DE7039035U - Vorrichtung zum mischen einer den stroemungswiderstand vermindernden suspension - Google Patents

Vorrichtung zum mischen einer den stroemungswiderstand vermindernden suspension

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Description

1 River Road Schenectady, N.Y./U.S.A.
Vorrichtung zum Mischen einor den Strömungswiderstand vermindernden Suspension 'Jt
Die Neuerung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Mischen einer den Strömungswiderstand von Strömungsmitteln in einer Rohrleitung vermindernden Suspension von feinen Polyäthylenoxidteilchen mit dem Strömungsmittel, die in die Grenzschicht zwischen der Rohrleitung und dem Strömungsmittel einspritzbar ist.
Beispiele für eine Verminderung des Strömungswiderstandes sind in den US-Patentschriften 3 290 883 "Drag Reduction in Hydraulic Equipment", 3 303 810 "Additive Drag Reduction with Recirculation" und 3 303 811 "Method and Apparatus for Drag Reduction"
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aufgezeigt. Die neuerungsgemäße Weiterbildung kann auch für irgendwelche anderen Anwendungen benutzt werden, in denen ein Molekül mit hohem Molekulargewicht und linearer Kettenbildung in einer Lösung für eine spätere Verwendung suspendiert werden soll.
Es hat sich gezeigt, daß genügend Zeit während der Hydratisierperiode vorhanden sein muß, damit nahezu das gesamte polymere Additiv, das in der Mischung vorhanden ist, gleichmäßig gelöst wird. Bei einer ungenügenden Hydratisierungszeit werden die strömungswiderstandsvermindernden Eigenschaften des Produktes nicht vollständig entwickelt. Bei vorzeitiger Injektion in die Grenzschicht ergibt sich eine bemerkenswert geringere Verminderung des Strömungswiderstandes, es sei denn, es wird überschüssiges Polymer eingesetzt. Hieraus folgt, daß die Strömungswiderstands vermindernden Additive in unwirksamer Weise eingesetzt werden, wenn die Zeit für die Hydratisierung zu kurz ist. Von besonderer Bedeutung ist das Problem in den Fällen, wo Beschränkungen bezüglich der Abmessung oder des Gewichtes der Vorrichtung oder der Zusammensetzung der Mischung bestehen. In solchen Fällen ist es wünschenswert, das Endprodukt kontinuierlich und wirksam in situ aus einem minimalen Vorrat des widerstandsverminderten Additivs durch Vorrichtungen zu erzeugen, die es mit einem Lösungsmittel mischen, das aus dem umgebenden Medium erhalten wird. Die Betonung von Gewichts- .und Größeneinsparungen in derartigen Systemen hatte bisher zur Folge, daß keine ausreichende Hydratisierung bei dem für Strömungswiderstandsverminderung erforderlichen Durchsatz erreicht wurde.
Andere Probleme entstehen ebenfalls beim kontinuierlichen Mischen eines polymeren, den Strömungswiderstand vermindernden Additives in situ, zur Erzeugung eines wirksamen Produktes für die Injektion in die Grenzschicht. Wirksame Additive sind sehr hochmolekulare Polymere, da sie den Vorteil bieten, mit äußerst geringer Konzentration eine vergleichsweise hohe Verminderung des Strömungswiderstandes zu ergeben. Derartige Polymere werden durch einwirkende
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Scherkräfte abgebaut und schließen daher beim Mischen mit dem flüssigen Lösungsmittel, das erforderlich ist, um die Lösungsgeschwindigkeit zu erhöhen, kräftiges Rühren aus. Weiterhin behindert die relativ hohe Viskosität dieser Additive den Hydratisierungsvorgang, da hochviskose Materialien schwer gleichmäßig in einem flüssigen Lösungsmittel zu dispergieren sind.
Aufgabe der Neuerung ist die Schaffung einer Vorrichtung zum Mischen einer Suspension eines Additivs oder Zusatzes wie feine Polyäthylenoxidteilchen mit einer Flüssigkeit zum Einspritzen dieser Mischung in eine Grenzschicht Festkörper-Flüssigkeit, um den Strömungswiderstand zwischen der Flüssigkeit der Grenzschicht und der Oberfläche zu vermindern, die sich relativ zu der Flüssigkeit bewegt. Die auftretende Hydratisierung soll dabei unmittelbar vor der Einspritzung erfolgen.
