專利名稱：改進高分子量減阻聚合物高粘度濃溶液性能的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及改進管道中流體流動的方法。更準確地說，本發(fā)明涉及通過用一種在流動的流體中加入減阻聚合物的方法來改進管道中流體流動的方法，所述的方法增加了減阻聚合物的效果并使管道中流動的流體摩擦力大大下降。
本發(fā)明的目的與1987年7月13日申請的美國專利申請073，664和1987年7月13日申請的美國專利申請073，663有關(guān)。
本發(fā)明是這些有關(guān)申請的改進。使用聚合物濃溶液本發(fā)明避免了上述申請的許多問題并提供了更為改進的減阻性能。
對管道中流動的烴類流體進行減阻是公知的。在美國專利3，629，676中敘述了這種作法的一個例子，該專利提供了一種可以測量減阻百分率的方法。該參考文獻敘述了以聚合物液體加入的減阻添加劑。在本領(lǐng)域中另一個有代表性但并未包羅盡致的技術(shù)包括美國專利3，736，288，在該專利中加入各種不同配方的減阻劑，以展示使用不同分子量級和/或粒度的交錯溶解或控制溶解的特性。這些物質(zhì)是以聚合物固體的形式而加入的。該參考文獻還公開了這些溶液的可泵唧性、灌注性、抗分層性等。美國專利3，601，076敘述了一種在注入管道之前于混合室中與水混合的水溶性聚合物材料。美國專利3，884，252敘述了一種減少氧化降解和聚合物屑冷流動的方法，它是把屑浸入一種非溶劑中，然后在把聚合物屑或聚合物屑的漿及水注入烴類流體之前進行分散并將屑逐漸而連續(xù)地在整個管線中溶解。在美國專利4，263，926中也敘述了注入減摩擦聚合物。在美國專利3，900，034中敘述了減阻分散計量系統(tǒng)。
還有一類技術(shù)涉及在溶劑中溶解聚合物的方法。該技術(shù)沒有專門敘述用管道輸送流體。美國專利2，639，275、3，468，322、3，891，593和4，537，513都是這個技術(shù)領(lǐng)域的代表但它們并非包羅盡致。這些專利都涉及用循環(huán)或溶解的方式把固定量的聚合物溶于固定量溶劑中的方法。然而，這些溶解聚合物的方法都需要額外的設(shè)備，并且最好是直接把減阻劑注入管線中。
因此，本發(fā)明的目的是提供一種把減阻劑引入含有流動液體的管道中以增加這些添加劑的減阻效果的改進方法。本發(fā)明對于水溶液管線和烴類液體管線都是有效的，而且既可用于注入水溶性減阻添加劑也可用于烴溶性減阻添加劑。這類添加劑一般是在流動液體中可溶的聚合物。隨著以后的敘述，對于本專業(yè)的技術(shù)人員來說，其它目的將是顯而易見的。
減阻添加劑的性能在很大程度上取決于這些添加劑在流動液體中的溶解?，F(xiàn)已發(fā)現(xiàn)，把固體物質(zhì)加入管線，并隨著該物質(zhì)通過管線使之溶解并不是促進減阻的有效方式，因為在需要這些物質(zhì)提供減阻作用的時間之內(nèi)，它們并未溶解。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，最好把這些物質(zhì)在溶解狀態(tài)或以高粘度濃溶液加入，以便通過聚合物的溶解而促進減阻作用。
然而，還發(fā)現(xiàn)，非常高的分子量大大增強了所注入聚合物的減阻效果。相反地，隨著分子量增大又發(fā)現(xiàn)，僅僅溶解時間不是減阻性能的唯一因素。
美國專利4，422，830指出，當泵入粘性化學液體的同時再在注入泵的吸入側(cè)泵入一種相容的低粘度液體，泵的性能就提高了。低粘度液體就相當于一種潤滑劑，并且還能協(xié)助將添加劑溶解或分散到流經(jīng)管線的流體中。
然而，相互對照的共同未決申請073，663和NO073，664發(fā)現(xiàn)，在表面所證實的，簡單的溶解性能并不是唯一的依據(jù)。這些物質(zhì)還必須以一種特定的方式吸入流動的流體中。
因此，提出一種可以把高分子量的減阻聚合物加入到流經(jīng)管道的流體中的方法是很有好處的，該方法在一定程度上提高了減阻物質(zhì)的性能，隨著敘述的進行，這里的目的對于本專業(yè)的技術(shù)人員將是顯而易見的。
現(xiàn)在我們已揭示出，通過許多最大尺度不超過2毫米的孔注入減阻聚合物溶液或濃溶液并讓流動的流體流過這種由孔擠出的聚合物以使之溶解，就能夠增強減阻聚合物降低管內(nèi)流動液體摩擦損耗的效能，其中注入速度是這樣的，在用流動的液體溶解之前在孔的流動液體管的一側(cè)事實上不發(fā)生再聚集，并且在溶解之前聚合物濃溶液形成直徑小于2毫米、長度一般小于約10米的很細的絲。該方法無論對于在烴類液體中加入烴溶性聚合物還是在水溶液中加入水溶性聚合物都是有效的。
