CN1031596A - 利用一种长腔模子注射法改善聚合物减阻剂性能 - Google Patents
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Abstract
通过将高分子量流体可溶性减阻聚合物经过带
有多通孔长腔模子注射至流经管道的液体流中，使该
液体流的减阻作用得到改善。
Description
本发明涉及一种改善流经管道的流体的减阻方法。更具体地说是涉及一种利用注射减阻剂通过至少一个带有若干个孔而每个孔与管道壁基本等距离的长腔模（land-length die）以改善液体通过该管道的减阻情况的改进方法。该方法提供了比用长腔模的现时注射方法的减阻作用具有意想不到的提高。
本发明是在与本发明的申请同时提交的标题为“利用一种模腔式喷嘴的注射法改善溶解性能”申请中所描述的发明之上的一项改进，该模腔式喷嘴是采用带有一个筛网或单一模板的多孔模构成的。
碳氢化合物液体流经管道的减阻问题在美国专利3，629，676号中有所介绍。该参考资料中提供了一种能够测量减阻百分比的方法。但是该参考资料同样地介绍了以一种溶解的固体作为减阻添加剂加入。
其它具有代表性的，但不是完全该专业领域的相关技术有美国专利3，736，288号，在该专利中是采用改变分子量级分和/或颗粒度来显示所添加的各种减阻组分的交错溶解或控制溶解的特性。该参考资料中还公开了可泵性，倾倒性和分层阻力等。美国专利3，601，079号介绍了一种在注射入管道之前，先在一个混合容器内将一种水溶性聚合物材料与水混合在一起。美国专利3，884，252号介绍了一种减小氧化降解和聚合物碎屑冷流的工艺，它通过将聚合物碎屑浸入一种非溶剂中，然后在将聚合物碎屑或者聚合物碎屑与水的浆状物注射至碳氢化合物流体之前进行粉碎，并使该聚合物碎屑逐渐地和连续地在管道内溶解。在美国专利4，263，926号中对减摩擦聚合物的注射也进行了介绍。在美国专利3，900，034号中对减阻的分散测量系统进行了介绍。
还存在一些现有技术有关将聚合物溶解于溶剂中的方法。这些技术在美国专利2，639，275号;3，468，322号;3，891，593号;和4，537，513号中进行了非详尽地介绍。这些参考资料是论述用于采用循环或溶解手投将固定量的聚合物溶解到固定量的溶剂中去的方法。但是，这些溶解聚合物的方法都需要专门设备而且非常适合于将减阻剂直接注射到管道中去。
因此本发明的一个目的是提供一种用于将减阻剂注射到含有流动液体的管道中以提高这种添加剂的减阻效果的改进的方法。本发明对于含水的和含碳氢化合物的管道都是有用的，而且既可以用于注射水溶性的又可用于注射溶于碳氢化合物的减阻添加剂。这种添加剂通常都是在流动液体中可溶解的聚合物。其它的目的对于熟悉本专业技术的人员通过对本说明书的介绍将一目了然。
现在我已发现一种用于将高分子量聚合物注射到含有能够溶解上述聚合物的流动液体的管道中去的改进方法，包括至少通过一个具有多孔的而其中每个孔基本上与管道壁是等距离的长腔模以一含聚合物最高达50%的溶液注射上述聚合物。本发明进一步包括一个最佳实施例，其中的孔都是基本上位于模子的注射端。该模子是一种比单纯的多孔模所提供的减阻效果更大的长腔模。
附图是表示本申请至试验相关的各种模子结构和安排布局。
在图1中模子结构1-1是表示一个四通孔模子，每个通孔的直径为1/8英寸。图1-2表示一个八通孔模子，每个通孔直径为1/16英寸。图1-3表示一个12通孔模子，每个通孔的直径为1/16英寸。图1-4表示一个19通孔模子，每个通孔直径为1/16英寸。图1-5表示一个12通孔模，每个通孔直径为1/16英寸，而其中该模子是放置在注射喷嘴之内（内模），以便使聚合物在注射之前进行重新结合。图1-6表示19孔通孔模，每个孔的直径为1/16英寸，其中该模子是一个放置在喷嘴内约2英寸的内模。