CN103041722A

CN103041722A - 水溶性聚合物快速溶解超重力装置

Info

Publication number: CN103041722A
Application number: CN2012105228848A
Authority: CN
Inventors: 刘有智; 袁志国; 张巧玲; 焦纬洲; 祁贵生; 栗秀萍; 申红艳
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2012-12-08
Filing date: 2012-12-08
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-12-08
Also published as: CN103041722B

Abstract

本发明属于聚合物溶解的技术领域，具体是一种水溶性聚合物快速溶解超重力装置，解决了现有工业化配制过程中存在的熟化时间长、熟化罐数量多、生产效率低等难题。包括自上而下设置的两级或者两级以上的溶解系统，溶解系统包括静态分布器、动态分布器、转子以及导流结构，各级溶解系统的转子同轴设置安装于轴上，轴连接动力。本发明的有益效果：设备体积小、溶解能力高、溶解时间短、投资运行费用低。

Description

水溶性聚合物快速溶解超重力装置

技术领域

本发明属于聚合物溶解的技术领域，具体涉及一种水溶性聚合物快速溶解超重力装置。

背景技术

在石油的三次采油过程中，为了提高采油率，常采用阴离子型-聚丙烯酰胺母液作为驱油剂，其中聚合物母液的配制技术是关键环节之一。在制备聚合物母液时，由于高分子聚合物的溶解特点是溶解过程缓慢，往往需经过预分散—溶胀—溶解（熟化）等过程，目前工业配制过程是采用“分散-熟化-外输”短流程配制工艺，制约配制能力的瓶颈是熟化时间和熟化罐数量。如配制能力为500m³/h的配置站，需要110m³的熟化罐22个，熟化时间需要2~3h。即目前存在的主要问题有：熟化时间长，生产效率低，熟化罐数量多，体积大，设备投资多，占地面积大；同时，由于单个熟化罐容积大，导致罐中沿高度方向存在浓度不均匀的现象。

工业化配制母液过程熟化时间长的主要原因是：在大罐搅拌熟化过程中，液体与固体颗粒间相对运动缓慢，界面更新慢，运动不均匀，容易产生涡流，造成聚合物悬浮液整体旋转，特别是熟化罐中心部位，液体与固体颗粒间相对运动速度极低，导致溶解时间很长，且溶解不均匀。

发明内容

本发明的发明目的：为了解决上述工业化配制过程中存在的熟化时间长、熟化罐数量多、生产效率低等难题，提供一种设备体积小、溶解能力高、溶解时间短、投资运行费用低的水溶性聚合物快速溶解超重力装置。

本发明采用如下的技术方案实现：

一种水溶性聚合物快速溶解超重力装置，包括外壳、进液管、出液管、以及自上而下设置的两级或者两级以上的溶解系统，所述的溶解系统包括静态分布器、动态分布器、转子以及导流结构，静态分布器设置于动态分布器的上方，动态分布器固定于转子的内侧，导流结构设置于转子外围，上级溶解系统的导流结构下端出口延伸到下级溶解系统的静态分布器上方，除末级导流结构之外的导流结构还包括设置于下方的外导流筒，外导流筒上端与外壳连接的，外导流筒下端与下级溶解系统的静态分布器的外筒连接，末级导流结构连接外壳的底部并与出液管连通，各级溶解系统的转子同轴设置安装于轴上，轴连接动力。

所述的动态分布器包括若干同轴的圆筒，圆筒底部自内到外向上倾斜设置，各圆筒底部设置环形圆盘形成L形通道，通道顶部对应静态分布器的缝隙，通道底部出口对应转子，转子高度30~60mm 对应一层圆筒和环形圆盘，其中最上一层环形圆盘与转子上盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:2～1:4，最下一层环形圆盘与转子下盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:1～1:4，中间环形圆盘轴向间距相等。

