CN103055750A - 一种水溶性聚合物快速溶解系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于水溶性聚合物在水中的溶解的技术领域，具体是一种水溶性聚合物快速溶解系统及其方法，实现了水溶性聚合物快速、均匀溶解。水溶性聚合物快速溶解系统，包括预分散系统、聚合物溶解系统以及连接各装置的风机、输送泵和管线，聚合物溶解系统采用两级或多级旋转填料床串联。所述方法，聚合物分子量是200万~2000万，聚合物水溶液配置浓度为500~15000mg/L。本发明可制备溶解均匀的聚合物水溶液，以减小设备体积和数量，降低投资，减少占地面积，缩短溶解时间；实现了溶解过程的连续化操作，制备浓度均一稳定的聚合物水溶液。

Description

一种水溶性聚合物快速溶解系统及其方法

技术领域

本发明属于水溶性聚合物在水中的溶解的技术领域，具体是一种水溶性聚合物快速溶解系统及其方法。

背景技术

在石油的三次采油过程中，为了提高采收率，常用高分子聚合物水溶液作为驱油剂，所用聚合物一般为部分水解的聚丙烯酰胺，该聚合物商品为粉末状或固体小颗粒状，而在应用时是以水溶液的形式使用。在制备聚合物水溶液时，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—溶解等过程，因而，在溶解过程中需要数量众多的、体积庞大的溶解槽和较长的溶解时间，一般视聚合物水溶液用量的不同，溶解槽的体积为50m³~80m³，完全溶解聚合物需要2h~3h。因而工业化制备聚合物水溶液时，需要的设备体积庞大、笨重，数量众多，造成溶解配制站占地面积大、投资费用高、安装维修不便等。针对上述问题，客观上要求用较小的设备、较低的投资和运行费用缩短聚合物溶解时间。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种水溶性聚合物快速、均匀溶解的方法及装置，通过该方法及装置可制备溶解均匀的聚合物水溶液，以减小设备体积和数量，降低投资，减少占地面积，缩短溶解时间。该发明的另一个目的是实现溶解过程的连续化操作，制备浓度均一稳定的聚合物水溶液。

本发明采取以下技术方案：

水溶性聚合物快速溶解系统，包括预分散系统、聚合物溶解系统以及连接各装置的风机、输送泵和管线，

所述的预分散系统包括干粉储存器、计量下料器、螺旋输送器、下料斗、文丘里引射器、水粉混合器和预分散罐，其中干粉储存器安装于螺旋输送器上部，下料斗位于螺旋输送器的斜下方，安装于文丘里引射器的正上方，文丘里引射器的入口接鼓风机，文丘里引射器的出口连接提升管道，提升管道再连接水粉混合器，水粉混合器安装于预分散罐上部，预分散罐上部安装有电机，电机带动罐内的搅拌装置，

所述的聚合物溶解系统采用两级或多级旋转填料床串联，预分散罐下部连接出料管，出料管管路中安装有阀门和输送泵，输送泵与一级旋转填料床的进液口用管线相连，一级旋转填料床的出液口与二级旋转填料床的进液口用管线相连，所连管路上安装有阀门和输送泵，二级旋转填料床与后续的旋转填料床连接至末级旋转填料床，末级旋转填料床的出液口与聚合物水溶液的外输管线相连。

所述二级旋转填料床所用填料的比表面积小于一级旋转填料床，孔隙率大于一级旋转填料床，后续级数的旋转填料床与二级旋转填料床的结构相同。一级旋转填料床的填料层采用单层、同一种填料。二级旋转填料床填料层采用两层填料，内层填料厚度D1与外层填料厚度D2之比为0.8~1.5，内层填料的比表面积大于外层填料的比表面，内层填料的孔隙率小于外层填料的孔隙率。填料为花环填料、旋转球填料、阶梯环填料或者矩鞍环填料。填料的材质为金属或塑料。各级旋转填料床的填料层直径为300 mm～3000mm，填料层高度为50 mm～800mm。

