CN1032852A - 改进高分子量减阻聚合物高粘度浓溶液性能的方法 - Google Patents

Abstract

通过让聚合物溶液流经一个模使高分子量粘弹 聚合物溶解，该模使聚合物成珠便于形成很细的丝且 被拉入流体。将成珠和流动速度达到平衡以保持形 成稳定的细丝。

Description

本发明涉及改进管道中流体流动的方法。更准确地说，本发明涉及通过用一种在流动的流体中加入减阻聚合物的方法来改进管道中流体流动的方法，所述的方法增加了减阻聚合物的效果并使管道中流动的流体摩擦力大大下降。

本发明的目的与1987年7月13日申请的美国专利申请073，664和1987年7月13日申请的美国专利申请073，663有关。

本发明是这些有关申请的改进。使用聚合物浓溶液本发明避免了上述申请的许多问题并提供了更为改进的减阻性能。

对管道中流动的烃类流体进行减阻是公知的。在美国专利3，629，676中叙述了这种作法的一个例子，该专利提供了一种可以测量减阻百分率的方法。该参考文献叙述了以聚合物液体加入的减阻添加剂。在本领域中另一个有代表性但并未包罗尽致的技术包括美国专利3，736，288，在该专利中加入各种不同配方的减阻剂，以展示使用不同分子量级和/或粒度的交错溶解或控制溶解的特性。这些物质是以聚合物固体的形式而加入的。该参考文献还公开了这些溶液的可泵唧性、灌注性、抗分层性等。美国专利3，601，076叙述了一种在注入管道之前于混合室中与水混合的水溶性聚合物材料。美国专利3，884，252叙述了一种减少氧化降解和聚合物屑冷流动的方法，它是把屑浸入一种非溶剂中，然后在把聚合物屑或聚合物屑的浆及水注入烃类流体之前进行分散并将屑逐渐而连续地在整个管线中溶解。在美国专利4，263，926中也叙述了注入减摩擦聚合物。在美国专利3，900，034中叙述了减阻分散计量系统。

还有一类技术涉及在溶剂中溶解聚合物的方法。该技术没有专门叙述用管道输送流体。美国专利2，639，275、3，468，322、3，891，593和4，537，513都是这个技术领域的代表但它们并非包罗尽致。这些专利都涉及用循环或溶解的方式把固定量的聚合物溶于固定量溶剂中的方法。然而，这些溶解聚合物的方法都需要额外的设备，并且最好是直接把减阻剂注入管线中。

因此，本发明的目的是提供一种把减阻剂引入含有流动液体的管道中以增加这些添加剂的减阻效果的改进方法。本发明对于水溶液管线和烃类液体管线都是有效的，而且既可用于注入水溶性减阻添加剂也可用于烃溶性减阻添加剂。这类添加剂一般是在流动液体中可溶的聚合物。随着以后的叙述，对于本专业的技术人员来说，其它目的将是显而易见的。

减阻添加剂的性能在很大程度上取决于这些添加剂在流动液体中的溶解。现已发现，把固体物质加入管线，并随着该物质通过管线使之溶解并不是促进减阻的有效方式，因为在需要这些物质提供减阻作用的时间之内，它们并未溶解。已经发现，最好把这些物质在溶解状态或以高粘度浓溶液加入，以便通过聚合物的溶解而促进减阻作用。

然而，还发现，非常高的分子量大大增强了所注入聚合物的减阻效果。相反地，随着分子量增大又发现，仅仅溶解时间不是减阻性能的唯一因素。

美国专利4，422，830指出，当泵入粘性化学液体的同时再在注入泵的吸入侧泵入一种相容的低粘度液体，泵的性能就提高了。低粘度液体就相当于一种润滑剂，并且还能协助将添加剂溶解或分散到流经管线的流体中。

然而，相互对照的共同未决申请073，663和NO    073，664发现，在表面所证实的，简单的溶解性能并不是唯一的依据。这些物质还必须以一种特定的方式吸入流动的流体中。

因此，提出一种可以把高分子量的减阻聚合物加入到流经管道的流体中的方法是很有好处的，该方法在一定程度上提高了减阻物质的性能，随着叙述的进行，这里的目的对于本专业的技术人员将是显而易见的。

