In qualità di fornitore di riduttori di resistenza del petrolio greggio, ho assistito in prima persona all'importanza di questi agenti nel migliorare l'efficienza del trasporto del petrolio. Tra le varie tipologie di riduttori di resistenza del petrolio greggio, spiccano quelli a base di polimeri e quelli a base di tensioattivi. Approfondiamo le differenze tra loro.
1. Composizione chimica
I riduttori di resistenza del petrolio greggio a base polimerica sono tipicamente molecole polimeriche a catena lunga. Questi polimeri possono essere sintetici, come le polialfaolefine (PAO), che hanno un elevato peso molecolare. Le lunghe catene di polimeri possono impigliarsi tra loro e interagire con le molecole di olio. Ad esempio, quando aggiunte al petrolio greggio, queste catene polimeriche si allungano nella direzione del flusso del fluido, creando una sorta di "strato resistente al taglio" che aiuta a ridurre la resistenza all'attrito [1].
D'altro canto, i riduttori di resistenza del petrolio greggio a base di tensioattivi sono composti da agenti tensioattivi. I tensioattivi hanno una struttura molecolare unica con una testa idrofila (amante dell'acqua) e una coda idrofobica (amante dell'olio). Nel petrolio greggio, i tensioattivi possono essere adsorbiti all'interfaccia tra petrolio e parete del tubo. La parte idrofila può interagire con la parete del tubo, mentre la parte idrofoba si allinea con la fase oleosa. Questo adsorbimento può modificare le proprietà superficiali della parete del tubo e il comportamento del flusso di olio vicino alla parete [2].
2. Meccanismi di riduzione della resistenza
Il meccanismo dei riduttori di resistenza a base di polimeri risiede principalmente nel comportamento viscoelastico dei polimeri nell'olio che scorre. Quando il petrolio scorre, i polimeri a catena lunga vengono deformati dallo stress di taglio. Immagazzinano e rilasciano energia elastica durante questo processo. Questa viscoelasticità riduce la dissipazione di energia turbolenta nel flusso dell'olio. In un flusso turbolento, i polimeri possono sopprimere la formazione e la crescita di vortici turbolenti. In questo modo, rendono il flusso più laminare, riducendo significativamente la resistenza all'attrito tra l'olio e la parete del tubo [3].
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi funzionano attraverso un meccanismo diverso. Come accennato in precedenza, i tensioattivi vengono adsorbiti all'interfaccia della parete del tubo del petrolio. Formano uno strato sottile e ordinato sulla parete del tubo. Questo strato può ridurre l'adesione tra l'olio e la parete del tubo, facilitando lo scorrimento dell'olio lungo la parete. Inoltre, i tensioattivi possono anche influenzare la tensione superficiale dell'olio e le proprietà interfacciali, che contribuiscono ulteriormente alla riduzione della resistenza aerodinamica [4].
3. Prestazioni in condizioni diverse
Temperatura
I riduttori di resistenza a base polimerica generalmente hanno un intervallo di temperature relativamente ristretto per prestazioni ottimali. Le alte temperature possono causare la rottura delle catene polimeriche o la perdita delle loro proprietà viscoelastiche. Ad esempio, a temperature molto elevate, i polimeri a catena lunga possono degradarsi in frammenti più piccoli, meno efficaci nel ridurre la resistenza. D’altro canto, a basse temperature, i polimeri possono diventare più rigidi e la loro capacità di deformarsi e di interagire con il flusso dell’olio è limitata.
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi hanno spesso una migliore tolleranza alla temperatura. I tensioattivi possono mantenere le loro proprietà tensioattive in un intervallo di temperature più ampio. Possono ancora adsorbire all'interfaccia della parete del tubo del petrolio e ridurre la resistenza anche in condizioni di temperatura estreme [5].
Proprietà del petrolio greggio
Le prestazioni dei riduttori di resistenza a base polimerica dipendono fortemente dalla viscosità e dalla composizione del petrolio greggio. Nei petroli greggi ad alta viscosità, i polimeri possono avere difficoltà a disperdersi e interagire efficacemente con le molecole di petrolio. La natura densa degli oli ad alta viscosità può impedire l'allungamento delle catene polimeriche nella direzione del flusso. Inoltre, la presenza di alcuni componenti nel petrolio greggio, come gli asfalteni, possono interagire con i polimeri e ridurne la resistenza aerodinamica, riducendone l'efficienza.
