[논문]베인 레오미터를 이용한 왁스오일의 특성 연구

오경석

doi:10.12925/jkocs.2015.32.3.497

베인 레오미터를 이용한 왁스오일의 특성 연구
Characteristic evaluation of waxy oil behavior using vane rheometer 원문보기

한국유화학회지 = Journal of oil & applied science, v.32 no.3, 2015년, pp.497 - 504

초록
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심해유전개발 중 원유의 흐름보증과 관련하여 하이드레이츠, 아스팔텐, 무기물 침전 등이 주된 관심분야가 될 수 있으며, 특히 왁스에 대해서도 그 특성을 이해하는 것이 중요하다. 원유흐름 중단으로 인한 왁스가 젤을 형성하였을 경우에는, 원유의 흐름을 재시작하기 위해서는 높은 압력의 펌프를 가동해야 하는 어려움이 있다. 본 연구에서는 베인 레오미터를 사용하여 왁스 젤의 항복응력 측정을 통한 왁스 젤의 강도를 측정하고 예측하였다. 또한, 왁스 젤의 강도측정을 통해서 정성적, 정량적인 예측을 시도하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Apart from hydrates, asphaltenes, and inorganic minerals, paraffinic waxes are also very important in flow assurance area. Evaluation of wax gel behavior has been important as off-shore oil recovery becomes more popular in oil production. Restart after either planned or emergency shutdown requires pump operation in high pressure since a waxy oil forms troublesome gel. In this paper, vane method is introduced to determine wax gel strength by determining yield stress. Prediction of gel strength are discussed in qualitative and quantitative manners.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

왁스오일이 가진 젤화에 따른 젤의 강도는 베인 레오미터(vane rheometer)를 통해서 측정하였다. 베인(vane) 회전으로 인한 파괴된 젤 구조가 어느 정도 다시 회복될 수 있는지에 대한 평가를 시도하였다. 젤 강도 회복을 확인하기 위해서, 온도프로그램을 통해서 측정했던 젤화 온도이하로 추가 냉각하여 젤의 강도를 측정하였다.
본 연구에서는, 왁스량이 많은 왁스오일에 대한 물성연구들에 대해서 소개하였다. 왁스오일이 가진 젤화에 따른 젤의 강도는 베인 레오미터(vane rheometer)를 통해서 측정하였다.
실험결과는 문헌[17,18]에 제시되어 있다. 젤 구조가 베인의 회전으로 파괴되었을 경우에, 추가적으로 온도를 더 낮추게 될 경우의 젤 강도를 알아보기 위한 실험이었다. 먼저, 단순하게 두 개의 온도를 지정하여 각각 항복응력을 측정하였다.
석유자원 개발을 위해서 심해유전 개발이 많아짐에 따라, 왁스오일의 생산도 증가하게 되었고 왁스오일의 젤화에 대한 관심도 많아지게 되었다. 젤의 강도 측정방법으로는 원추-평판 레오미터를 많이 사용하였으며, 본 논문에서는 베인 레오미터에 의한 젤 강도 측정에 대하여 소개하였다. 왁스젤의 강도는 항복응력 측정을 통해서 평가하였다.

가설 설정

모델오일을 통해서 항복응력을 구한 값들의 비교를 통해서 정리한 것이다. 사용된 모델오일은 액상의 mineral oil 은 동일할 경우이고, 차이점은 다른 종류의 왁스 혹은 다른 함량의 왁스를 사용하여 제조한 것으로 가정한다. 먼저 다양한 모델 오일에서 항복응력은 온도가 낮아짐에 따라 모두 선형적으로 증가한 것을 알 수 있었다.

