DE1781482C3

DE1781482C3 - Verfahren zum Mischen eines den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit vermindernden polymeren Additivs und Vorrichtung zur Durchfuhrung

Info

Publication number: DE1781482C3
Application number: DE19681781482
Authority: DE
Inventors: Walter Ball Giles; William Thomas Pettit Ii
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-11
Filing date: 1968-09-11
Publication date: 1979-06-07
Also published as: DE1781482A1; DE1781482B2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Mischen eines aen Strömungswiderstand einer Fiüssigkeit vermindernden polymeren Additivs, das in hydratisierter Form in eine Feslkörper/Flüssigkeit-Grenzschicht injiziert wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens mit einer Vorrichtung zur Injektion des hydratisierten Additivs in die Feslkörper/FIüssigkeits-Grenzfläche.

Vorrichtungen zur Vorbereitung widerstandsvermindernder Zusatzmaterialien für eine Einspritzung in eine Flüssigkeit, die relativ zu diesem Einspritzuiigspunkt fließt, sind bekannt. Diese Zusätze sind durch und durch hydratisiert und werden zum Einspritzen verwendet Beispiele für diese Anwendungen sind in den eigenen US-Patenten 32 90 883, 33 OJ 810 und 33 03 811 beschrieben.

Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende

Z5 Aufgabe besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Mischen einer Flüssigkeit mit einem Polymerzusai/ zu schaffen, so daß das Polymer zu der Zeit hydratisiert wird, zu der es entlang der zu schmierenden Oberfläche injiziert wird.

JO Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Additiv in einem Lösungsmittel derart suspendiert wird, daß die Suspension im wesentlichen das gleiche spezifische Gewicht hat wie das Additiv, und dann die Suspension teilweise bis zu einem solchen Grad hydratisiert wird, daß in der Lösung eine Oberschußkonzentration an hydratisiertem Additiv vorhanden ist.

Vorzugsweise wird das Additiv in Äthylenglykol suspendiert.

Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Verfahrens-Unteran-Sprüchen.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens ist erfindungsgemäß gekennzeichnet durch eine Mischkammer zur schnellen Bildung einer Suspension des Additivs in einem Lösungsmittel, eine mit der Mischkammer verbundene Hydratationsvorrichtung zur Hydratation der gebildeten Suspension bis zur Erzeugung einer Lösung eines beträchtlichen Anteils des polymeren Additivs.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele ergeben sich aus den Vorrichtungs-Unteransprüchen.
Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß eine einfache und schnelle Mischung des den Strömungswiderstand vermindernden Additivs erzielbar ist, wobei die Erfindung immer dann einsetzbar ist, wenn ein Molekül mit hohem Molekulargewicht und linearer Kettenbildung in einer Lösung für eine spätere Verwendung suspendiert werden soll. Vorzugsweise werden wasserlösliche, widerstandsvermindernde und viskoelastjsche Polymeren suspendiert, die zum Zwecke der Widerslandsverminderung in Wasser verwendet werden. Die Erfindung

ist jedoch auch zum Mischen Von nichtwäßrigen Polymeren benutzbar. Beispielsweise kann Polyisobutylen mit Kerosin oder anderen Flugkraftstoffen gemischt werden, um die Leiturigskäpäzitäl beim Auftanken in

der Luft zu erhöhen und somit die gefährlichen Zeitabschnitte zu verkürzen.

Die Erfindung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des Behälters für die PoJwsnersuspension.

Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist eine Vorrichtung zum Mischen von Polymerzusätzen mit einer Flüssigkeit und zum Einspritzen dieser Mischung oberhalb oder unterhalb des Zuführungsverteilers 1. In Fig. 1 ist zwar gezeigt, daß diese Mischvorrichtung an einer Rohrleitung angeschlossen ist, sie kann aber auch an irgendeiner anderen Stelle angeschlossen sein, wo eine Flüssigkeit entlang einer festen Oberfläche fließt, wie etwa der Seitenwand eines Behälters. Beispiele hierfür sind in den oben angegebenen Patentschriften beschrieben.

In Fig. 1 ist ein Zuführungsverteilerrohr 1 auf einer Leitung 2 angeordnet, und durch einen auf dem Umfang befindlichen Schlitz J in der Leitungswand wird Wasser in das Zuführungsverteilerrohr eingelassen. Dieses Wasser wird einer Rohrleitung 4 zugeführt, und eine Hochdruckpumpe 5 verstärkt den Druck. Das Wasser gelangt dann durch ein Rohr in eine Düsenöffnung 6 in der Wand der Mischkammer 7 und strömt von dort in die Mischkammer, die sich in Flußrichtung erweitert.