图1-7和图1-8都是由3/64英寸网眼组成的比较模结构，其中1-7是在喷嘴的注射端，而1-8是在注射喷嘴内2英寸内的一个内模。图1-9表示同样一种模子在一条线上放置两个，其中一个放置注射喷嘴内约1.5英寸处，而另一个是在喷嘴端部。图1-10表示一个与通孔模，每个孔直径为3/64英寸;放置在喷嘴内约3英寸处。图1-11表示一个3缝型模，每个宽为1/2毫米，放置在注射喷嘴内约3英寸处。图1-12是表示一个在注射端部具有一个单一个通孔的常规注射喷嘴。图1-13是表示一个具有其通孔直径为0.18英寸的窄小模。图1-14是表示一个具有0.18英寸通孔的1/4英寸管子通孔模。图1-15是表示一个带有8个孔，模腔长度为4英寸和具有长度直径比约为42的4英寸长模子的最佳实施例。
图1-16是表示一个环形模，该环宽度为0.0275英寸而长度与直径的比约为72。图1-17是表示一个环形模，该环的宽度为0.043英寸而长度与直径的比约为47。图1-18是表示一个具有0.041×0.43英寸的缝和长度与直径的比约为24的模子。图1-19表示一个与1-13相似的带通缝的模子。试验喷嘴1-16，1-17，1-18和1-19用以考察非圆形模的模形状效果。与开式端部喷嘴相比，这些喷嘴的确显示出其效果有改善。喷嘴1-16和1-17的使用效果特别好。这几种喷嘴进行注射时考察到，尽管这些模子都不是圆形通孔的，但在注射点的下游3英尺内所形成的流束都是实体圆柱形。在每种情况下，流束经过喷嘴以后就立刻进行变形，失掉其所形成的形状而成为圆柱形。这种变形导致流束形成流动流体的动态特性最稳定的圆柱形式。
现时都是采用将减阻剂注射至含水或者含碳氢化合物液体的管道中以便使其起到减阻的效果。获得最佳减阻效果决定于所放置的添加剂是否在管道液体中能否有效地溶解。这些添加剂施加于管道中可以很多种形式，但实践中流行的是采用注射非常浓的聚合物溶液，其最大浓度达50%聚合物，但最好是采用为10%（重量）或少一点的聚合物溶液。本发明的使用效果最理想的是将高分子量（超过一百万）的非结晶碳氢化合物可溶性减阻聚合物注射到含有流动的碳氢化合物的管道中。
我已发现最佳溶解情况的获得与模子的结构和注射方法的关系非常大。在现时实践中，使用一个或多个的单一通孔模将一种聚合物或聚合物溶液注射到流动的碳氢化合物管道中。采用本发明的方法将使所获得的减阻效果达到意想不到的提高。其所得效果甚至比采用多通孔模还要大。
本发明的方法不仅仅决定于表面积效应，尽管通常人们都知道较大的表面积会为溶解提供较多的机会。但是，采用本发明的方法其它因素在起作用而且决定着减阻添加剂的整个效果。
尽管就其实质来说是有其理论原因的，但我不打算受此约束，我相信最佳溶解程度的获得是决定于进入管道流体流中的减阻添加剂的稳定聚合物流束的形成。然后这些添加剂就“拉丝”（“Wire draw”）成较小直径的流束，该流束在管路液体流的动态作用下进行溶解时可以达到几百英尺的长度。采用在管道的侧壁上通过一个单一的开口注射减阻添加剂的现时工业实践，仅仅能够获得一个有限的溶解程度和束流。采用一个喷嘴或多通孔开口其溶解程度就得到改善。同样地，通过聚合物溶液的剪切调整使流束得到改善，提供在“拉丝”情况下和在溶解过程的动态作用下稳定的多流束。这种模子还能提供便于溶解的最佳束流尺寸，而本发明的长模腔能提供更好的流束稳定性。
下面将结合实例并参考附图对本发明进行更具体地描述。该举例和附图都是用于对本发明进行示范说明而不是进行限制。
这些举例都是按照一种试验步骤实施的，所有举例中这些步骤都是规范化的。在试验步骤中，各种喷嘴的溶解能力是通过注射一种减阻添加剂进行试验的，这种添加剂的商标名称为CDR 
流动改进剂（CDR 