제안 방법

그림 2는 논문에 소개되었던 3가지 왁스들의 탄소수 분포를 고온 가스크로마토그래피(high temperature gas chromatography)로 측정한 결과이다. Wax-1 은 정유공장에서 나오는 저압증류잔사유(Low vacuum gas oil)이며[18], Wax-2 는 상업용 왁스(Chevron)[1], 그리고 Wax-3은 종류가 다른 상업용 왁스(ExxonMobil M140) [19] 제품의 탄소수 분포를 비교하여 나타내었다.
온도 T_a 과 T_c에서 측정된 항복응력은 τ_a와 τ_c로 온도에 따른 선형적 증가를 측정 온도 주위에서 예측할 수 있다. 계속된 항복응력 측정 실험은 젤이 파괴되고 난 후에 젤 강도를 다시 회복할 수 있는지 없는지를 평가하는 실험이었다. 베인(vane)을 측정하는 동안 파괴된 왁스젤 안에 그대로 두고, 일정시간 후 젤 강도를 다시 측정하였다.
같은 온도에서는, 시간이 흘러도 베인 측정동안 파괴된 젤은 원래의 젤로 회복되지 못하였다. 계속해서, 온도를 더 낮추어 젤의 강도를 평가하였다. 결과는 T_c에서 원래 갖고 있던 젤강도인 τc보다는 낮은 젤강도값(τ_d )으로 측정되었다.
053mm 인 v75를 시용하였다. 또한, 베인 레오미터의 토크값이 기기 측정범위인 100%를 넘어가는 경우에는, 베인을 50%만 시료에 잠기게 하여 측정하였다. 이때는 토크 측정값의 2배인 200%까지 환산하여 토크값을 구하였다.
증가하는 경향은 일정 온도범위 내에서 저온으로 내려감에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 왁스오일에 포함된 왁스성분의 정량과 정성적인 차이에 의해서 젤의 강도를 온도-젤강도 그래프에서 기울기 차이로 평가하였다.
젤 강도 회복을 확인하기 위해서, 온도프로그램을 통해서 측정했던 젤화 온도이하로 추가 냉각하여 젤의 강도를 측정하였다. 또한, 왁스오일에 포함된 왁스의 정량 및 정성적인 차이로 인한 왁스젤의 응력 예측을 시도하였다.
젤 구조가 베인의 회전으로 파괴되었을 경우에, 추가적으로 온도를 더 낮추게 될 경우의 젤 강도를 알아보기 위한 실험이었다. 먼저, 단순하게 두 개의 온도를 지정하여 각각 항복응력을 측정하였다. T_a 온도는 T_c보다 높은 온도이다.
본 연구에서는, 왁스량이 많은 왁스오일에 대한 물성연구들에 대해서 소개하였다. 왁스오일이 가진 젤화에 따른 젤의 강도는 베인 레오미터(vane rheometer)를 통해서 측정하였다. 베인(vane) 회전으로 인한 파괴된 젤 구조가 어느 정도 다시 회복될 수 있는지에 대한 평가를 시도하였다.
젤의 강도 측정방법으로는 원추-평판 레오미터를 많이 사용하였으며, 본 논문에서는 베인 레오미터에 의한 젤 강도 측정에 대하여 소개하였다. 왁스젤의 강도는 항복응력 측정을 통해서 평가하였다. 왁스오일로부터 젤이 형성되었을 때, 젤 강도는 온도가 낮아짐에 따라 증가하였다.
사용된 레오미터는 점도를 주로 측정하는데 널리 사용된다. 원추(cone) 대신 베인(vane)을 달고 토크(torque)를 측정하였다. 베인(vane) 측정법의 장점으로는 원추-평판형(cone-plate)에 비교한다면, 측정값의 편차를 줄일 수 있다는 장점이 있다.
그림 4(a)는 원추-평판법으로 항복응력을 측정할 경우에 많이 사용되는 방법을 나타낸 그림이다. 원추-평판법에서 측정한 전단속도에 의한 전단응력값을 그래프로 그린 후, 선형으로 y축절편의 전단응력을 내삽을 통해서 항복응력 값으로 정하는 개념도를 나타내었다. 그림4(b) 에서는 베인 레오미터에서 측정되는 토크값의 전형적인 형태를 나타내었다.
베인(vane) 회전으로 인한 파괴된 젤 구조가 어느 정도 다시 회복될 수 있는지에 대한 평가를 시도하였다. 젤 강도 회복을 확인하기 위해서, 온도프로그램을 통해서 측정했던 젤화 온도이하로 추가 냉각하여 젤의 강도를 측정하였다. 또한, 왁스오일에 포함된 왁스의 정량 및 정성적인 차이로 인한 왁스젤의 응력 예측을 시도하였다.
대표적인 측정 방법 중에 ASTM D2500[10]이 있다. 측정하고자 하는 시료를 담은 유리시험관을 주위 온도가 일정하게 유지되는(주로 0℃) 작은 항아리(jar) 형태의 용기에 담고, 시간에 따라 유리시험관 중앙에 설치한 온도계를 통해 내부 시료의 온도측정과 동시에 시료의 투명도를 함께 측정한다. 디젤 혹은 합성원유 등은 시료가 투명하기에 ASTM D2500 방법에 의해서 측정이 쉽다.