所述的第一级溶解系统的静态分布器Ⅰ为夹套式结构，包括顶盖、外筒Ⅰ、内筒Ⅰ和分布板Ⅰ，分布板Ⅰ位于外筒Ⅰ和内筒Ⅰ形成的夹套底部，分布板Ⅰ上开有若干环形缝隙，其各环形缝隙面积的比例等于对应动态分布器中的环形圆盘的轴向间距比例。

所述的第二级以及之后溶解系统的静态分布器Ⅱ为环式结构，包括内筒Ⅱ、外筒Ⅱ以及外筒Ⅱ和内筒Ⅱ之间设置的环形的分布板Ⅱ，分布板Ⅱ、内筒Ⅱ以及外筒Ⅱ同轴，分布板Ⅱ的径向长度为分布板Ⅰ的1.5～3倍，以满足其缝隙面积为分布板Ⅰ缝隙面积的2～9倍。

所述的除末级导流结构之外的导流结构包括导流板、导流圈、外导流筒、内导流筒，导流圈设置于转子外围，导流圈底部连接水平设置的导流板的外圈，导流板的内圈连接锥形结构的内导流筒的上端，内导流筒下端开口延伸到下级导流结构的静态分布器上方，外导流筒设置于内导流筒外围也为锥形结构，外导流筒的上端与外壳内侧直接相连，外导流筒的下端与下级导流结构的静态分布器的外筒上沿连接，末级导流结构包括导流板、导流圈、分流板，导流圈设置于转子外围，导流圈底部连接水平设置的导流板的外圈，导流板的内圈连接锥形结构的分流板的上端，分流板的下端连接外壳的底部，分流板内外的空间都与出液管连通。

所述的转子包括上、下盖板，内、外支撑圈和填料；填料为散装填料或规整填料。

所述的所述出液管1的管径为进液管9管径的2~5倍。

本发明的原理为：聚合物悬浮液经进液管进入第一级静态分布器中，在第一级静态分布器的分布板上分为多股，分别进入第一级动态分布器中的相应通道，在离心力作用下沿不同高度对应的通道均匀进入第一级转子的填料层中，在填料中液体被旋转的填料高频切割，多次分散与凝并，固-液界面得到快速更新，从而加速了聚合物的溶解速率。从第一级转子外沿甩出的聚合物溶液粘度大幅度上升，此溶液以切向速度离开转子进入第一级导流结构，在惯性和导流作用下，溶液在导流圈上旋流数圈后分别从上、下沿离开导流圈；从导流圈上沿离开的溶液进入导流圈与外壳之间的环隙通道，经外导流筒收集流入下一级静态分布器中；从导流圈下沿离开的溶液沿导流板，经内导流筒收集进入下一级静态分布器中。汇集于静态分布器的两股液体进行再次分配后进入下一级转子进一步溶解，直到完全溶解，最后汇集于底部经出液管流出。

本发明采用两级或两级以上转子实现难溶解聚合物的快速溶解，主要是借助高速旋转的填料实现对液体的高度分散和快速微观混合，即聚合物悬浮液被旋转的填料多次高频切割、分散与凝并，加速了液体与固体颗粒间的相对运动速度，固-液界面得到快速更新，从而加速了聚合物的溶解速率。导流是实现液体在多级转子中的有序流动，采用内外导流的目的是延长溶液的停留时间，增加溶液流过的面积，提高液相的湍动程度，进一步增大固-液间的相对运动，加速聚合物的溶解。设置导流圈的目的借助切向初速度的惯性作用，使溶液沿导流圈旋转数圈，延长停留时间，增加熟化度。采用静/动结合的液体分布器使液体沿径向、轴向均匀地进入填料层，同时有效解决了转子上盖与轴相连的问题，增加转子的强度，提高单台设备的处理能力。