一种水溶性聚合物快速溶解方法，基于上述水溶性聚合物快速溶解系统完成，步骤如下：首先将聚合物粉体送入干粉储料器中，从储料器下部经过计量下料器计量后进入螺旋输送器，输送出的干粉物料进入下料斗，鼓风机从文丘里引射器侧部鼓入空气，干粉在气流的作用下沿输送管线输送到预分散罐顶部的水粉混合器，经计量的水同时进入混合器，在混合器聚合物粉末与水旋流接触混合并进入预分散罐，在螺带式搅拌器的搅拌作用下，固体粉末状物料在预分散罐内分散为均匀的悬浮液；

从预分散罐底部出料口出来的聚合物悬浮液经螺杆泵输送至一级旋转填料床的进液管，调节转子转速为300 rpm ~1000 rpm，连续进入进液管的聚合物悬浮液通过下部的液体分布器进入旋转的填料层，聚合物悬浮液在旋转的填料层由内到外被多次切割、分散，最后被甩到旋转填料床内壁，在重力作用下沿内壁流至旋转填料床底部，经出液口流出，进入二级旋转填料床，二级旋转填料床转速范围为100 rpm ~500rpm，经两级或多级串联的旋转填料床所输出的聚合物水溶液呈完全均匀溶解状态，可连续输入外输管道。

所述一级旋转填料床转速范围300 rpm ~600 rpm；二级旋转填料床转速范围为100 rpm ~300 rpm。

所述聚合物分子量是200万~2000万，为阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺或两性聚丙烯酰胺，聚合物水溶液配置浓度为500~15000mg/L。

本发明具有以下优点：1、本发明采用两级旋转填料床串联作为聚合物溶解核心装置，代替了现有工业化数量众多、体积庞大的熟化罐，一台直径为1.2m，高度1.5m的旋转填料床可以取代4~6个体积为70m³~80m³的熟化罐，减少了设备体积和数量，节省了投资，节约了占地面积。2、本装置利用旋转填料床中旋转填料的多次切割、分散与混合，在2s～15s的停留时间内将聚合物均匀溶解，大大缩短了聚合物的溶解时间，从现有的2h～3h缩短至15s以内。3、本装置采用两级或多级旋转填料床切割和分散，提高了聚合物溶解速率和生产效率。4、本发明将聚合物溶解流程实现了连续化，设备结构紧凑，操作简单，开停车方便，有利于推广和使用。5、本发明可配置500~15000mg/L的聚合物水溶液，配置的聚合物溶液浓度范围宽，可适用于不同驱油浓度的需求。6、本发明的两级或多级旋转填料床可分别采用不同转速控制，一级可采用较高的转速，后续的二、三级可采用较低的转速，避免了聚合物在溶解过程中发生的聚合物分子断链引起驱油效果的降低。

附图说明

图1 是本发明的结构示意图，

图2 是旋转填料床结构简图，

图3 是一级旋转填料床填料层俯视图，

图4 是二级旋转填料床填料层俯视图。

图中：1-1干粉储存器；1-2计量下料器；1-3螺旋输送器；1-4下料斗；1-5鼓风机；1-6文丘里引射器；1-7水粉混合器 ；1-8搅拌装置；1-9预分散罐；1-10输送泵Ⅰ, 1-11一级旋转填料床,1-12-输送泵Ⅱ；1-13二级旋转填料床，

1进液管；2壳体；3轴承套；4出料口；5支撑架；6电机；7转子；8填料；9液体分布器；

D1内层填料厚度，D2外层填料厚度。

具体实施方式

    结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述。

如图1所示，水溶性聚合物快速溶解装置，包括一个预分散系统、聚合物溶解系统以及连接各装置的风机、输送泵和管线等。

聚合物预分散系统包括干粉储料器1-1、计量下料器1-2、螺旋输送器1-3、下料斗1-4、鼓风机1-5、文丘里引射器1-6、水粉混合器1-7、 搅拌装置1-8、预分散罐1-9以及连接各装置的管线和阀门等。其中干粉储存器1-1安装于螺旋输送器1-3上部，下料斗1-4位于螺旋输送器的斜下方，安装于文丘里引射器1-6的正上方，鼓风机1-5接文丘里引射器1-6的入口，文丘里引射器1-6的出口连接提升管道，提升管道再连接水粉混合器1-7，水粉混合器1-7安装于预分散罐1-9上部，预分散罐1-9上部安装有电机，电机带动罐内的搅拌装置，搅拌采用多层三叶桨式搅拌器或螺带式搅拌器等。

