NO168910B - Fremgangsmaate for forbedret polymerisk motstandsreduksjonsytelse vedinnsproeytning gjennom en matrise med langt anlegg - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en fremgangsmåte for å forbedre motstandsreduksjonen i fluider som strømmer gjennom rørlednin-ger. Især angår oppfinnelsen en fremgangsmåte ved innsprøyt-ning av polymerer med høy molekylvekt inn i kanaler med strøm-mende væske.

Oppfinnelsen er en forbedring i forhold til oppfinnelsen som er beskrevet i norsk patentsøknad nr. 883106, og som bruker en matrise med flere åpninger omfattende en sikt eller en enkelt plate.

Minskningen av motstanden i hydrokarbonstrømmen gjennom rørledninger er kjent og beskrevet i US-PS 3 629 676. Dette patentskrift beskriver en fremgangsmåte hvor motstandsreduksjonen i prosent kan måles. Imidlertid beskriver patentskriftet også innsetning av det motstandsreduserende additiv som et oppløselig fast materiale.

Andre representative, men ikke-utfyllende teknikker omkring dette, inkluderer US-PS 3 736 288 hvor forskjellige motstandsreduserende materialer tilsettes for å få frem en forskjøvet oppløsning- eller styrt oppløsningsegenskap ved å bruke forskjellige molekylvektfraksjoner og/eller partikkel-størrelser. Patentskriftet inneholder også pumpeevne, tømme-evne, stratifikasjonsmotstand og lignende. US-PS 3 601 079 beskriver et vannoppløselig, polymert materiale blandet med vann i et blandekammer før innsprøytning i en rørledning. US-PS

3 884 252 beskriver en fremgangsmåte for å redusere oksydasjons-degradering og kold strøm av polymersmuler ved å senke smulene i et ikke-oppløsende middel med etterfølgende støvtørring før innsprøytning av polymersmulene eller smulevellingen og vann inn i et hydrokarbonfluid og la smulene gradvis og kontinuer-

lig oppløses i rørledningen. Innsprøytning av friksjonsreduser-ende polymerer er også beskrevet i US-PS 4 263 926. Et måle-system for motstandsreduserende dispergering er beskrevet i US-PS 3 900 034.

Det finnes også noen teknikker som angår en fremgangsmåte for å oppløse polymerer i en løsning. Denne teknikk er ikke-uttømmende vist i US-PS 2 639 275, 3 468 322, 3 891 593

og 4 537 513. Disse patentskrifter angår fremgangsmåter for å oppløse en bestemt mengde polymerer i en bestemt mengde opp-løsning ved å bruke en fremgangsmåte for resirkulering eller

oppløsning. Imidlertid krever slike fremgangsmåter for å opp-løse polymérer, ekstra utstyr og det ville være meget å fore-trekke å innsprøyte motstandsreduserende midler direkte inn i en rørledning.

Det er derfor et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe en forbedret fremgangsmåte for innsprøyting av motstandsreduserende midler inn i rørledninger som inneholder strømmende væsker, for å øke den motstandsreduserende effektivitet i slike additiver. Ifølge oppfinnelsen oppnås dette formål ved hjelp av de karakteristiske trekk angitt i den kjennetegnende del av krav 1. Forskjellige utførelser er angitt i de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen er anvendelig både for rørledninger som fører vann og hydrokarboner og kan også brukes for å innsprøyte enten vannløselige eller hydrokarbonløselige motstandsreduserende additiver.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med noen utførelseseksempler og under henvisning til tegningene, der fig. 1-1 viser en matrise med en åpning som inneholder fire hull, idet hver åpning har en diameter på

3,18 mm, fig. 1-2 viser en matrise med åtte hull, hvor hvert hull har en diameter på 1,59 mm, fig. 1-3 viser en matrise med tolv hull, hvor hvert hull har en diameter på 1,59 mm, fig. 1-4 viser en matrise med 19 hull hvor hvert hull har en diameter på 1,59 mm, fig. 1-5 viser en matrise med 12 hull hvor hvert hull har en diameter på 1,5 9 mm, og hvor matrisen er plassert i innsprøytningsdysen (innvendig matrise), slik at polymeren kan gjenforbindes før innsprøytning, fig. 1-6 viser en matrise med 19 hull, hvor hvert hull har en diameter på 1,59 mm, og hvor matrisen er en innvendig matrise plassert omtrent 50 mm inn i dysen, fig. 1-7 og 1-8 er sammenlignbare matriseformer som består av en sikt på 1,19 mm og hvor 1-7 er innsprøytnings-enden av dysen og 1-8 inneholdt dysen omtrent 50 mm inn i inn-sprøytningsdysen, fig. 1-9 viser samme dyse plassert to steder i ledningen, et sted omtrent 38,1 mm inn i innsprøytnings-dysen og et sted ved dysens ende, fig. 1-10 viser en matrise med fem hull hvor hvert hull har en diameter på 1,19 mm, anbragt omtrent 76,2 mm inn i innsprøytningsdysen, fig. 1-11 viser en dyse med tre åpninger som hver har en bredde på £ mm,