Flow Improver）该产品由柯那可专用产品公司（Conoco Spetialty Products Inc.）出售的，将该添加剂注射至经过一个直径为2英寸管子的2号柴油燃料流中，并以美国专利3，692，676号所介绍的方法测量减阻效果。该减阻试验回路是由规范80的2英寸的管子600英尺组成，该规范80管子含有每段为87英尺的五段。在每段管子中的压力差值可以按照顺序进行测量。在试验过程中该柴油燃料是在75°F温度下，以60加仑/分（gpm）或6.52英尺/秒的流量流经该系统。各种水平的CDR流动改进添加剂102M（由柯那可专用产品公司购到）在每次试验中以每百万份中加入100份（ppm）的相同的比率注射至该系统中，并在每个管子段中测量其减阻效果。共有15种各不同的喷嘴作了试验，绝大务数是由1/2英寸的管子制造的。所采用的注射泵是通过一个一定长度的1/2英寸管子连接至注射喷嘴上的一个恒定驱动油缸泵。
例1
将11种喷嘴设计进行试验以说明表面积对于溶解特性的影响。试验结果表明表面积并不完全控制溶解特性。虽然一个较大的表面面积为溶解提供较多的机会，而其它因素参与起作用并决定着整个的效果。如在下表中所示，具有较高的表面积构成的通孔管喷嘴并不产生较高的减阻百分比，相反在第一段实际上产生低百分比的减阻作用。表面积生成率是基于23.4厘米3/分的注射率。试验结果如表1所示。
表1
试验 湿润范围 开式流动面积 表面积生成率 减阻%
喷嘴 （英寸） （英寸2） （英寸2/秒） 第1段 第5段
12 1.35 0.145 0.22 18.2 43.0
14 0.57 0.0254 0.53 10.3 42.9
13 0.57 0.0254 0.53 14.5 44.4
1 1.57 0.049 0.76 35.8 54.3
2 1.57 0.0245 1.53 39.5/ 55.4/
39.9 56.2
3 2.36 0.0368 1.53 40.9 55.2
4 3.73 0.0583 1.53 39.7 54.2
15 2.39 0.0567 1.00 44.1 60.3
7 5.25 0.062 2.02 40.7/ 55.8
40.3 54.4
9 5.25 0.062 2.02 34.5/ 49.7/
32.1 49.9
16 0.96 0.0132 1.73 30.3 55.2
17 0.86 0.0185 1.11 17.3 47.6
18 0.94 0.0174 1.29 36.5 54.1
19 0.95 0.0202 1.12 32.3 51.4
表1的数据清楚地表明：具有较高的表面积生成率的开式通孔喷嘴并非总是产生较高的减阻百分比，如通过对喷嘴1-2与1-14进行比较可以看出。对于带有模子的喷嘴，由提供中等的表面积生成率的喷嘴获得最佳性能，如可从喷嘴1-13，1-1，1-2，1-3，1-4和1-7的比较试验结果中可以看出。对于具有相同的表面积生成率的注射喷嘴，由于其它因素的影响在减阻百分比方面发生相当大的差别，通过对喷嘴1-7，与1-9的比较试验中可以看出。
例2
该试验是用以显示模子的安排布局的重要作用。模子的安排布局对减阻百分比的影响结果如表2所示。
表2
试验 湿润范围 开式流动面积 表面积生成率 减阻%
喷嘴 （英寸） （英寸2） （英寸2/秒） 第1段 第5段
12 1.35 0.145 0.22 18.2 43.0
5 1.35 0.145 0.22 25.7 44.3
6 1.35 0.145 0.22 13.6 45.2
8 1.35 0.145 0.22 13.2 44.0
10 1.35 0.145 0.22 23.5 43.0
11 1.35 0.145 0.22 19.2 43.2
1 1.57 0.049 0.76 35.8 54.3
2 1.57 0.0245 1.53 39.5/ 55.4/
39.9 56.2
3 2.36 0.0368 1.53 40.9 55.2
4 3.73 0.0583 1.53 39.7 54.2
7 5.25 0.062 2.02 40.7 55.8
40.3 54.4
