific Research 55(4): 297–310.