储料器内的聚合物干粉经过安装在干粉储料器1-1出口的计量下料器1-2进入螺旋输送器1-3，输送出的物料进入下料斗1-4，同时鼓风机1-5从文丘里引射器1-6侧部鼓入空气，将物料用气流输送到预分散罐1-9顶部的水粉混合器1-7，经计量的水同时进入水粉混合器1-7，在水粉混合器1-7中聚合物粉体与水充分混合，在螺带式搅拌器的搅拌作用下，固体粉末状物料在预分散罐1-9内分散为均匀的悬浮液。

所述的预分散罐1-9中的搅拌装置采用多层三叶桨式搅拌器、螺带式搅拌器等。所述的预分散悬浮液的输送采用输送泵运送至溶解装置，所述的输送泵采用螺杆泵。

溶解装置采用两级或者多级旋转填料床串联的方式。具体连接方式为：预分散罐下部连接出料管，出料管路中安装有阀门和螺杆泵，螺杆泵与一级旋转填料床1-11的进液口用管线相连，一级旋转填料床1-11的出液口与二级旋转填料床1-12的进液口用管线相连，所连管路上安装有阀门和螺杆泵，二级旋转填料床1-12的出液口与聚合物水溶液的外输管线相连。旋转填料床包括进液管1、液体分布器9、转子及转轴7、轴承及轴承套3、壳体2、出液口4、支撑座5、电机6等，如图2所示。进液管1固定在壳体2上盖中心位置，与液体分布器9连接，位于转子轴线7上。转子7由上、下圆盘、支柱和填料8组成，转子固定于转轴上，轴通过轴承及轴承套3固定，与电机6相连，由电机6带动转子7旋转。壳体2下端设有液体出口4。整个装置固定在支撑座5上。从输送泵1-10输送出的聚合物悬浮液进入旋转填料床的进液管1，通过液体分布器9将预分散液均匀地分布于填料层8。进入填料层8的悬浮液经填料的多次切割和分散使得聚合物完全溶解，并通过旋转填料床底部的出液口4进入聚合物溶液的外输系统。

下面就填料的装填和转速的控制对一级旋转填料床详细说明：

聚合物首先进入一级旋转填料床，一级旋转填料床所装填料是塑料花环填料、旋转球填料，或网球填料等，填料比表面积范围为200~400m²/ m³，孔隙率范围为0.8~0.9。

在控制转速时，一级旋转填料床转速采用较高转速，转速范围为300 rpm ~1000 rpm，最好选择300 rpm ~600 rpm。

综上所述，一级旋转填料床所装填料的比表面积要高于二级旋转填料床，转速也要高于二级旋转填料床，目的是聚合物悬浮液进入填料后，在较高转速下，填料对聚合物溶液高频切割，多次分散，由于进入填料的聚合物悬浮液中聚合物链以卷曲状态存在，较高频率的切割不会造成聚合物断链引起的分子量降低，并确保聚合物快速溶解。

二级旋转填料床填料的装填和转速的控制详细说明如下：

二级旋转填料床所装填料是鲍尔环填料、阶梯环填料、或矩鞍环填料等，填料的装填采用两层（见图3），内层填料（靠近转轴的一侧，见图3中D1）填料的比表面积范围为100~150m²/ m³，孔隙率范围为0.85~0.95。即填料的比表面积要低于一级旋转填料床；外层填料（见图3中D2）比表面积范围为70~100m²/ m³，孔隙率范围为0.92~0.97，与内层填料相比，其比表面积更小，孔隙率更高。内层填料厚度D1与外层填料厚度D2之比为0.8~1.5，视聚合物溶解情况可采用不同比例。