대상 데이터

%를 많이 사용한다[16,17]. 논문에 소개되는 모델오일들은 왁스를 액상의 오일(Mineral oil 혹은 kerosene 이 혼합된 mineral oil)에 녹여서 제조하였다[18]. 그림 2는 논문에 소개되었던 3가지 왁스들의 탄소수 분포를 고온 가스크로마토그래피(high temperature gas chromatography)로 측정한 결과이다.
그림 5에서는 다양한 온도에서 베인으로 측정한 토크 값의 결과를 나타내었다. 사용된 모델오일은 mineral oil(Superla-35) 과 kerosene 을 3:1 v/v의 비율로 혼합한 액상의 용액에 왁스인Wax-1 을 10wt.% 혼합하여 제조한 시료이다[18].
시료를 담는 용기의 내부지름이 30mm였으며, 베인이 충분히 잠길 수 있는 깊이인 52mm 높이까지 시료를 채워 사용하였다. 사용된 베인(vane)은 2종류를 사용하였으며, 지름과 높이가12.7mm x 25.3mm 인 v73과 8.026mm x 16.053mm 인 v75를 시용하였다. 또한, 베인 레오미터의 토크값이 기기 측정범위인 100%를 넘어가는 경우에는, 베인을 50%만 시료에 잠기게 하여 측정하였다.
그림 3은 베인(vane)의 크기와 시료를 담는 용기의 크기를 나타낸 모식도이다. 시료를 담는 용기의 내부지름이 30mm였으며, 베인이 충분히 잠길 수 있는 깊이인 52mm 높이까지 시료를 채워 사용하였다. 사용된 베인(vane)은 2종류를 사용하였으며, 지름과 높이가12.

이론/모형

본 논문에서는 Brookfield RVDV-II+를 사용하였다. 사용된 레오미터는 점도를 주로 측정하는데 널리 사용된다.

성능/효과

사용된 모델오일은 액상의 mineral oil 은 동일할 경우이고, 차이점은 다른 종류의 왁스 혹은 다른 함량의 왁스를 사용하여 제조한 것으로 가정한다. 먼저 다양한 모델 오일에서 항복응력은 온도가 낮아짐에 따라 모두 선형적으로 증가한 것을 알 수 있었다. 주의할 점은 항복능력이 증가하는 경향 즉 항복응력의 기울기는 왁스의 종류에 따라서 달라진다.
왁스오일로부터 젤이 형성되었을 때, 젤 강도는 온도가 낮아짐에 따라 증가하였다. 증가하는 경향은 일정 온도범위 내에서 저온으로 내려감에 따라 선형적으로 증가함을 알 수 있었다. 또한, 왁스오일에 포함된 왁스성분의 정량과 정성적인 차이에 의해서 젤의 강도를 온도-젤강도 그래프에서 기울기 차이로 평가하였다.
여기서, 시료의 젤화점도 이 온도에서 크게 벗어나지 않음을 간접적으로 유추할 수 있다. 측정온도범위에서 토크값은 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	왁스란 무엇인가?	원유에 함유된 파라핀계 왁스(waxes)는 주위의 온도가 왁스생성온도(wax appearance temperature, WAT) 혹은 왁스침전온도 (wax precipitation temperature, WPT) 보다 낮은 경우에 침전을 시작한다. 일반적으로 왁스라 함은 선형의 파라핀 알케인 (CnH2n+2)계의 탄화수소를 말하며, 주로 탄소의 숫자가 20이상(C20+)의 경우를 왁스 성분으로 정의하고 있다[1,2]. 왁스가 많이 함유된 오일을 왁스오일(waxy oil)이라 한다.
	원유에 함유된 파라핀계 왁스는 어떤 조건에서 침전되는가?	원유에 함유된 파라핀계 왁스(waxes)는 주위의 온도가 왁스생성온도(wax appearance temperature, WAT) 혹은 왁스침전온도 (wax precipitation temperature, WPT) 보다 낮은 경우에 침전을 시작한다. 일반적으로 왁스라 함은 선형의 파라핀 알케인 (CnH2n+2)계의 탄화수소를 말하며, 주로 탄소의 숫자가 20이상(C20+)의 경우를 왁스 성분으로 정의하고 있다[1,2].
	왁스의 젤화 현상의 원인은 무엇인가?	% 정도로 적은 량에서도 발생된다[9]. 원유 수송관의 흐름 중단은 미리 계획이 되었건 혹은 예상치 못한 중단이었건, 두 경우 모두 주위의 온도 하강에 의한 젤화로 일어난다. 흐름 재시작을 위한 펌프압력은 과다하게 계산된다는 의견이 많음에도 일반적으로 아래의 식을 통해 계산한다[7,8].

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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