现在我们已揭示出，通过许多最大尺度不超过2毫米的孔注入减阻聚合物溶液或浓溶液并让流动的流体流过这种由孔挤出的聚合物以使之溶解，就能够增强减阻聚合物降低管内流动液体摩擦损耗的效能，其中注入速度是这样的，在用流动的液体溶解之前在孔的流动液体管的一侧事实上不发生再聚集，并且在溶解之前聚合物浓溶液形成直径小于2毫米、长度一般小于约10米的很细的丝。该方法无论对于在烃类液体中加入烃溶性聚合物还是在水溶液中加入水溶性聚合物都是有效的。

本发明对用来溶解这些聚合物的其它技术，比如管道减阻添加剂和喷气式发动机燃料防烟雾添加剂是一种改进，因为在距离注入嘴出口或管侧几英寸以外的距离就没有直径大于约1～2毫米的聚合物流线了。一般说来，在大约10米或更近处溶解就完成了。传统的溶解方法产生一条聚合物浓溶液流线（或者是，若使用双注入嘴或多孔注入嘴则是多条流线），在流动的液体中流线延伸很长距离。在透明管道中进行的一些减阻研究已经证明，在注入点下游远至500英尺处都有聚合物浓溶液流线。这些传统的注入流线实际上可能慢慢变细，直至其直径与本发明的细丝初始引入时的直径相似。然而，本发明与先有技术的区别是，流动的流体能够携带减阻聚合物溶液的很小液珠并很快地延伸，很快地溶解成蜘蛛网那么细的线。所有已知的其它注入系统都使用了建立直径至少为几毫米的稳定注入流线的方法，但更重要的是，这些方法的流线极长，有时会延伸达一英里或更长。如果这种延伸的流线断裂、同自身分离或者过早地同注入嘴分离，就会发生严重的溶解问题，如流体本身回卷以及形成结块，这都不利于溶解。由于这种断裂必须小心地选择注入点，以避免管路拐弯，收敛流或其它可能使流线断裂的机械因素。反之，本发明在系统中不建立稳定的流线。溶解是在相当短距离的范围和非常短的时间内完成的。系统的机械性能，如转弯、三通、泵等的影响事实上都大大减小。因此，本发明最有特色的特征之一是，涉及很小的直径。形成很细的线以及在很短距离内完全溶解聚合物对本发明是很关键的。

图1和图2表明在减阻测试设备中一定测试环流管线管段的典型减阻性能图。图2表示在使用不同的注入方法时，在注入量为100ppm时的减阻百分比。图3表示在注入量为26ppm时，不同注入方法的结果。图4表明在使用预溶解的减阻聚合物时2英寸环流管的性能。图5和图6分别表明在100ppm的溶液和26ppm的溶液的条件下，2英寸环流管线中溶解的聚合物的百分数。

图1表示了在实例1中得到的实验信息，在图中，区域A受控于溶解作用，而区域B表示溶解速度，区域C表示降解速度。

图2和图3用图来表示了实例2中表1的数据。图2表示对于比较高的聚合物处理量100ppm的比较数据。标上“全溶解”的直方表示在全溶解条件下预期的减阻效果。标有“传统方法”的直方表示使用传统的聚合物注入装置得到的实际减阻效果。这两条直方的差值与未溶解的（因此是未充分利用的）聚合物的量有关。标有“本发明”的直方表明由于本发明更充分的溶解达到了较高的减阻效果。一组直方表示当所处理的烃流经测试环流管线时，它所流经的5段连续的管段中每段管的情况。逐段之间性能上的差异表明了加入聚合物技术的有效性。该图表明采用本发明可以实现注入聚合物的更充分和更迅速的溶解。

图3表示在使用比较低的处理量26ppm时，进行比较测试得到的与图2同样类型的信息。

图4表示相关性和在较高处理量下聚合物很强的饱和效应。表示出所得到的四个实际数据点。本图将这些数据点与由统计外推得到的预测性能曲线叠合。

图5和图6表示在测试环流管线中观察到的减阻性能与溶解的聚合物的实际浓度之间的关系。这些计算都列在表2中。图5涉及100ppm处理量，而图6表明在26ppm处理量时的同样的信息。

为了使本发明有效，必须具备几个条件。浓溶液必须是粘弹性的而且能形成可拉伸至几英寸长的很细的丝。溶解流体必需或者是流经注入装置的表面，或者是必须被搅动以使物流保持与注入嘴表面交叉。因此，本发明既可用于连续溶解过程也适用于间歇溶解过程。然而，重要的是，注入的物料在注入嘴的流体一侧不发生再聚集。