Diese Aufgabe wird bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art neuerungsgemäß dadurch gelöst, daß ein die Polyäthylenoxidteilchen enthaltender Speichertank mit einem langgestreckten, sehmalen Auslaß versehen ist. der seitlich in eine Mischkammer hineinführt, in der die Polyäthylenoxidteilchen mit einem Strömungsmittelstrahl mischbar sind, und die Mischkammer mit einem Hydrationstank verbunden ist, in dem ein bienenwabenförmiger Einsatz angeordnet ist.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Neuerung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Mit der Neuerung werden insbesondere die Vorteile erreicht, daß das lösliche polymere, den Strömungsxiiderstand vermindernde Additiv schnell mit einem flüssigen Lösungsmittel gemischt wird und diese Mischung von der Injektion in die Grenzschicht eine ausreichende Zeit hydratisieren kann, um das in der Mischung vorliegende polymere Additiv im wesentlichen zu lösen. Die Neuerung findet speziell Anwendung in Systemen, in denen die Flüssigkeit Wasser ist und das Additiv das wasserlösliche hochmole-
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kulare lineare viskoelastische polymere Polyäthylenoxid ist, das in der Form einer Dispersion von Teilchen mit kleiner Korngröße vorliegt. Der prozentuale Anteil des gelösten Polymeren in der Mischung ist eine Funktion der Zeit nach Einbringen einer bestimmten Menge des Polymeren in eine bestimmte Menge Wasser-. Die Lösungsgeschwindigkeit des Polymeren ist im Anfang hoch und fällt anschließend in steigendem Maße ab. Entsprechend hat die Kurve in einer graphischen Darstellung mit logarithmischer Skala, in der als Ordinate Prozent gelöstes Polymer und als Abszisse die Zeit eingetragen ist, einen steilen Anstieg, der einer schnellen Lösung entspricht. Dann zeigt sich innerhalb einer kurzen Zeit ein gerundetes Mittelstück, das einer mittleren Lösungsgeschwindigkeit entspricht, und ein kleines geneigtes Endstück, das sich der 100 % oder vollständigen Lösungslinie weitgehend asymptotisch nähert und einer langsamen Lösungsgeschwindigkeit entspricht.
Die Neuerung wird nun anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Fig. 1 ist eine schaubildliche oder schematische Darstellung der Neuerung,
Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform des in der Vorrichtung nach Fig. 1 verwendeten Speichertanks für die Polymersuspension, und
Fig. 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3-3 in Fig. 1.
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Die in Pig. 1 dargestellte Ausführungsform ist eine Vorrichtung zum Mischen von polymeren Additiven mit einer Flüssigkeit zur Injektion dieser Mischung oberhalb oder unterhalb des Zuführungsverteilers 1. In Fig. 1 ist zwar gezeigt, daß diese Mischanordnung an einer Rohrleitung angeschlossen ist, sie kann aber auch an irgendeiner anderen Stelle angeschlossen seinä wo eine Flüssigkeit entlang einer festen Oberfläche fließt, wie etwa der Seitenwand eines Behälters (Schiffes oder Fahrzeuges). Beispiele hierfür sind in den eingangs genannten Patentschriften dargelegt.
In der Ausführungsform nach Fig. 1 ist ein Zuführungsverteilerrohr 1 auf einer Leitung 2 angeordnet, und durch einen auf dem Umfang befindlichen Schlitz 3 in der Leitungswand wird Wasser in das Zuführungsverteilerrohr eingelassen. Dieses Wasser wird einer Rohrleitung h 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 danach spritzt das Wasser in die Mischkammer hinaus und verbreitert sich in Flußrichtung.
Ein Speichertank 8 enthält das polymere Material Polyäthylenoxyd in Form feiner fester Teilchen, das in einer Lösung neutraler Dichte suspendiert ist, die etwa das gleiche spezifische Gewicht wie das Polymer besitzt und mit dem Polymer nicht reagiert. Ein Beispiel einer derartigen Lösung ist eine Lösung neutraler Dichte aus Äthylenglykol. der Bleiazetat oder Zinkjodid zugesetzt ist. Das spezifische Gewicht des Äthylenglykols ist geringer als das spezifische Gewicht des zugesetzten Polymers. Sin weiteres System ist die Kombination aus Glyzerin und Alkohol. Um also eine Lösung mit dem richtigen spezifischen Gewicht zu erhalten, wird beispielsweise eine geeignete Menge an Bleiazetat zugefügt, bis die Lösung das richtige spezifische Gewicht erreicht hat, um das bestimmte zu verwendende Polymer zu suspendieren. Auf diese Weise kann der polymere Zusatz auf unbestimmte Zeit gelagert werden und steht zu jeder Zeit für eine Verwendung zur Verfügung.
