專利名稱：利用一種長腔模子注射法改善聚合物減阻劑性能的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善流經(jīng)管道的流體的減阻方法。更具體地說是涉及一種利用注射減阻劑通過至少一個帶有若干個孔而每個孔與管道壁基本等距離的長腔模(land-lengthdie)以改善液體通過該管道的減阻情況的改進方法。該方法提供了比用長腔模的現(xiàn)時注射方法的減阻作用具有意想不到的提高。
本發(fā)明是在與本發(fā)明的申請同時提交的標題為“利用一種模腔式噴嘴的注射法改善溶解性能”申請中所描述的發(fā)明之上的一項改進，該模腔式噴嘴是采用帶有一個篩網(wǎng)或單一模板的多孔模構(gòu)成的。
碳氫化合物液體流經(jīng)管道的減阻問題在美國專利3，629，676號中有所介紹。該參考資料中提供了一種能夠測量減阻百分比的方法。但是該參考資料同樣地介紹了以一種溶解的固體作為減阻添加劑加入。
其它具有代表性的，但不是完全該專業(yè)領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)有美國專利3，736，288號，在該專利中是采用改變分子量級分和/或顆粒度來顯示所添加的各種減阻組分的交錯溶解或控制溶解的特性。該參考資料中還公開了可泵性，傾倒性和分層阻力等。美國專利3，601，079號介紹了一種在注射入管道之前，先在一個混合容器內(nèi)將一種水溶性聚合物材料與水混合在一起。美國專利3，884，252號介紹了一種減小氧化降解和聚合物碎屑冷流的工藝，它通過將聚合物碎屑浸入一種非溶劑中，然后在將聚合物碎屑或者聚合物碎屑與水的漿狀物注射至碳氫化合物流體之前進行粉碎，并使該聚合物碎屑逐漸地和連續(xù)地在管道內(nèi)溶解。在美國專利4，263，926號中對減摩擦聚合物的注射也進行了介紹。在美國專利3，900，034號中對減阻的分散測量系統(tǒng)進行了介紹。
還存在一些現(xiàn)有技術(shù)有關(guān)將聚合物溶解于溶劑中的方法。這些技術(shù)在美國專利2，639，275號;3，468，322號;3，891，593號;和4，537，513號中進行了非詳盡地介紹。這些參考資料是論述用于采用循環(huán)或溶解手投將固定量的聚合物溶解到固定量的溶劑中去的方法。但是，這些溶解聚合物的方法都需要專門設(shè)備而且非常適合于將減阻劑直接注射到管道中去。
因此本發(fā)明的一個目的是提供一種用于將減阻劑注射到含有流動液體的管道中以提高這種添加劑的減阻效果的改進的方法。本發(fā)明對于含水的和含碳氫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氫化合物的減阻添加劑。這種添加劑通常都是在流動液體中可溶解的聚合物。其它的目的對于熟悉本專業(yè)技術(shù)的人員通過對本說明書的介紹將一目了然。
現(xiàn)在我已發(fā)現(xiàn)一種用于將高分子量聚合物注射到含有能夠溶解上述聚合物的流動液體的管道中去的改進方法，包括至少通過一個具有多孔的而其中每個孔基本上與管道壁是等距離的長腔模以一含聚合物最高達50%的溶液注射上述聚合物。本發(fā)明進一步包括一個最佳實施例，其中的孔都是基本上位于模子的注射端。該模子是一種比單純的多孔模所提供的減阻效果更大的長腔模。
附圖是表示本申請至試驗相關(guān)的各種模子結(jié)構(gòu)和安排布局。
在

圖1中模子結(jié)構(gòu)1-1是表示一個四通孔模子，每個通孔的直徑為1/8英寸。圖1-2表示一個八通孔模子，每個通孔直徑為1/16英寸。圖1-3表示一個12通孔模子，每個通孔的直徑為1/16英寸。圖1-4表示一個19通孔模子，每個通孔直徑為1/16英寸。圖1-5表示一個12通孔模，每個通孔直徑為1/16英寸，而其中該模子是放置在注射噴嘴之內(nèi)(內(nèi)模)，以便使聚合物在注射之前進行重新結(jié)合。圖1-6表示19孔通孔模，每個孔的直徑為1/16英寸，其中該模子是一個放置在噴嘴內(nèi)約2英寸的內(nèi)模。圖1-7和圖1-8都是由3/64英寸網(wǎng)眼組成的比較模結(jié)構(gòu)，其中1-7是在噴嘴的注射端，而1-8是在注射噴嘴內(nèi)2英寸內(nèi)的一個內(nèi)模。