anbragt omtrent 76,2 mm inn i innsprøytningsdysen, fig. 1-12 viser en vanlig innsprøytningsdyse med en enkelt åpning ved innsprøytningsenden, fig. 1-13 viser en begrenset matrise med en åpning med en diameter på 4,57 mm, fig. 1-14 viser en åpen, 6,35 mm rørdyse med en åpning på 4,57 mm, fig. 1-15 viser en foretrukket utførelse som omfatter en langstrakt matrise med 8 hull, 101,6 mm lang med en anleggsflate på 101,6 mm og som har et lengde/diameterforhold på omtrent 42.

Fig. 1-16 viser en ringformet matrise som har en

bredde på 0,699 mm og et lengde/diameterforhold på omtrent 72, fig. 1-17 viser en ringformet matrise med en bredde på 1,093 mm og et lengde/diameterforhold på omtrent 47, fig. 1-18 viser en matrise som har en åpning på 1,04 x 10,92 mm og et lengde/ diameterforhold på omtrent 24, fig. 1-19 viser en matrise som på fig. 1-13 med en spalteåpning.

Dysene på fig. 1-16, 1-17, 1-18 og 1-19 ble prøvet for å observere effektiviteten i andre matriseformer enn sirkulære. I forhold til en dyse med åpen ende viste disse dyser en forbedring. Dysene på fig. 1-16 og 1-18 var spesielt effektive. En observasjon som ble gjort under innsprøytning fra disse dyser var at, selv om matriseformen ikke var en åpen sirkel, antok de formede tråder en bestemt sylindrisk form innenfor omtrent 1 mj nedstrøms innsprøytningspunktet. I hvert tilfelle undergikk trådene deformering umiddelbart etter dysen idet de mistet sin form og antok en sylindrisk form. Denne deformering førte til den mest stabile form for trådene, nemlig den sylind-riske, under dynamikken fra den strømmende væske.

Motstandsreduserende midler blir løpende innsprøytet i rørledningene som inneholder enten vannholdige eller hydro-<1>karbonvæsker, for å oppnå en motstandsreduksjon. Optimal mot-standsreduks jon avhenger av plasseringen av midler slik at det oppnås effektiv oppløsning i rørledningsfluidet. Slike midler kan innsettes i rørledningen på mange måter, men vanlig praksis er å innsprøyte en meget tykk polymeroppløsning som inneholder 1 omtrent 50% polymer, men fortrinnsvis inneholdende 10 vekt% polymer eller mindre. I oppfinnelsen er det mest foretrukket å innsprøyte ikke-krystallinsk, hydrokarbonoppløselig, motstandsreduserende polymerer med høy molekylvekt (over én million), inn i rørledninger som inneholder strømmende hydro-

karboner.

Det er blitt oppdaget at optimal oppløsning avhenger meget av utformingen av matrisen og innsprøytningen. Vanligvis brukes matriser med en enkelt åpning for å innsprøyte en polymer eller polymeroppløsning inn i rørledningen med strømmende hydrokarboner. Ved oppfinnelsen oppnås en overraskende økning av den motstandsreduserende effektivitet. Virkningen er enda større enn ved bruk av matriser med flere åpninger.

Oppfinnelsen avhenger ikke alene av overflatearealets virkninger selv om generelt store overflatearealer er kjent for å gi bedre mulighet for oppløsning. I oppfinnelsen spiller imidlertid andre faktorer en rolle og bestemmer additivets totale motstandsreduserende effektivitet.

Med reservasjon om teorien, antas at optimal oppløs-ning er avhengig av formingen av stabile polymere tråder i det motstandsreduserende additiv som tilsettes strømmen i rørled-ningen. Disse additiver vil så trekkes ut i tråder med mindre diameter og som kan anta en lengde på over 100 m under oppløs-ning av de dynamiske virkninger av væsken i rørledningen. Ved å bruke vanlig praksis for å innsprøyte det motstandsreduserende additiv gjennom en enkelt åpen port i rørledningens vegg, oppnås bare begrenset oppløsning og tråddannelse. Ved å bruke en dyse eller port med flere åpninger forbedres oppløsningen. Likeledes forbedres tråddannelsen ved skjærforhold i polymeroppløsningen ved å tilveiebringe flere tråder som er stabile under tråddannelsen og de dynamiske virkninger av oppløsningsprosessen. Slike matriser gir også optimale tråddimensjoner for oppløs-ningen, og anleggslengden i oppfinnelsen gir en enda større trådstabilitet.