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Ein Teil des Wassers in dem Rohr ^ strömt durch eine Leitung 9 in den Speichertank 8. Hier erzeugt es oberhalb der Trennwand einen Druck, so daß bei Beginn des Betriebes in der Anordnung das suspendierte Polymer unterhalb der Druckplatte 10 die Membran zerreißt und durch eine Kontakteinrichtung 12 in Form eines Rohrs herausfließt, um sich Tropfen für Tropfen etwa in der Mitte des Strahls in das fließende Wasser zu mischen. Der Strahl kann sich erweitern und erzeugt eine sehr turbulente Mischung zwischen dem Wasser und dem Iblymer.
In einer anderen Ausführungsform nach Fig. 2 kann sich die polymere Suspension in einem Speichertank 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 Speichertanks 13 ist eine zerreißbars Membran 11 gespannt, um die Suspensionsflüssigkeit von dem Wasser zu trennen, wenn die Polymereinspritzanordnung nicht benutzt wird. Auf ähnliche Weise kann aber auch ein von Hand oder durch eine Mangetspule bedientes Ventil verwendet werden. Wenn die Anordnung benutzt wird, zerreißt die Membran 11 durch die Kraft des Druckes der suspendierten Lösung und die Flüssigkeit fließt aus dem Speichertank 13 heraus und in die Mischkammer 7.
Unabhängig von der verwendeten Ausführungsform gelangen das unter hohem Druck befindliche Wasser und das Polymer in einen Hydratationstank 16, sobald sie in der Mischkammer 7 (Fig. 1) gemischt worden sind. Dieser Hydratationstank 16 v/eist einen Einsatz 17 mit zellenförmigen oder bienenwabenartigen Unterteilungen auf, in denen das fein verteilte Polymer genügend Zeit zur Hydratation mit dem Wasser findet. Da das Polymer fein verteilt ist und an der Düsenöffnung gut mit dem Wasser vermischt wurde, ist die Hydratationszeit stark vermindert und die Hydratation wird vollständig in dem relativ kleinen Hydratationstank 16 durchgeführt.
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Die Abmessungen des Tanks sind durch den Aufbau des Hydratationstanks 16 nach Fig. 3 stark verkleinert, dereinen bienenwabenartiges Einsatz 17 aufweist, der sich von der Nähe des einen Endes bis in die Nähe des anderen Endes des Hydrat_ationstanks l6 erstreckt. Das Polymer und das Wasser durchströmen den bienenwabenartigen Einsatz 17, wo durch einwirkende Scherkräfte eine innige und schnelle Mischung dieser Substanz bewirkt wird. Jede Zelle der Bienenwabe bildet einen gleichen Widerstand, so daß die Strömung recht gleichmäßig über den Hydrat . ationstank Io verteilt wird. Die Durchflußzeit durch den Hydrat ationstank l6 ist
für jedes Wasserpartikelchen etwa gleich. Dieses wäre nicht der Fall, wenn die Strömung in gerader Linie von dem Einlaß 18 zu dem Auslaß 19 hindurchführen würde, wenn sich in dem Hydrat ationstank kein bienenwabenartiger Einsatz I7 befinden würde. Durch diese Anordnung wird eine sehr hohe Ausnutzung des Volumens des
Hydrat ationstanks 16 erzielt. Die hydratisierte Lösung wird dann
mit Hilfe der Nebenleitung 22 zu der geeigneten Injektionskonzentration verdünnt oder kann direkt injiziert werden. Das Verfahren
im Hydrat ationstank zu einer hohen Konzentration zu mischen,
vermindert dessen erforderliches Volumen erheblich, während es die Herstellung wirksamer Mischungen ermöglicht. Das hydratisierte Polymer gelangt unter verändertem Druck in eine Injektionsvorrichtung 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 \*iel weniger Turbulenz an der überzogenen Grenzfläche vorbei. Hierdurch ist die erforderliche Kraft, um eine bestimmte Flüssigkeitsmenge an einem Ort an der festen Oberfläche vorbeizubewegen, geringer als wenn kein Polymer zugesetzt worden wäre. Umgekehrt betrachtet drückt eine gegebene Kraft eine größere Flüssigkeitsmenge an einem bestimmten Ort an der festen Oberfläche vorbei, wenn ein überziehendes Polymer zugesetzt ist.