圖1-9表示同樣一種模子在一條線上放置兩個，其中一個放置注射噴嘴內(nèi)約1.5英寸處，而另一個是在噴嘴端部。圖1-10表示一個與通孔模，每個孔直徑為3/64英寸;放置在噴嘴內(nèi)約3英寸處。圖1-11表示一個3縫型模，每個寬為1/2毫米，放置在注射噴嘴內(nèi)約3英寸處。圖1-12是表示一個在注射端部具有一個單一個通孔的常規(guī)注射噴嘴。圖1-13是表示一個具有其通孔直徑為0.18英寸的窄小模。圖1-14是表示一個具有0.18英寸通孔的1/4英寸管子通孔模。圖1-15是表示一個帶有8個孔，模腔長度為4英寸和具有長度直徑比約為42的4英寸長模子的最佳實施例。
圖1-16是表示一個環(huán)形模，該環(huán)寬度為0.0275英寸而長度與直徑的比約為72。圖1-17是表示一個環(huán)形模，該環(huán)的寬度為0.043英寸而長度與直徑的比約為47。圖1-18是表示一個具有0.041×0.43英寸的縫和長度與直徑的比約為24的模子。圖1-19表示一個與1-13相似的帶通縫的模子。試驗噴嘴1-16，1-17，1-18和1-19用以考察非圓形模的模形狀效果。與開式端部噴嘴相比，這些噴嘴的確顯示出其效果有改善。噴嘴1-16和1-17的使用效果特別好。這幾種噴嘴進行注射時考察到，盡管這些模子都不是圓形通孔的，但在注射點的下游3英尺內(nèi)所形成的流束都是實體圓柱形。在每種情況下，流束經(jīng)過噴嘴以后就立刻進行變形，失掉其所形成的形狀而成為圓柱形。這種變形導(dǎo)致流束形成流動流體的動態(tài)特性最穩(wěn)定的圓柱形式。
現(xiàn)時都是采用將減阻劑注射至含水或者含碳氫化合物液體的管道中以便使其起到減阻的效果。獲得最佳減阻效果決定于所放置的添加劑是否在管道液體中能否有效地溶解。這些添加劑施加于管道中可以很多種形式，但實踐中流行的是采用注射非常濃的聚合物溶液，其最大濃度達50%聚合物，但最好是采用為10%(重量)或少一點的聚合物溶液。本發(fā)明的使用效果最理想的是將高分子量(超過一百萬)的非結(jié)晶碳氫化合物可溶性減阻聚合物注射到含有流動的碳氫化合物的管道中。
我已發(fā)現(xiàn)最佳溶解情況的獲得與模子的結(jié)構(gòu)和注射方法的關(guān)系非常大。在現(xiàn)時實踐中，使用一個或多個的單一通孔模將一種聚合物或聚合物溶液注射到流動的碳氫化合物管道中。采用本發(fā)明的方法將使所獲得的減阻效果達到意想不到的提高。其所得效果甚至比采用多通孔模還要大。
本發(fā)明的方法不僅僅決定于表面積效應(yīng)，盡管通常人們都知道較大的表面積會為溶解提供較多的機會。但是，采用本發(fā)明的方法其它因素在起作用而且決定著減阻添加劑的整個效果。
盡管就其實質(zhì)來說是有其理論原因的，但我不打算受此約束，我相信最佳溶解程度的獲得是決定于進入管道流體流中的減阻添加劑的穩(wěn)定聚合物流束的形成。然后這些添加劑就“拉絲”(“Wiredraw”)成較小直徑的流束，該流束在管路液體流的動態(tài)作用下進行溶解時可以達到幾百英尺的長度。采用在管道的側(cè)壁上通過一個單一的開口注射減阻添加劑的現(xiàn)時工業(yè)實踐，僅僅能夠獲得一個有限的溶解程度和束流。采用一個噴嘴或多通孔開口其溶解程度就得到改善。同樣地，通過聚合物溶液的剪切調(diào)整使流束得到改善，提供在“拉絲”情況下和在溶解過程的動態(tài)作用下穩(wěn)定的多流束。這種模子還能提供便于溶解的最佳束流尺寸，而本發(fā)明的長模腔能提供更好的流束穩(wěn)定性。
下面將結(jié)合實例并參考附圖對本發(fā)明進行更具體地描述。該舉例和附圖都是用于對本發(fā)明進行示范說明而不是進行限制。