Ein Vorratsbehälter 8 enthält das polymere Material, das in einer Lösung neutraler Dichte suspendiert ist, die etwa das gleiche spezifische Gewicht wie das Polymer besitzt und mit dem Polymer nicht reagiert. Kin Beispiel einer derartigen Lösung ist eine Losung neutraler Dichte aus Älhylenglykol, der Bleijcetat oder Zinkjodid zugesetzt ist. Das spezifische Gewicht des Äthylenglykols ist geringer als das spezifische Gewicht des zugesetzten Polj.ners. Um also eine Lösung mit dem richtigen spezifischen Gewicht zu erhalten, wird beispielsweise eine geeignete Menge an Blekcetat zugeführt, bis die Lösung das richtige spezifische Gewicht erreicht hat, um das bestimmte verwendete Polymer zu suspendieren. Auf diese Weise kann der polymere Zusatz auf unbestimmte Zeit ge.pgert werden und steht zu jeder Zeit für eine Verwendung zur Verfugung.

Ein Teil des Wassers in dem Rohr 4 strömt durch eine Leitung 9 in den Vorratsbehälter 8. Hier erzeugt es oberhalb der Trennwand 10 einen Druck, so daß bei Beginn des Betliebes in der Anordnung das suspendierte Polymer unterhalb der Trennplatte 10 die Membran 11 zerreißt und durch ein kleines Rohr 12 herausfließt, um sich Tropfen für Tropfen etwa in der Mitte des Strahls in das fließende Wasser zu mischen. Der Strahl kann sich ausdehnen und erzeugt eine sehr turbulente Mischung zwischen dem Wasser und dem Polymer.

In einer anderen Ausführungsform nach Fig.2 kann sich die Polymersuspension in einem Vorratsbehälter 13 befinden, der auf der einen Seite einen schmalen Auslaß 14 und in der Wand der anderen Seite einen Kolben 15 aufweist. Über die Auslaßseite des Behälters ist eine zerreißbare Membran 11 gespannt, um die Suspensionsflüssigkeit Von dem Wasser zu trennen, wenn die Polymereinspritzanordnung nicht benutzt wird. Auf ähnliche Weise könnte aber iuch ein Von Hand oder durch eine Magnetspule bedientes Ventil verwendet werden. Wenn die Anordnung benutzt wird, zerreißt die Membran durch die Kraft des Druckes der suspendierten Lösung und die Flüssigkeit fließt aus dem Tank heraus und in die Mischkammer 7 hinein.
Unabhängig von der verwendeten Ausführungsfarm gelangt das unter hohem Druck befindliche Wasser und das Polymer in einen Hydratisierungsbehälter 16, sobald sie in der Mischkammer 7 (Fig. 1) gemischt worden sind. Dieser Hydratisierungsbehälter 16 weist zellenförmige oder bienenwabenartige Unterteilungen auf, wo das fein verteilte Polymer genügend Zeit zur Hydratisierung mit dem Wasser findet. Da das Polymer fein verteilt ist und an der Düsenöffnung gut mit dem Wasser vermischt wurde, ist die Hydratisierungszeit stark vermindert, und die Hydratisierung erfolgt vollständig indem relativ kleinen Hydratisierungsbehälter.

Die Behälterabmessungen sind auch durch den Aufbau des Hydratisierungsbehälters 16 stark verkle^:- nerl, der ein bienenwabenartiges Gebilde 17 aufweis .

das sich von der Nähe des einen Endes b·' in die Nähe des anderen Endes des Behahers erstreckt Oas Polymer und das Wasser durchströmen das bienenkorbartige Gebilde 17, wenn eine Schubkraft auf sie einwirkt, wodurch eine innige und schnelle Mischung diest.·

»5 Substanzen bewirkt wird, jede Zelle der Bienenwabe bildet einen hohen Widerstand, so daß die Strömung recht gleichmäßig über den Behälter verteilt wird und die Durchflußzeit durch den Behälter hindurch für jedes Wasserpartikelchen etwa gleich ist. Dieses wäre nicht der Fall, wenn die Strömung in gerader Linie von dem Eingang 18 zu dem Ausgang 19 hindurchführen würde, wenn sich in dem Behälter kein bienenwabenartiges Gebilde befinden würde. Durch diese Anordnung wird eine sehr hohe Ausnutzung des Behältervolumens

J5 erzielt. Das hydralisierte Polymer gelangt unter verändertem Druck in ein Einspritzverieilerrohr 20 und sodann zu dem Schlitz 21. der zu der Grenzfläche zwischen der festen Oberfläche und dem Wasser führt, das sich relativ zu der festen Oberfläche bewegt. Die Einführung des hydratisierten Polymers an dieser Grenzfläche ermöglicht es, daß das Polymer entlang des festen Körpers fließt, und das Wasser strömt mit sehr viel weniger Turbulenz an der das Polymer enthaltenden Grenzfläche vorbei. Außerdem ist die erforderliche

f> Kraft, um eine bestimmte Flüssigkeitsmenge an eintm Ort an der festen Oberfläche vorbei zu bewegen, geringer, als wenn kein Polymer zugesetzt worden wäre. Umgekehrt betrachtet, drückt eine gegebene Kraft eine größere Flüssigkeitsrnenge an einem bestimmten Ort an der festen Oberfläche vorbei, wenn der Grenzschicht ein Polymer zugesetzt ist.