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Die Vorteile der Direkteinspritzung der Polymerlösung in die Grenzschicht und Verdünnung an dieser Stelle werden durch das folgende Beispiel veranschaulicht.
EineWassertunneleinrichtung, die im Eintrittsbereich eines Rohres (Durchmesser 3,2 cm) eine Strömung aufwies, um eine sich bewegende Grenzschicht zu erzeugen, wurde über eine Anlegekanteninjektion mit einer 20 %-igen Aufschlämmung eines Polyathylenoxid-Koaguliermittels in einer Mischung aus Glyzerin und Alkohol versetzt. Das Mol-Gewicht beträgt ca. 5 x 10 ■ Die Injektionsdurehflußleistung betrug 1,13 l/Min, auf 2,5Ί cm des Umfangs bei einer Eingangskonzentration von 5000 ppm Polyäthylenoxyd. Das Polyäthylenoxyd wurde ungefähr 10 Sekunden vor der Injektion hydratisiert, wobei etwa ko % in Lösung ging. Das sind etwa 2000 ppm Pdyäthylenoxyd. Der Reibungsfaktor für dieses System war 5,17 x 10"^ (4-fache Wand-Schubspannung), geteilt durch den Staudruck. Die Reynold-Zahl wurde mit k,08 χ 10-* bestimmt (Durchschnittsgeschwindigkeit χ Durchmesser: kinematische Viskosität). Dieser Reibungsfaktor war etwa der gleiche, wie er bei einer Injektionsgeschwindigkeit von 6,72 l/Min, auf 2,5^ cm des Umfangs und 600 ppm vollständig hydratisiertem Koaguliermittel erhalten wurde. Dementsprechend ergibt die'direkte Injektion der konzentrierten partiell hydratisieren Lösung in die Grenzschicht, Verglichen mit der Injektion einer geringer konzentrier" ten Lösung von 600 ppm hydratisiertem Polyäthylenoxyd;, eine Verminderung von 6 ; 1 der Durchflußleistung mit einer Verminderung von 1,8 : 1 für den Polymerverbrauch. Dementsprechend wird eine Verminderung der Durchflußerfordernisse erreicht. Das Ergebnis ist, daß nur eine Pumpe geringerer Kapazität für die Mischung des Polymeren erforderlich ist und eine Einsparung an Polymeren für eine gegebene Leistung möglich wird.
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Claims (2)

Ansprüche
1. Vorrichtung zum Mischen einer den Strömungswiderstand von Strömungsmitteln in einer Rohrleitung vermindernden Suspension von feinen Polyäthylenoxidteilchen mit dem Strömungsmittel , die in die Grenzschicht zwischen der Rohrleitung und dem Strömungsmittel einspritzbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß ein die Polyäthylenoxidteilchen enthaltender Speichertank (8, 13) mit einem langgestreckten, schmalen Auslaß (12, 14) versehen ist, der seitlich in eine Mischkammer (7) hineinführt, in der die Polyäthylenoxidteilchen mit einem Strömungsmittelstrahl mischbar sind, und die Mischkammer (7) mit einem Hydrationstank (16) verbunden ist, in dem ein bienenwabenförmxger Einsatz (17) angeordnet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e kennzei chnet , daß der Speichertank (8, 13) an seinem einen Ende eine Druckplatte (10, 15) und an seinem anderen Ende eine Membran (11) aufweist, die bei Druckausübung auf die Druckplatte und die Polyäthylenoxidteilchen zerstörbar ist und den Austritt der Pblyäthylenoxidteilchen in den Auslaß (12, 14) des Speichertanks (83 13) frei gibt.
■ - e e
-'TQj.ohn.Q't , dsft dJ-Θ Prix c tcD 13.1/· Ij c (10^ duFc-ii'· ο,θώ »
. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Druckplatte (15) durch einen Motor (25; betätigt ist.
SdiüiZünspr. $ If. Bl. ^gestrichen
-5. B. TT
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DE7039035U 1969-10-24 1970-10-22 Vorrichtung zum mischen einer den stroemungswiderstand vermindernden suspension Expired DE7039035U (de)

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