本发明与目前工业化熟化装置比具有其显著特点：（1）设备体积小，本发明的一台直径为1200mm、高度为1400mm的旋转填料床处理能力约为10t/h；（2）溶解时间短，从进液管到出液管的总停留时间为1~10s，与传统法的2.5~3.0h 相比，极大地缩短了溶解时间；（3）经济效益好，与现有熟化配制装置相比，本发明设备体积小，数量少，占地面积小，投资省，可节约设备投资和土地使用；（4）生产效率高，可连续化生产，有利于推广应用；（5）聚合物溶液浓度均匀稳定，由于采用了静/动结合的多层次液体分布器、多级旋转填料以及导流筒等多次分散，与现有熟化罐相比，所得聚合物溶液浓度均匀，质量稳定；（6）本发明装置适用性强，可适用不同聚合物溶液的配制和不同产量的需求，根据溶解难易和产量适当调整转子个数和转子直径，均可满足要求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为图1的A-A剖面图，

图3为液体动态分布器的结构示意图，

图4为图3的俯视图，

图中：1-出液管，2-外壳，3-分流板，4-导流板，5-导流圈，6-转子，7-外导流筒，8-内导流筒，9-进液管，10-液体分布器，11-轴，12-定位轴承，13-静态分布器Ⅰ，14-动态分布器，15-密封圈，16-静态分布器Ⅱ，17-挡水板，18-轴承及轴承座、19-电机，

6.1-填料，6.2-外支撑圈，6.3-内支撑圈，

13.1-顶盖，13.2-外筒Ⅰ，13.3-内筒Ⅰ，13.4-分布板Ⅰ,

14.1-圆筒，14.2-环形圆盘，14.3-流道，

16.1-内筒Ⅱ、16.2-外筒Ⅱ，16.3-分布板Ⅱ。

具体实施方式

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

水溶性聚合物快速溶解超重力装置，包括外壳2、进液管9、出液管1、以及自上而下设置的两级或者两级以上的溶解系统（根据聚合物的溶解难易程度选择级数），所述的溶解系统包括静态分布器、动态分布器、转子6以及导流结构，静态分布器设置于动态分布器的上方，动态分布器固定于转子的内侧，导流结构设置于转子外围，上级溶解系统的导流结构下端出口延伸到下级溶解系统的静态分布器上方，除末级导流结构之外的导流结构还包括设置于下方的外导流筒，外导流筒上端与外壳连接的，外导流筒下端与下级溶解系统的静态分布器的外筒连接，末级导流结构连接外壳的底部并与出液管连通，各级溶解系统的转子同轴设置安装于轴上，轴通过轴承及轴承座18连接电机19。