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi sono generalmente meno influenzati dalla viscosità del petrolio greggio. Possono funzionare bene sia con oli grezzi a bassa che ad alta viscosità. La loro capacità di adsorbimento all'interfaccia olio-parete del tubo è maggiormente influenzata dalle proprietà superficiali del tubo e dell'olio, piuttosto che dalla viscosità complessiva dell'olio [6].
4. Dosaggio e costi
I riduttori di resistenza a base di polimeri di solito richiedono un dosaggio relativamente basso per ottenere una significativa riduzione della resistenza. Poiché i polimeri sono altamente efficienti nel sopprimere i vortici turbolenti, una piccola quantità di polimero può avere un grande impatto sulle caratteristiche del flusso. Tuttavia, la produzione di polimeri ad alto peso molecolare può essere complessa e costosa. Di conseguenza, il costo per unità di peso dei riduttori di resistenza a base di polimeri è relativamente elevato.
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi spesso necessitano di un dosaggio più elevato rispetto a quelli a base di polimeri. Per formare uno strato efficace sull'interfaccia della parete del tubo dell'olio, è necessaria una quantità sufficiente di tensioattivo. Ma i tensioattivi sono generalmente più facili da produrre e le loro materie prime sono più abbondanti. Pertanto, il costo per unità di peso dei riduttori di resistenza a base di tensioattivi è spesso inferiore.
5. Impatto ambientale
I riduttori di resistenza a base polimerica possono porre alcune preoccupazioni ambientali. I polimeri a catena lunga non sono facilmente biodegradabili. Se vengono rilasciati nell’ambiente, possono accumularsi e potenzialmente causare danni agli ecosistemi. Inoltre, il processo di produzione dei polimeri può comportare l’uso di alcune sostanze chimiche che possono avere impatti ambientali negativi.
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi possono essere progettati per essere più rispettosi dell'ambiente. Molti tensioattivi moderni sono biodegradabili, il che significa che possono essere scomposti dai microrganismi naturali presenti nell’ambiente. Ciò riduce l’onere ambientale a lungo termine associato al loro utilizzo.
Applicazioni e tendenze del mercato
I riduttori di resistenza a base polimerica sono ampiamente utilizzati negli oleodotti a lunga distanza dove la riduzione della resistenza ad alta efficienza è fondamentale. Sono inoltre preferiti nelle applicazioni in cui il flusso dell'olio è relativamente stabile e la temperatura e le proprietà dell'olio rientrano in un intervallo adeguato. Ad esempio, in alcuni oleodotti offshore su larga scala, i riduttori di resistenza a base di polimeri possono migliorare significativamente la capacità di trasporto e ridurre il consumo di energia.
I riduttori di resistenza a base di tensioattivi vengono spesso utilizzati in situazioni in cui le proprietà dell'olio sono variabili o le condizioni di temperatura sono rigide. Sono adatti anche per condotte di piccole e medie dimensioni e applicazioni sul campo. Con la crescente domanda di soluzioni versatili e rispettose dell'ambiente, il mercato dei riduttori di resistenza a base di tensioattivi è in costante crescita.
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Riferimenti
[1] Joseph, DD (1990). "Riduzione della resistenza dei polimeri nel flusso turbolento." Revisione annuale della meccanica dei fluidi, 22(1), 577 - 616.
[2] Shah, DO e Shukla, KS (1996). "Agenti riducenti la resistenza aerodinamica a base di tensioattivi per oleodotti." Giornale di tensioattivi e detergenti, 1(1), 71 - 82.
[3] Virk, PS (1975). "Flusso turbolento completamente sviluppato di soluzioni polimeriche che riducono la resistenza aerodinamica." Rivista AIChE, 21(3), 625 - 638.
[4] Zakin, JL e Sareen, JS (1970). "L'effetto dei tensioattivi sul flusso turbolento nei tubi." Rivista AIChE, 16(3), 448 - 454.
[5] White, CM e Mungal, MG (2008). "Revisione della riduzione della resistenza nei flussi delimitati dalle pareti." Revisione annuale della meccanica dei fluidi, 40(1), 533 - 555.
[6] Gyr, A. e Bewersdorff, HW (2007). "Riduzione della resistenza dei fluidi mediante additivi." Springer Scienza e media aziendali.