填料的装填区别于一级旋转填料床的特点是：二级旋转填料床所装填料的比表面积要明显低于一级旋转填料床，且按两层装填，从里到外填料的比表面积逐次降低，孔隙率逐次提高。

除填料的区别外，二级旋转填料床转速的控制要低于一级。

所述二级旋转填料床填料与转速区别于一级的原因是：经过一级旋转填料床的溶解后，聚合物在水中不再呈悬浮状态，基本呈溶解状态，视聚合物分子量不同溶解的均匀程度不同，此时聚合物分子链基本呈伸展状态，如果在较高的转速下密集的填料对聚合物高频切割，不可避免地会造成聚合物断链，从而造成分子量的降低，影响到油田采油的驱油效果。采用两层不同填料装填，其原因就是在不同溶解状态采用不同的分散方式，以达到既快速均匀混合溶解，又不使聚合物发生断链降解。

针对上述两级旋转填料床串联的方法，本发明具有以下特征：

所述的转子转速范围为100 rpm ~1500rpm。一级转子采用较高的转速，最好为300 rpm ~600 rpm ，二级采用较低的转速，最好为100 rpm ~300 rpm。

所述的两级旋转填料床的总停留时间为2s～15s，填料层直径为300 mm～3000mm。

所述的填料层高度为50 mm～800mm。

所述的旋转填料床的填料装填方式是：一级采用单层单种填料，二级采用两层，每层装填不同填料。

所述的旋转填料床所装填料，一级装填比表面积为200~400m²/ m³，孔隙率为0.8~0.9的填料。二级填料采用两层分装，一层填料比表面积为100~150m²/ m³，孔隙率为0.85~0.95；二层填料比表面积为70~100m²/ m³，孔隙率为0.92~0.97。即从里到外填料比表面积逐次减小，孔隙率逐次增大。

所述的旋转填料床所装填料，一级旋转填料床可采用花环填料、旋转球填料或网球填料等。二级旋转填料床可采用鲍尔环填料、阶梯环填料或矩鞍环填料等。

所述填料的材质可以采用金属、塑料等。金属采用不锈钢、合金等，塑料采用聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等。

水溶性聚合物快速溶解方法，步骤如下：

1、首先将聚合物粉体送入干粉储料器1-1中，从储料器1-1下部经过计量下料器1-2计量后进入螺旋输送器1-3，输送出的干粉物料进入下料斗1-4，鼓风机1-5从文丘里引射器1-6侧部鼓入空气，干粉在气流的作用下沿输送管线输送到预分散罐1-9顶部的水粉混合器1-7，经计量的水同时进入水粉混合器1-7，在水粉混合器1-7中聚合物粉末与水旋流接触混合并进入预分散罐1-9，在螺带式搅拌器的搅拌作用下，固体粉末状物料在预分散罐9内分散为均匀的悬浮液。

2、从预分散罐底部出料口出来的聚合物悬浮液经螺杆泵1-10输送至一级旋转填料床1-11的进液管1，同时启动电机6，用调频器调节转子转速为300 rpm ~1000 rpm，连续进入进液管1的聚合物悬浮液通过下部的液体分布器9进入旋转的填料层8，聚合物悬浮液在旋转的填料层由内到外被多次切割、分散，最后被甩到旋转填料床内壁，在重力作用下沿内壁流至旋转填料床底部，经出液口4流出。从一级旋转填料床1-11出来的聚合物溶液基本呈溶解状态，视聚合物分子量的不同溶解的均匀程度不同。

为了得到均匀溶解的聚合物水溶液，还需要进入二级旋转填料床。其操作流程与一级旋转填料床相同。

经两级或多级串联的旋转填料床所输出的聚合物水溶液呈完全均匀溶解状态，可连续输入外输管道，满足各采油用户需求。

所述的水溶性聚合物主要指聚丙烯酰胺，包括阴离子型聚丙烯酰胺，阳离子型聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺以及两性聚丙烯酰胺。

所述的聚丙烯酰胺聚合物其分子量可在较宽的范围内变动，如约200万~2000万。

所述的聚合物水溶液配置浓度为500~15000mg/L。

Claims (10)

1.一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于包括预分散系统、聚合物溶解系统以及连接各装置的风机、输送泵和管线，