转子由上、下盖板，内、外支撑圈和填料组成；填料可以是散装填料，也可以是规整填料，要求空隙率大，质量轻，可以是不锈钢或塑料材质。

所述的液体分布器包括液体静态分布器和液体动态分布器。进液管9与第一级静态分布器Ⅰ13相连。液体静态分布器分为第一级的夹套式分布器和二级以及之后的环式分布器，其中夹套式分布器由顶盖13.1、外筒Ⅰ13.2、内筒Ⅰ13.3和分布板Ⅰ13.4组成，分布板位于夹套底部，开有环形缝隙，其各环形缝隙面积的比例等于对应动态分布器中的环形圆盘的轴向间距比例，一般环形缝隙面积的比例按1:2～3:1开设，按比例分配液体，以确保聚合物悬浮液按需进入液体动态分布器的相应流道中，然后沿填料层高度经相邻两圆盘间进入旋转的填料，采用分层分布的目的是确保液体沿轴向均匀进入填料层。环式静态分布器16由内筒Ⅱ16.1、外筒Ⅱ16.2和分布板Ⅱ16.3组成，分布板Ⅱ16.3的径向长度和缝隙面积比分布板Ⅰ13.4的都要大，分布板Ⅱ的径向长度为分布板Ⅰ的1.5～3倍，因为此处的液体没有外压，且液体粘度高，液层高度有限。动态分布器包括圆筒14.1和圆盘14.2两部分，依据转子填料层高度每30~60mm 增加一层圆筒和环形圆盘（如图3是三层结构，即三个通道），其中最上一层环形圆盘与转子上盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:2～1:4，最下一层环形圆盘与转子下盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:1～1:4，中间环形圆盘轴向间距相等；动态分布器14固定于转子6的内侧，随转子一起旋转，借助离心力实现高粘度液体在无外压下的均匀分配到旋转填料中；从静态分布器流出来的聚合物悬浮液进入相应圆筒围成的环形通道中，在离心力作用下，沿填料高度从不同两层圆盘间进入旋转的填料，采用动态分布器的目的是确保聚合物悬浮液沿轴向均匀分布进入填料层，可以有效解决多层填料内液体在没有外压条件下的再次均匀分布的难题，尤其是高粘度的聚合物悬浮液。分布器采用动态和静态相结合的目的：一是解决过去转子上盖中央必须悬空而使得转子轴向高度不能太高，最终导致逆流旋转床处理液量不高的难题，采用动静结合可在上盖中央设置辐条与轴连接，增加转子强度；二是静态分布可根据需要对分布板开设相应面积的环隙，确定悬浮液的按需分配，动态分布器保证了高粘度悬浮液在没有外压作用下能够有效进入到填料内侧。

所述的除末级导流结构之外的导流结构由导流圈、导流板、内、外导流筒和部分外壳组成。其中，导流圈为圆筒，固定于外壳内侧，下端与导流板外沿相连，导流板为环形圆盘，其内沿与内导流筒的上端相连，导流筒下端延伸到液体静态分布器上方，内、外导流筒为锥形结构，外导流筒的上端与外壳内侧直接相连，下端与液体静态分布器的外筒上沿连接。末级导流结构与上部不同之处在于液体不需要汇集到转子中央进行再次分配，因而将内导流筒的锥形角度放大，外导流筒直接利用了外壳。其中，要求导流装置与液体接触表面粗糙，可以选择波纹板、或在表面焊接阻力件，以提高液体的湍动程度。

由于聚合物完全溶解后溶液粘度远大于进口处的粘度，且溶液的流出是依靠重力作用。因而，出液管1的管径要大于进液管9的管径，出液管1的管径为进液管9管径的2~5倍，旋转床底部设计成5°左右的坡度，以利于溶液顺利汇集到出液口。

转子6和挡水板17固定在轴11上，与电机18连接，由电机18带动轴11及转子6旋转。为防止液体进入轴承套中，在轴承座上部安装有挡水板17，随轴旋转。

具体溶解过程为：

采用螺杆泵将预先分散好的聚合物悬浮液输送至液体静态分布器分配后，流入动态分布器中的相应流道，在离心力作用下，经圆盘间的通道沿轴向将液体均匀分布进入第一个转子的填料中，液体被旋转的填料层多次高频切割、分散与凝并，加速液体与固体颗粒间的相对运动速度，快速更新固-液界面，从而加速了聚合物的溶解速率。将液体从填料内沿甩到填料外沿，此时聚合物悬浮颗粒基本溶解，呈现聚合物胶团不均匀状，需进一步分散溶解。因而从第一级转子甩出的液体以切向速度离开转子进入导流圈，在惯性和导流作用下，溶液在导流圈上旋流数圈后分别从上、下沿离开导流圈；从导流圈上沿离开的溶液进入导流圈与外壳之间的环隙通道，经外导流筒收集流入第二级静态分布器中；从导流圈下沿离开的溶液沿导流板，经内导流筒收集进入第二级静态分布器中。汇集于静态分布器的两股液体进行再次分配后进入第二级转子上的动态分布器，再次经旋转填料作用强化溶解，若达到要求，即两级就可实现快速溶解；若达不到，可再经导流进入第三级、第四级转子强化溶解，直至达到要求。达到要求后的溶液经底部导流后汇集于出液口流出。