Die Größe des Hydratisierungsbehälters 16 kann für eine ausreichende Flydratisierung durch die Verwendung eines Nebenschlußsystems 22 wesentlich verringert werden. In diesem Fall wird nur ein geringer Teil des Wassers direkt durch die Düse des Misch-Hydratisierungsbehälters geführt. Hierdurch werden bedeutend höhere Prozentgehalte an Polymer in der Lösung erhalten. In diesem Tall ist die Konzentration des Wasserzusatzes aus dem Behälter 16 für die höchste Ausnutzung an der Wasser-Festkörper-Grenzfläche zu hoch. Deshalb werden diese höheren Konzentrationen mit dem Nebenfluß vor der eigentlichen Einspritzung Und Verwendung verdünnt. Diese Nebenleitüngs-Mi-

bj scheranordnung ist von größerer Bedeutung bei der Bestimmung der Größe der Mischeranordnung, da die Verdünnung gegenüber der Hydratisierung in weniger als einem Zehntel der Zeit durchgeführt werden kann.

Eine entsprechende Verkleinerung der Abmessungen des Hydratisierungsbehällers ist dann realisiert, wenn im Vergleich zu dem Fall, in dem der ganze I⁷IuD durch den Mischer und den I lydratisierungsbehäller hindurchgeführt wird, die gleichen Polymermengen erhalten werden.

Das hydralisierle Polymer, das eingespritzt und verwendet worden ist, kann erneut benutzt werden, indem unterhalb des Zuführungsverleilerrohrs ein Saugrohr angeordnet und ein großer Teil des hydratisieren Polymers abgezogen wird, wie es in dem bereits erwähnten US-Patent 33 03 810 beschrieben ist. Dieses hydratisierte Polymer wird dann durch eine Leitung 23 und eine Pumpe 24 zurückgeführt, und vor einer erneuten Einspritzung wird frisches Polymer zugesetzt. Dies wird als ein anderes Verfahren betrachtet, wenn ein lang dauernder Durchfluß zu erwarten ist und eine Rezirkulation dementsprechend Polymerersparnissc ermöglicht. Wenn der hydratisierte Polymerzusatz unterhalb des Einspritzrohres zurückgewonnen und dann zur erneuten Einspritzung zurückgeführt wird, kann der konzentrierte Polymerzusatz aus dem Hydratisierungsbehälter direkt zu dem zurückgewonnenen, etwas verdünnten Zusatz hinzugefügt werden, und die Mischung kann durch das Einspritzverleilerrohr 20 und den Einspritzschlitz 21 eingespritzt werden. Wenn der zurückgewonnene verdünnte Zusatz und die konzentrierten Zusätze im gemischten Zustand eine zu hohe Konzentration erzeugen, kann durch die Nebenleilung 22 eine gemessene Wassermenge zugeführt werden, bis eine geeignete Konzentralion hergestellt ist.

Die Funktionsweise der Anordnung nach Fig. 1 ist, wenn sie an eine wasserführende Leitung angeschlossen ist, etwa die folgende. Ein Polymer mit hohem Molekulargewicht und Molekülen linearer Kettenbildung werden in einer nichtreagierenden Flüssigkeit neutraler Dichte suspendiert und unter Druck Tropfen für Tropfen in eine Wasserdüse gedrückt. Das Polymer und das Wasser v/erden in einem Mischbehälter verwirbelt und gelangen dann in einen Hydratisierungsbehälter, in dem die Hydratisierung vollendet wird. Nach der Hydratisierung wird das hydratisierte Polymer in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingeführt, an der es entlangfließt. Das hydratisierte Polymer kann direkt in die Grenzschicht eingegeben werden oder einem anderen hydratisieren Polymer zugesetzt werden, das unterhalb des ZufUhrungsvcrleilcrrohrcs aus der Grenzschicht zurückgewonnen worden ist und nun zurückgeführt Und erneut in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingegeben wird. Die Größe des Hydratisicrungshchältcrs kann auf Wunsch verringert werden, indciti nur ein kleiner Teil des Wassers durch die Düse, die Mischkammer und den Hydfatisierungsbehälter hindurchgeführt wird, während der Rest des Wassers, das mit dem konzentrierten hydratisieren Polymerzusal7 zwischen dem Hydratisierungsbchälter und dem Punkt der Einspritzung gemischt werden soll, Um diese Bauteile herumgeführt wird.