這些舉例都是按照一種試驗步驟實施的，所有舉例中這些步驟都是規(guī)范化的。在試驗步驟中，各種噴嘴的溶解能力是通過注射一種減阻添加劑進行試驗的，這種添加劑的商標名稱為CDR 流動改進劑(CDR Flow Improver)該產(chǎn)品由柯那可專用產(chǎn)品公司(Conoco Spetialty Products Inc.)出售的，將該添加劑注射至經(jīng)過一個直徑為2英寸管子的2號柴油燃料流中，并以美國專利3，692，676號所介紹的方法測量減阻效果。該減阻試驗回路是由規(guī)范80的2英寸的管子600英尺組成，該規(guī)范80管子含有每段為87英尺的五段。在每段管子中的壓力差值可以按照順序進行測量。在試驗過程中該柴油燃料是在75°F溫度下，以60加侖/分(gpm)或6.52英尺/秒的流量流經(jīng)該系統(tǒng)。各種水平的CDR流動改進添加劑102M(由柯那可專用產(chǎn)品公司購到)在每次試驗中以每百萬份中加入100份(ppm)的相同的比率注射至該系統(tǒng)中，并在每個管子段中測量其減阻效果。共有15種各不同的噴嘴作了試驗，絕大務(wù)數(shù)是由1/2英寸的管子制造的。所采用的注射泵是通過一個一定長度的1/2英寸管子連接至注射噴嘴上的一個恒定驅(qū)動油缸泵。
例1將11種噴嘴設(shè)計進行試驗以說明表面積對于溶解特性的影響。試驗結(jié)果表明表面積并不完全控制溶解特性。雖然一個較大的表面面積為溶解提供較多的機會，而其它因素參與起作用并決定著整個的效果。如在下表中所示，具有較高的表面積構(gòu)成的通孔管噴嘴并不產(chǎn)生較高的減阻百分比，相反在第一段實際上產(chǎn)生低百分比的減阻作用。表面積生成率是基于23.4厘米3/分的注射率。試驗結(jié)果如表1所示。
表1試驗濕潤范圍開式流動面積表面積生成率減阻%噴嘴 (英寸) (英寸2) (英寸2/秒) 第1段第5段121.350.1450.2218.243.0140.570.02540.5310.342.9130.570.02540.5314.544.411.570.0490.7635.854.321.570.02451.5339.5/55.4/39.956.232.360.03681.5340.955.243.730.05831.5339.754.2152.390.05671.0044.160.375.250.0622.0240.7/55.840.354.495.250.0622.0234.5/49.7/32.149.9160.960.01321.7330.355.2170.860.01851.1117.347.6180.940.01741.2936.554.1190.950.02021.1232.351.4表1的數(shù)據(jù)清楚地表明具有較高的表面積生成率的開式通孔噴嘴并非總是產(chǎn)生較高的減阻百分比，如通過對噴嘴1-2與1-14進行比較可以看出。對于帶有模子的噴嘴，由提供中等的表面積生成率的噴嘴獲得最佳性能，如可從噴嘴1-13，1-1，1-2，1-3，1-4和1-7的比較試驗結(jié)果中可以看出。對于具有相同的表面積生成率的注射噴嘴，由于其它因素的影響在減阻百分比方面發(fā)生相當大的差別，通過對噴嘴1-7，與1-9的比較試驗中可以看出。
例2該試驗是用以顯示模子的安排布局的重要作用。模子的安排布局對減阻百分比的影響結(jié)果如表2所示。
表2試驗濕潤范圍開式流動面積表面積生成率減阻%噴嘴 (英寸) (英寸2) (英寸2/秒) 第1段第5段121.350.1450.2218.243.051.350.1450.2225.744.361.350.1450.2213.645.281.350.1450.2213.244.0101.350.1450.2223.543.0111.350.1450.2219.243.211.570.0490.7635.854.321.570.02451.5339.5/55.4/39.956.232.360.03681.5340.955.243.730.05831.5339.754.275.250.0622.0240.755.840.354.4152.390.05671.0044.160.3如表2所示的試驗結(jié)果表明將模子置于噴嘴的注射端的前面幾英寸處其減阻性能與完全通孔噴嘴相比其優(yōu)點不十分顯著。試驗數(shù)據(jù)還表明在噴嘴的注射端沒有多孔模子時，產(chǎn)生相當明顯的好處，如在舉例1-1，1-2，1-3，1-4，和1-7中所示。很清楚進入液流之前將模子的作用迅即施加于減阻添加劑上是非常重要的。當將模子的作用施加于噴嘴的注射端前面某一距離時，則使減阻添加劑進行重新組合并減小了模子的作用，這樣則會降低減阻效果。