本发明使用的注入嘴，除了开口在其最大尺度上不超过2毫米以外，其余并不是关键的，而且注入嘴设计成使得在注入嘴出口侧的许多点，聚合物浓溶液形成小珠进入流动的液体中。

适于得到本发明数据的注入嘴的一个例子只不过是一根管子，在其一端固定安装上一张细目数的筛网。必须调节把浓溶液加入到管线的速度，使得能将细丝拉入流体流中。如果加入速度过大，那么在注入嘴的出口一侧浓溶液就会简单地再聚集而得不到预期效果。如果希尤氲乃俣冉细撸敲粗匾氖牵褂帽冉洗蟮淖⑷胱旎蚨嘀刈⑷胱煲员Ｖぴ诹鞫囊禾逯行纬杀匾南杆浚源锏奖痉⒚鞯男Ч?

使用本发明来对含烃流体减阻时，最好但并不是至关重要的是减阻聚合物基本是对数比浓粘度至少为11分升/克的α-烯烃聚合物。对数比浓粘度是分子量的间接度量，并可用75号Cannon-Ubbelohde四球剪切稀释粘度计测定。将试样制备成0.1克/分升的甲苯溶液。在25℃下测定粘度，结果被内插到300秒^-1。另外，α-烯烃聚合物最好由主要是至少有6个碳原子的高分子量单体制得，例如，至少60%（重量）的聚合物是由8个碳原子或大于8个碳原子的单体制得的。

使用α-烯烃聚合物对本发明仅是有利而已，并不是至关重要的。其它适于烃类流体减阻的聚合物（并未包罗尽致）包括：聚环氧烷类、环氧丁烷和环氧丁烷与丁烯左右烯类氧化物的共聚物，诸如苯乙烯-乙烯基吡啶共聚物和无规磺化的乙烯-丙烯-二烯三元共聚物。

随着注入嘴开口尺寸减小，本发明会更有效。然而，减小注入嘴开口尺寸也限制了可以加入到含有流动液体管线中的聚合减阻剂的量。最好注入嘴开口在其最大尺度上不大于1毫米。取决于管路流动流体特性等因素，甚至可以使用开口更小的注入嘴。

当流动液体是水溶液时，本发明能够使用对这些液体具有减阻效果的聚合物。这种聚合物有代表性但并非包罗尽致的例子有瓜尔树胶、多糖类、聚丙烯酰胺和聚环氧乙烷。

参考以下实例对本发明作更具体的叙述，其中所有份数和百分数除非另有说明都是以重量计。实例用以说明本发明但并不是限制它。

实例1

通过将减阻剂（牌号为CDR    Flow    Improver并由Conoco    Specialty    Products，Inc.出售）注入一个流有2号柴油的2英寸环流管线中来说明本发明。测试条件是：

柴油流速    60加仑/分

环流速度    6.52英尺/秒

柴油温度    73±1°F

柴油粘度    4厘斯

浓度    7.37%聚合物

管内径    1.939英寸

测量环流管线包括5个测量段，每段长度86英尺。注入点在第一段前63英尺。通过比较每段的减阻效果来跟踪溶解速度。溶解较快的系统在开始几段表现出较好的减阻效果。

用来说明本发明的注入嘴是这样制造的，即把一个细目数筛网装到一个2英寸的通道上。该通道基本上是一个简单的三通接头。

使用减阻制品时，要制成减阻剂在柴油中的预溶溶液。该预溶溶液用来展现在全溶解状态下聚合物的效能。还把使用标准多开口模的传统注入技术与本发明进行比较，这些开口产生的流线初始直径约1/8英寸。用大致为0.015英寸开口的40号美国标准目的网来说明本发明。注入速度在6至24厘米3/分的范围内变化。

表1表明本发明与一种开口直径约为1/8英寸的多孔注入嘴的减阻效果的比较，以及本发明和同样的减阻剂预溶溶液的减阻效果的比较。如果实现了完全溶解的话，预溶溶液清楚地表现出预期的性能。明显看出，本发明保证了更为有效的溶解结果。使用本发明时，在第二段前就发现溶解已达到最大值，而传统注入技术则需要约4段。溶解的减阻剂的数量甚至大到使用传统技术从未达到的程度。逐段比较这些数据就能观察到这种技术资料。很清楚，在各种情况下，都会达到最大减阻效果并在下一段下降。这个下降的原因是溶解的聚合物发生少量的剪切降解。在前面几段，这种降解为溶解作用所补偿，溶解作用释放出更多的聚合物产生了减阻作用。段一段特性图如图1所示。在图1中，区域A受控于溶解作用，区域B表明溶解速度平衡了降解速度，而区域C则是降解速度占优势。