Eksemplene ble utført ifølge en standard testprose-dyre for alle eksemplene. I testprosedyren ble oppløsnings-kapasiteten i de forskjellige dyser prøvet ved å innsprøyte et motstandsreduserende additiv, "CDR Flow Improver" (varemerke av, og solgt av Conoco Specialty Products Inc.) i nr. 2 diesel-brennstoff som strømmet gjennom et rør med en diameter på 50,8 mm og hvor den resulterende motstandsreduksjon ble målt som beskrevet i US 3 692 676. Den motstandsreduserende testsløyfe består av 182,88 m, 50,8 mm 80-rør som hvert inneholdt fem segmenter på 26,52 m. Trykkforskjellen i hvert segment kan måles i rekkefølge. Dieselbrennstoffet som hadde en temperatur på omtrent 24°C ble ført gjennom utstyret i en hastighet på 227,12 l/min., eller 1,987 m/sek. under prøvingen. Forskjellige nivåer med "CDR Flow Improver" tilleggsstoff 102M (fra Conoco Specialty Products Inc.) ble innsprøytet i utstyret i samme hastighet med 100 deler pr. million (ppm) i hver test og den resulterende motstandsreduksjon ble målt i hvert rørseg-ment. Femten forskjellige dyser ble prøvet, de fleste frem-stilt av 12,7 mm rør. Innsprøytningspumpen var en sylinder-pumpe med konstant drift tilkoblet innsprøytningsdysen ved hjelp av en lengde av et 12,7 mm rør.

Eksempel 1

Elleve dyser ble prøvet for å få frem overflatearealets virkning på oppløsningsadferden. Prøveresultatene viste at overflatearealet ikke fullstendig styrer oppløs-ningsadf erden. Selv om et større overflateareal gir en større sjanse for oppløsning, spiller også andre faktorer en rolle og bestemmer den totale effektivitet. Som det fremgår av tabellene, gir åpne dyser med et større overflateareal ikke en større prosentvis motstandsreduksjon men ga faktisk en lavere prosentvis motstandsreduksjon i det første segment. Overflatearealets genereringshastighet var basert på en inn-sprøytningshastighet på 23,4 cm<3>/min. Resultatene er vist i tabell 1.

Dataene i Tabell 1 viser klart at for åpne rørdyser, ga ikke alltid en høyere overflateareal-genereringshastighet en større prosentvis motstandsreduksjon, noe som fremgår ved å sammenligne dysene 1-12 og 1-14. For dyser som inneholdt matriser ble best resultat oppnådd fra dyser som tilveie-bragte middels overflatearealgenerering, hvilket fremgår ved å sammenligne testresultatene fra dysene 1-13, 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 og 1-7. For innsprøytningsdyser med samme overflatearealgenerering ble det oppnådd en betydelig forskjell i prosentvis motstandsreduksjon på grunn av andre virkninger, hvilket fremgår ved å sammenligne dysen 1-7 og 1-9.

Eksempel 2

Prøver ble utført for å vise viktigheten av matrisens plassering. Virkningen av matrisens plassering på den prosentvise motstandsreduksjon er vist i tabell 2.

Testresultatene i Tabell 2 viser at matriser som er plassert flere cm før innsprøytningsenden av dysen ga en

betydelig større motstandsreduksjon i forhold til en helt

o åpen dyse. Dataene viser også at en matrise med flere hull ved innsprøytningsenden av dysen, er meget fordelaktig slik som vist i eksemplene 1-1, 1-2, 1-3, 1-4 og 1-7. Det er klart at det er viktig å utøve matrisevirkningene på det motstandsreduserende additiv umiddelbart før innføring i strøm-5 men. Utøvelse av matrisevirkningene et stykke før dysens innsprøytningsende gjør det mulig for de motstandsreduserende additiver å gjenforbindes og falle til ro etter

matrisens påvirkning- og således minske motstandsreduksjons-effektiviteten.

I oppfinnelsen er det anvendt en langstrakt matrise hvor hver matriseåpning er vesentlig utstrakt for å gjøre innsprøyt-ningspunktet mer effektivt ved mer fullstendig kondisjone-

ring av det motstandsreduserende additiv. Denne av-

standen for utstrekningen av anleggslengden kan bestemmes av formelen:

hvor lengden er lengden av den utstrakte matrise og den hydrauliske diameter er ekvivalentdiameteren for åpningen sammenlignet med en sirkelformet åpning. Den hydrauliske diameter kan defineres av formelen:

For å oppnå fordelene ved oppfinnelsen, bør L/D være minst 1. Det er foretrukket at L/D er minst 10 og et L/D-forhold mellom 20 og 100 er mest foretrukket.