15 2.39 0.0567 1.00 44.1 60.3
如表2所示的试验结果表明将模子置于喷嘴的注射端的前面几英寸处其减阻性能与完全通孔喷嘴相比其优点不十分显著。试验数据还表明在喷嘴的注射端没有多孔模子时，产生相当明显的好处，如在举例1-1，1-2，1-3，1-4，和1-7中所示。很清楚进入液流之前将模子的作用迅即施加于减阻添加剂上是非常重要的。当将模子的作用施加于喷嘴的注射端前面某一距离时，则使减阻添加剂进行重新组合并减小了模子的作用，这样则会降低减阻效果。
在本发明中，是采用长腔模子，其中每个模子通孔必须增长一定距离以便足以使通过对减阻添加剂的更完全的调整来造成注射口更为有效。该距离可以通过以下式子确定：
(长度（L）)/(水力直径（D）)
其中长度是指增长的模子长度，而水力直径是指开口比作一个圆形开口的当量直径。该水力直径可以通过下式确定：
(4×截面面积)/(湿润范围)
为了获得本发明的效益，L/D值至少应当是1。较好是使L/D至少是10，而且L/D由20至100是最理想。
溶解性能同样地可以通过采用长腔模子得到改善，其中每个通孔离导管壁以不等的距离，但是各模腔的长度是相等的。在这种模子结构中，每个模子开孔形成相同的添加剂调整条件。该长腔模子通过迅即改变注射到液体中之前的聚合物工作过程来影响该粘弹性减阻聚合物的流变学。该长腔在很大程度上减小了模子的溶胀，促进了流束稳定性并提高了溶解速率和减阻效果。
这样本发明在注射之前物理上改进了减阻添加剂以便增强物体的流动特性并获得较好的溶解程度和减阻添加剂的流束。当减阻添加剂进入管道流束时，较好的流束特性提供了作为最佳溶解和减阻添加剂性能必须的稳定流束的形成。
唯一需要的是当减阻添加剂注射时，模子对它施以某种作用。该模子最好是多通孔式的而且至少要有4个通孔。其通孔的大小可根据要求设置，而且可以带有筛网等等。
本发明的效果在现有技术中还没有见到过，因为绝大多数筛网或滤网在注射系统中都是放置在注射喷嘴和注射泵的上游端，而且主要是用来从通过泵或注射进入管道的通道中滤掉杂质。于是，只有在注射喷嘴的端部或靠近端部设置过滤筛网或多通孔模子时才能看到取得改进的减阻效果。
只要通孔本身形成实际的注射口，通孔可以围绕着注射管道的周围设置。已知的现有技术中的模子，如“细管”或“凹槽”，它们的注射喷口都是在离导管壁渐进地不同距离上，因此没有本发明的优点。由于减阻添加剂的非牛顿流动特性;碳氢化合物在凹槽中并不足均匀地流过喷口，而是造成一种强烈地脉动流动并导致严重的流束断开，因此就降低了减阻效果。
为了对本发明进行示范性说明，对一些实施方案和细节已进行了介绍，显然对于那些熟悉本专业技术的人员在不违背本发明的精神或范围的情况下提出各种改变和改进型是可以的。
Claims (6)
1、一种用于将高分子量聚合物注射至含有流动液体的管道中去的改进方法，该方法包括通过至少在模子的端部具有若干个通孔的一个模子将上述聚合物以最大含量为50%的聚合物溶液注射至液体中，其中所述模子是长腔模子，上述长腔尺寸是由L/D确定的，其中L是模腔的长度而D是模子通孔的直径，而其中L/D至少是1.0。
2、如权利要求1所述方法，包括注射上述聚合物是通过至少一个模子以最大含量为50%聚合物的溶液进行的，其中该模子是一种长腔模子，上述长腔尺寸由L/D的比值确定，其中L是该模腔的长度而D是该模子通孔的水力直径，而其中L/D至少是10。
3、如权利要求2所述方法，其中L/D是约由20至50。
4、如权利要求1，2或3所述方法，其中注射的聚合物是一种高分子量的非结晶可溶于碳氢化合物的聚合物而且该流动液体是一种碳氢化合物液体。
5、如权利要求4所述方法，其中含通孔的模子表面是锥形的，以便在距管道壁不同的距离上形成注射通孔。
6、如权利要求5所述方法，其中在锥形的模子中长腔基本上是相等的。
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