Die andere Ausfülirungsform eines Vorratsbchä'tcrs nach Fig.2 weist einen Motor 25 für eine Bewegung

(5 des Kolbens 15 in dem zylindrischen Behälter 13 auf. Der Motor 25 kann durch den gleichen, nicht dargestellten Schalter gestartet werden, der die Spritzpumpe steuert. Wenn die Pumpe und der Motor gestartet werden, zirkuliert dadurch Wasser unter hohem Druck und bildet an der öffnung 6 einen Strahl hoher Geschwindigkeit. Die Polymersuspension wird durch die Leitung 12 in Hen Wasserstrahl eingespritzt, wenn der Motor 25 in Betrieb ist und den Kolben bewegt. Die Funktionsweise der Gesamtanordnung isl auch unter der Verwendung dieser Ausführungsform die gleich«, wie sie anhand der Fig. 1 vorstehend bereits beschrieben worden isl. In dem Hydratisierungsbehälter 16 ist eine in Fig.3 dargestellte Honigwabe 17 angebracht, die den Behälter ausfüllt, so daß die gesamte durch den Behälter hindurchlretendc Flüssigkeit beim Durchströmen der Honigwabe beeinflußt wird, wie es oben erläutert isl. Die Honigwabe 17 sollte so fein sein, daß eine Schichtung der Lösung oder ein Kanaleffekt verhindert wird und eine fortgesetzte Mischung und Hydratisierung des bestimmten Polymers in der Wasserlösung möglich ist.

Der Ausdruck »Zusatz oder Polymer«, wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll alle Polymere oder Zusätze einschließen, die die Eigenschaft der Widerstandsverminderung aufweisen, wenn sie mit einer Flüssigkeil gemischt werden. Der Begriff »hydratisiertes Polymer« soll alle diejenigen Zusätze umfassen, die für eine ausreichend lange Zeit einer Flüssigkeit ausgesetzt worden sind, um ihre Eigenschaften der Widerstandsverminderung vollständig entwickelt zu haben.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

!. Verfahren zum Mischen eines den Strömungswiderstand einer Flüssigkeit vermindernden polymeren Additivs, das in hydratisierter Form in eine Festkörper/Flüssigkeit-Grenzschicht injiziert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in einem Lösungsmittel derart suspendiert wird, daß die Suspension im wesentlichen das gleiche spezifische Gewicht hat wie das Additiv, und dann die Suspension teilweise bis zu einem solchen Grad hydratisiert wird, daß in der Lösung eine Oberschußkonzentration an hydratisiertem Additiv vorhanden ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Additiv in Äthylenglykol suspendiert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Äthylenglykol Bleiacetat zugesetzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Älhylenglykol Zinkjodid zugesetj'.t wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydratationsprodukte vor ihrer Injektion auf (iie Grenzfläche Festkörper/Flüssigkeit verdünnt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydratationsprodukte vor ihrer Injektion auf die Festkörper/Flüssigkeit-Grenzfläche 'lit zuvor injiziertem und rezirkuliertem hydratisiertem Polymer kombiniert werden.
7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6 nut είητ Vorrichtung zur Injektion des hydratisierten Additivs in die Festkörper/Flüssigkeit-Grenzfläche, gekennzeichnet durch eine Mischkammer (7) zur schnellen Bildung einer Suspension des Additivs in einem Losungsmittel, eine mit der Mischkammer (7) verbundene Hydratationsvorrichtung (16) zur Hydratation der gebildeten Suspension bis zur Erzeugung einer Lösung eines beträchtlichen Anteils des polymeren Additivs.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischkammer (7) eine Vorrichtung (12) aufweist zur Herstellung eines Kontaktes des polymeren Materials mit einem Strom des Lösungsmittels und der Hydratationsprodukte während der Leitung der Suspension zur festen Oberfläche (2).
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Nebenschlußleitung (22) zur Mischkammer (7).
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Speichertank (8) und einen Hydratationstank (16) aufweist, der eine mit der Mischkammer (7) verbundene Kammer enthält, und daß mit dieser Kammer des Hydratationstanks (16) die Vorrichtung (20) zur I njektion der gebildeten Lösung in die Grenzschicht verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß in einem Ende des Speichertanks (8) ein Kolben (15) gleitend angebracht ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daft ein flexibles Diaphragma (10) benachbart zur oberen Wandl des Speichertanks (8) über demselben befestigt ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1Ü bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß einii zerbrechliche Membran (U) den Speichertank (8) überspannend nahe seiner unteren Wand angebracht ist.