Oppløsningsytelsen kan likeledes fremmes ved å

bruke en langstrakt matrise hvor hver åpning er plassert i forskjellig avstand fra rørledningens vegg men hvor landene har samme lengde. I en slik utformning vil hver åpning i matrisen gi en lik additivkondisjonering. Den langstrakte matrise påvirker reologien i de visko-elastiske, motstandsreduserende polymerer ved å forandre polymerens adferds-historie umiddelbart før innsprøytning i væsken. Lengden av landet ser ut til å minske oppsvulming i matrisen, øke trådstabiliteten og øke oppløsningshastigheten og den resulterende motstandsreduksjon.

Oppfinnelsen modifiserer således de motstandsreduserende additiver på mekanisk måte før innsprøytning for å øke de fysiske strømningsegenskaper og etter hvert oppnå

bedre oppløsning og tråddannelse i det motstandsreduserende additiv. Bedre tråddannelsesegenskaper, etterhvert som det motstands-

reduserende additiv tilsettes strømmen i rørledningen, gir en stabil tråddannelse som er vesentlig for optimal oppløs-ning og ytelse av det motstandsreduserende additiv.

Det er bare nødvendig at matrisen utfører noe arbeid etterhvert som det motstandsreduserende additiv blir inn-sprøytet. Det foretrekkes at matrisen har flere åpninger og inneholder minst fire åpninger. Åpningene kan være av ønsket størrelse og kan omfatte trådduk og lignende.

Effekten av oppfinnelsen har ikke tidligere vært sett, da de fleste trådduker eller sikter ved innsprøytninger brukes oppstrøms innsprøytningsdysen og innsprøytningspumpen for matrisen og brukes hovedsakelig for å sile fremmedlegemer fra å komme gjennom pumpen eller å bli innsprøytet i rørled-ningen. Således har ingen forbedring i motstandsreduksjonen vært sett, helt til en siktduk eller flere matriser ble plassert ved eller nær enden av innsprøytningsdysen.

Åpningene kan være rundt periferien av en innsprøyt-ningsledning forutsatt at selve åpningene danner det faktiske innsprøytningspunkt. Kjente matriser, såsom rørformede eller fløyteformede matriser, hvor innsprøytningsportene er anord-net med økende avstand fra rørledningens vegg, gir ikke de samme fordeler som oppfinnelsen. På grunn av den ikke-Newtonske strøm i det mostandsreduserende additiv, vil hydro-karbonene ikke strømme jevnt gjennom portene i en "fløyte", og derved gi en sterk svingende strøm som fører til at trådene brytes, og således reduseres effektiviteten av motstands-reduks jonen.

Selv om disse utførelser og detaljer er blitt vist for å illustrere oppfinnelsen, vil det fremgå for fagmannen at forskjellige forandringer og modifiseringer kan utføres uten å fravike oppfinnelsens ånd eller omfang.

Claims (5)

1. Fremgangsmåte ved innsprøytning av polymerer med høy molekylvekt inn i kanaler med strømmende væske, KARAKTERISERT VED at den omfatter innsprøytning av polymerene som en oppløsning med inntil 50% polymerer gjennom minst én matrise som har flere åpninger i det vesentlige i innsprøyt-ningsenden av matrisen, hvor matrisen er en matrise med langt anlegg, idet anlegget for hver matriseåpning er bestemt av forholdet L/D, hvor L er lengden av anlegget og D er matrise-åpningens diameter, og hvor L/D er minst 1,0.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, KARAKTERISERT VED at den omfatter innsprøytning av polymerene som en oppløsning med inntil 50% polymerer gjennom minst én matrise, hvor matrisen er en matrise med langt anlegg, idet anlegget er bestemt av forholdet L/D hvor L er lengden av anlegget og D er den hydrauliske diameter av hver matriseåpning, og hvor L/D er minst 10.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, KARAKTERISERT VED at L/D er fra omkring 20 til omkring 50.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, 2 eller 3, KARAKTERISERT VED at den innsprøytede polymer er en ikke krystallinsk hydrokarbonoppløselig polymer med høy molekylvekt, og den strømmende væske er en hydrokarbonvæske.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, KARAKTERISERT VED at matriseåpningene i innsprøytningsenden av matrisen har forskjellige avstander fra kanalveggen, og hver åpning har i det vesentlige det samme L/D-forhold.