表1

减阻效果%    -100ppm注入量

段    全溶解    传统注入法    改进注入法

1    68.0    38.3    56.2

2    67.5    47.7    61.0

3    67.0    48.5    62.0

4    66.5    50.9    62.1

5    66.0    50.2    61.2

减阻效果%    -26ppm注入量

段    全溶解    传统注入法    改进注入法

1    53.8    26.5    44.9

2    51.4    30.4    45.8

3    48.8    33.4    42.5

4    45.7    34.3    39.5

5    43.0    30.8    36.9

实例2

使用实例1的方法及不同的减阻剂浓度来说明两个发明。结果列在表1，它表明，传统的注入法造成大部分减阻剂没有溶解，从而显示出本发明不仅溶解得较快，而且减阻聚合物还溶解得更完全。

我们已经发现，减阻效果与流动的流体中添加剂的浓度并不是线性关系。效果与浓度之间的关系如图4所示，该图表现了相关性，也表现出在效高的浓度有很强的饱和效应。图4表示出用与在本发明试验中同样的制品得到的4个实测数据点，这些数据点与将这些点进行统计外推和修匀而得到的预测性能曲线相重合。图4的曲线表明，由观察到的减阻效果与浓度的相关性，有可能估计出在不同段中添加剂的总有效浓度。这个方法不是完全精确的，因为没有考虑降解效应，对溶解的聚合物总量估计得稍微偏低。

溶解效果示于表2、图5和图6。由表2可以看出，在注入量为100ppm时，使用本发明所溶解的聚合物量大约是传统技术的2倍。在26ppm的注入量时，前面几段表现出，本发明溶解的聚合物要比2倍还多。第3段到第5段的数据反映出聚合物的降解，这种降解降低了计算出来的溶解的聚合物数据。很清楚，本发明的注入方法无疑比先有技术的方法更快地达到了最大溶解度，同时具有更大的效果。

表2

溶解%    -100ppm    注入量

段    传统注入法    改进注入法

1    13    28

2    19    37

3    20    40

4    22    40

5    22    37

溶解%    -26ppm    注入量

段    传统注入法    改进注入法

1    28.5    65.4

2    34.6    69.2

3    40.0    57.7

4    41.5    53.1

5    35.4    46.9

虽然本发明已被叙述是对减阻现象有效的，其实这种高分子量粘弹聚合物的其它用途都得利于这种浓溶液的更快更有效的溶解作用。这些应用包括控制喷气发动机燃料的可燃性或抗烟雾，纺织品润滑添加剂，倾点抑制剂和聚合物共混添加剂。

虽然为了说明本发明已显示了一些实施方案和细节，但是对本专业的技术人员显然可以做各种变化或改进，只要不偏离本发明的精神和范围。

Claims (8)

1、一种在减小流经管道的液体的摩擦损耗时提高减阻聚合物效果的方法，它包括通过最大尺度不超过2毫米的多孔嘴注入减阻聚合物溶液，并让流动的液体流过这种由嘴挤出的聚合物以溶解所述聚合物，其中注入速度使得它在被流动液体溶解之前，在流动液体/孔嘴的管侧事实上不发生再聚集，同时在溶解之前，聚合物浓溶液形成直径小于2毫米长度短于约10米的很细的丝。

2、权利要求1中所述的方法，其中减阻聚合物是可溶于烃的聚合物，并且流动液体是烃类液体。

3、权利要求2中所述的方法，其中减阻聚合物事实上是对数比浓粘度至少为11分升/克的烯烃聚合物。

4、权利要求3中所述的方法，其中烯烃聚合物含有至少60%（重量）的至少有6个碳原子的烯烃单体。

5、权利要求3中所述的方法，其中由其孔的最大尺寸不超过1毫米的筛网提供孔嘴。

6、权利要求1中所述的方法，其中减阻聚合物是水溶性聚合物，并且流动液体是水溶液。

7、权利要求1中所述的方法，其中使用高分子量聚合物作为喷气发动机燃料抗烟雾添加剂，并且流动液体是喷气发动机燃料。

8、权利要求1中所述的方法，其中高分子量聚合物事实上是α-烯烃聚合物，并且流动流体是石油油料。

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