所述的预分散系统包括干粉储存器（1-1）、计量下料器（1-2）、螺旋输送器（1-3）、下料斗（1-4）、文丘里引射器（1-6）、水粉混合器（1-7）和预分散罐（1-9），其中干粉储存器（1-1）安装于螺旋输送器（1-3）上部，下料斗（1-4）位于螺旋输送器（1-3）的斜下方，安装于文丘里引射器（1-6）的正上方，文丘里引射器（1-6）的入口接鼓风机（1-5），文丘里引射器（1-6）的出口连接提升管道，提升管道再连接水粉混合器（1-7），水粉混合器（1-7）安装于预分散罐（1-9）上部，预分散罐（1-9）上部安装有电机，电机带动罐内的搅拌装置（1-8），

所述的聚合物溶解系统采用两级或多级旋转填料床串联，预分散罐（1-9）下部连接出料管，出料管管路中安装有阀门和输送泵，输送泵与一级旋转填料床（1-11）的进液口用管线相连，一级旋转填料床（1-11）的出液口与二级旋转填料床（1-12）的进液口用管线相连，所连管路上安装有阀门和输送泵，二级旋转填料床（1-12）与后续的旋转填料床连接至末级旋转填料床，末级旋转填料床的出液口与聚合物水溶液的外输管线相连。

2.根据权利要求1所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于二级旋转填料床（1-12）所用填料的比表面积小于一级旋转填料床（1-11），孔隙率大于一级旋转填料床，后续级数的旋转填料床与二级旋转填料床（1-12）的结构相同。

3.根据权利要求2所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于一级旋转填料床（1-11）的填料层采用单层、同一种填料。

4.根据权利要求2所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于二级旋转填料床填料层采用两层填料，内层填料厚度D1与外层填料厚度D2之比为0.8~1.5，内层填料的比表面积大于外层填料的比表面，内层填料的孔隙率小于外层填料的孔隙率。

5.根据权利要求2所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于填料为花环填料、旋转球填料、阶梯环填料或者矩鞍环填料。

6.根据权利要求1或2或3或4或5或6所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于填料的材质为金属或塑料。

7.根据权利要求6所述的一种水溶性聚合物快速溶解系统，其特征在于各级旋转填料床的填料层直径为300 mm～3000mm，填料层高度为50 mm～800mm。

8.一种水溶性聚合物快速溶解方法，基于权利要求7所述的水溶性聚合物快速溶解系统完成，其特征在于步骤如下：首先将聚合物粉体送入干粉储料器（1-1）中，从储料器（1-1）下部经过计量下料器（1-2）计量后进入螺旋输送器（1-3），输送出的干粉物料进入下料斗（1-4），鼓风机（1-5）从文丘里引射器（1-6）侧部鼓入空气，干粉在气流的作用下沿输送管线输送到预分散罐（1-9）顶部的水粉混合器（1-7），经计量的水同时进入水粉混合器（1-7），在水粉混合器（1-7）聚合物粉末与水旋流接触混合并进入预分散罐（1-9），在搅拌作用下，固体粉末状物料在预分散罐（9）内分散为均匀的悬浮液；

从预分散罐底部出料口出来的聚合物悬浮液经螺杆泵（1-10）输送至一级旋转填料床（1-11）的进液管（1），调节转子转速为300 rpm ~1000 rpm，连续进入进液管（1）的聚合物悬浮液通过下部的液体分布器（9）进入旋转的填料层（8），聚合物悬浮液在旋转的填料层由内到外被多次切割、分散，最后被甩到旋转填料床内壁，在重力作用下沿内壁流至旋转填料床底部，经出液口（4）流出，进入二级旋转填料床（1-13），二级旋转填料床（1-13）转速范围为100 rpm ~500rpm，经两级或多级串联的旋转填料床所输出的聚合物水溶液呈完全均匀溶解状态，连续输入外输管道。

9.根据权利要求8所述的水溶性聚合物快速溶解方法，其特征在于一级旋转填料床（1-11）转速范围300 rpm ~600 rpm；二级旋转填料床（1-13）转速范围为100 rpm ~300 rpm。

10.根据权利要求8或9所述的水溶性聚合物快速溶解方法，其特征在于聚合物分子量是200万~2000万，为阴离子型聚丙烯酰胺、阳离子型聚丙烯酰胺、非离子型聚丙烯酰胺或两性聚丙烯酰胺，聚合物水溶液配置浓度为500~15000mg/L。

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