本发明的快速溶解装置同样适用于其它水溶性物质的溶解过程，有效解决溶解慢的难题。

Claims

1.一种水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于包括外壳（2）、进液管（9）、出液管（1）、以及自上而下设置的两级或者两级以上的溶解系统，所述的溶解系统包括静态分布器、动态分布器、转子（6）以及导流结构，静态分布器设置于动态分布器的上方，动态分布器固定于转子的内侧，导流结构设置于转子外围，上级溶解系统的导流结构下端出口延伸到下级溶解系统的静态分布器上方，除末级导流结构之外的导流结构还包括设置于下方的外导流筒，外导流筒上端与外壳连接的，外导流筒下端与下级溶解系统的静态分布器的外筒连接，末级导流结构连接外壳的底部并与出液管连通，各级溶解系统的转子同轴设置安装于轴上，轴连接动力。

2.根据权利要求1所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于所述的动态分布器（14）包括若干同轴的圆筒（14.1），圆筒（14.1）底部自内到外向上倾斜设置，各圆筒（14.1）底部设置环形圆盘（14.2）形成L形的通道，通道顶部对应静态分布器的缝隙，通道底部出口对应转子，转子高度30~60mm 对应一层圆筒和环形圆盘，其中最上一层环形圆盘与转子上盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:2～1:4，最下一层环形圆盘与转子下盖板的间距和相邻环形圆盘轴向间距的比例为1:1～1:4，中间环形圆盘轴向间距相等。

3.根据权利要求2所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于第一级溶解系统的静态分布器Ⅰ（13）为夹套式结构，包括顶盖（13.1）、外筒Ⅰ（13.2）、内筒Ⅰ（13.3）和分布板Ⅰ（13.4），分布板Ⅰ（13.4）位于外筒Ⅰ（13.2）和内筒Ⅰ（13.3）形成的夹套底部，分布板Ⅰ（13.4）上开有若干环形缝隙，其各环形缝隙面积的比例等于对应动态分布器中的环形圆盘的轴向间距比例。

4.根据权利要求3所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于第二级以及之后溶解系统的静态分布器Ⅱ（16）为环式结构，包括内筒Ⅱ（16.1）、外筒Ⅱ（16.2）以及外筒Ⅱ（16.2）和内筒Ⅱ（16.1）之间设置的环形的分布板Ⅱ（16.3），分布板Ⅱ（16.3）、内筒Ⅱ（16.1）以及外筒Ⅱ（16.2）同轴，分布板Ⅱ的径向长度为分布板Ⅰ的1.5～3倍。

5.根据权利要求2或3或4所述的所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于所述的除末级导流结构之外的导流结构包括导流板（4）、导流圈（5）、外导流筒（7）、内导流筒（8），导流圈（5）设置于转子（6）外围，导流圈（5）底部连接水平设置的导流板（4）的外圈，导流板（4）的内圈连接锥形结构的内导流筒（8）的上端，内导流筒（8）下端开口延伸到下级导流结构的静态分布器上方，外导流筒（7）设置于内导流筒（8）外围也为锥形结构，外导流筒（7）的上端与外壳（2）内侧直接相连，外导流筒（7）的下端与下级导流结构的静态分布器的外筒上沿连接，末级导流结构包括导流板、导流圈、分流板（3），导流圈设置于转子外围，导流圈底部连接水平设置的导流板的外圈，导流板的内圈连接锥形结构的分流板的上端，分流板的下端连接外壳的底部，分流板内外的空间都与出液管连通。

6.根据权利要求5所述的所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于所述的转子包括上、下盖板，内、外支撑圈和填料；填料为散装填料或规整填料。

7.根据权利要求5所述的所述的水溶性聚合物快速溶解超重力装置，其特征在于所述的出液管（1）的管径为进液管（9）管径的2~5倍。