在本發(fā)明中，是采用長腔模子，其中每個模子通孔必須增長一定距離以便足以使通過對減阻添加劑的更完全的調(diào)整來造成注射口更為有效。該距離可以通過以下式子確定(長度(L))/(水力直徑(D))其中長度是指增長的模子長度，而水力直徑是指開口比作一個圓形開口的當量直徑。該水力直徑可以通過下式確定(4×截面面積)/(濕潤范圍)為了獲得本發(fā)明的效益，L/D值至少應(yīng)當是1。較好是使L/D至少是10，而且L/D由20至100是最理想。
溶解性能同樣地可以通過采用長腔模子得到改善，其中每個通孔離導(dǎo)管壁以不等的距離，但是各模腔的長度是相等的。在這種模子結(jié)構(gòu)中，每個模子開孔形成相同的添加劑調(diào)整條件。該長腔模子通過迅即改變注射到液體中之前的聚合物工作過程來影響該粘彈性減阻聚合物的流變學(xué)。該長腔在很大程度上減小了模子的溶脹，促進了流束穩(wěn)定性并提高了溶解速率和減阻效果。
這樣本發(fā)明在注射之前物理上改進了減阻添加劑以便增強物體的流動特性并獲得較好的溶解程度和減阻添加劑的流束。當減阻添加劑進入管道流束時，較好的流束特性提供了作為最佳溶解和減阻添加劑性能必須的穩(wěn)定流束的形成。
唯一需要的是當減阻添加劑注射時，模子對它施以某種作用。該模子最好是多通孔式的而且至少要有4個通孔。其通孔的大小可根據(jù)要求設(shè)置，而且可以帶有篩網(wǎng)等等。
本發(fā)明的效果在現(xiàn)有技術(shù)中還沒有見到過，因為絕大多數(shù)篩網(wǎng)或濾網(wǎng)在注射系統(tǒng)中都是放置在注射噴嘴和注射泵的上游端，而且主要是用來從通過泵或注射進入管道的通道中濾掉雜質(zhì)。于是，只有在注射噴嘴的端部或靠近端部設(shè)置過濾篩網(wǎng)或多通孔模子時才能看到取得改進的減阻效果。
只要通孔本身形成實際的注射口，通孔可以圍繞著注射管道的周圍設(shè)置。已知的現(xiàn)有技術(shù)中的模子，如“細管”或“凹槽”，它們的注射噴口都是在離導(dǎo)管壁漸進地不同距離上，因此沒有本發(fā)明的優(yōu)點。由于減阻添加劑的非牛頓流動特性;碳氫化合物在凹槽中并不足均勻地流過噴口，而是造成一種強烈地脈動流動并導(dǎo)致嚴重的流束斷開，因此就降低了減阻效果。
為了對本發(fā)明進行示范性說明，對一些實施方案和細節(jié)已進行了介紹，顯然對于那些熟悉本專業(yè)技術(shù)的人員在不違背本發(fā)明的精神或范圍的情況下提出各種改變和改進型是可以的。
權(quán)利要求
1.一種用于將高分子量聚合物注射至含有流動液體的管道中去的改進方法，該方法包括通過至少在模子的端部具有若干個通孔的一個模子將上述聚合物以最大含量為50%的聚合物溶液注射至液體中，其中所述模子是長腔模子，上述長腔尺寸是由L/D確定的，其中L是模腔的長度而D是模子通孔的直徑，而其中L/D至少是1.0。
2.如權(quán)利要求1所述方法，包括注射上述聚合物是通過至少一個模子以最大含量為50%聚合物的溶液進行的，其中該模子是一種長腔模子，上述長腔尺寸由L/D的比值確定，其中L是該模腔的長度而D是該模子通孔的水力直徑，而其中L/D至少是10。
3.如權(quán)利要求2所述方法，其中L/D是約由20至50。
4.如權(quán)利要求1，2或3所述方法，其中注射的聚合物是一種高分子量的非結(jié)晶可溶于碳氫化合物的聚合物而且該流動液體是一種碳氫化合物液體。
5.如權(quán)利要求4所述方法，其中含通孔的模子表面是錐形的，以便在距管道壁不同的距離上形成注射通孔。
6.如權(quán)利要求5所述方法，其中在錐形的模子中長腔基本上是相等的。
全文摘要
通過將高分子量流體可溶性減阻聚合物經(jīng)過帶有多通孔長腔模子注射至流經(jīng)管道的液體流中，使該液體流的減阻作用得到改善。
文檔編號F17D1/16GK1031596SQ8810440
公開日1989年3月8日 申請日期1988年7月12日 優(yōu)先權(quán)日1987年7月13日
發(fā)明者雷·L·約翰斯頓 申請人:康諾科有限公司