本發(fā)明對用來溶解這些聚合物的其它技術(shù)，比如管道減阻添加劑和噴氣式發(fā)動機燃料防煙霧添加劑是一種改進，因為在距離注入嘴出口或管側(cè)幾英寸以外的距離就沒有直徑大于約1～2毫米的聚合物流線了。一般說來，在大約10米或更近處溶解就完成了。傳統(tǒng)的溶解方法產(chǎn)生一條聚合物濃溶液流線(或者是，若使用雙注入嘴或多孔注入嘴則是多條流線)，在流動的液體中流線延伸很長距離。在透明管道中進行的一些減阻研究已經(jīng)證明，在注入點下游遠至500英尺處都有聚合物濃溶液流線。這些傳統(tǒng)的注入流線實際上可能慢慢變細，直至其直徑與本發(fā)明的細絲初始引入時的直徑相似。然而，本發(fā)明與先有技術(shù)的區(qū)別是，流動的流體能夠攜帶減阻聚合物溶液的很小液珠并很快地延伸，很快地溶解成蜘蛛網(wǎng)那么細的線。所有已知的其它注入系統(tǒng)都使用了建立直徑至少為幾毫米的穩(wěn)定注入流線的方法，但更重要的是，這些方法的流線極長，有時會延伸達一英里或更長。如果這種延伸的流線斷裂、同自身分離或者過早地同注入嘴分離，就會發(fā)生嚴重的溶解問題，如流體本身回卷以及形成結(jié)塊，這都不利于溶解。由于這種斷裂必須小心地選擇注入點，以避免管路拐彎，收斂流或其它可能使流線斷裂的機械因素。反之，本發(fā)明在系統(tǒng)中不建立穩(wěn)定的流線。溶解是在相當短距離的范圍和非常短的時間內(nèi)完成的。系統(tǒng)的機械性能，如轉(zhuǎn)彎、三通、泵等的影響事實上都大大減小。因此，本發(fā)明最有特色的特征之一是，涉及很小的直徑。形成很細的線以及在很短距離內(nèi)完全溶解聚合物對本發(fā)明是很關(guān)鍵的。


圖1和圖2表明在減阻測試設(shè)備中一定測試環(huán)流管線管段的典型減阻性能圖。圖2表示在使用不同的注入方法時，在注入量為100ppm時的減阻百分比。圖3表示在注入量為26ppm時，不同注入方法的結(jié)果。圖4表明在使用預溶解的減阻聚合物時2英寸環(huán)流管的性能。圖5和圖6分別表明在100ppm的溶液和26ppm的溶液的條件下，2英寸環(huán)流管線中溶解的聚合物的百分數(shù)。
圖1表示了在實例1中得到的實驗信息，在圖中，區(qū)域A受控于溶解作用，而區(qū)域B表示溶解速度，區(qū)域C表示降解速度。
圖2和圖3用圖來表示了實例2中表1的數(shù)據(jù)。圖2表示對于比較高的聚合物處理量100ppm的比較數(shù)據(jù)。標上“全溶解”的直方表示在全溶解條件下預期的減阻效果。標有“傳統(tǒng)方法”的直方表示使用傳統(tǒng)的聚合物注入裝置得到的實際減阻效果。這兩條直方的差值與未溶解的(因此是未充分利用的)聚合物的量有關(guān)。標有“本發(fā)明”的直方表明由于本發(fā)明更充分的溶解達到了較高的減阻效果。一組直方表示當所處理的烴流經(jīng)測試環(huán)流管線時，它所流經(jīng)的5段連續(xù)的管段中每段管的情況。逐段之間性能上的差異表明了加入聚合物技術(shù)的有效性。該圖表明采用本發(fā)明可以實現(xiàn)注入聚合物的更充分和更迅速的溶解。
圖3表示在使用比較低的處理量26ppm時，進行比較測試得到的與圖2同樣類型的信息。
圖4表示相關(guān)性和在較高處理量下聚合物很強的飽和效應。表示出所得到的四個實際數(shù)據(jù)點。本圖將這些數(shù)據(jù)點與由統(tǒng)計外推得到的預測性能曲線疊合。
圖5和圖6表示在測試環(huán)流管線中觀察到的減阻性能與溶解的聚合物的實際濃度之間的關(guān)系。這些計算都列在表2中。圖5涉及100ppm處理量，而圖6表明在26ppm處理量時的同樣的信息。
為了使本發(fā)明有效，必須具備幾個條件。濃溶液必須是粘彈性的而且能形成可拉伸至幾英寸長的很細的絲。溶解流體必需或者是流經(jīng)注入裝置的表面，或者是必須被攪動以使物流保持與注入嘴表面交叉。因此，本發(fā)明既可用于連續(xù)溶解過程也適用于間歇溶解過程。然而，重要的是，注入的物料在注入嘴的流體一側(cè)不發(fā)生再聚集。
本發(fā)明使用的注入嘴，除了開口在其最大尺度上不超過2毫米以外，其余并不是關(guān)鍵的，而且注入嘴設(shè)計成使得在注入嘴出口側(cè)的許多點，聚合物濃溶液形成小珠進入流動的液體中。
適于得到本發(fā)明數(shù)據(jù)的注入嘴的一個例子只不過是一根管子，在其一端固定安裝上一張細目數(shù)的篩網(wǎng)。必須調(diào)節(jié)把濃溶液加入到管線的速度，使得能將細絲拉入流體流中。如果加入速度過大，那么在注入嘴的出口一側(cè)濃溶液就會簡單地再聚集而得不到預期效果。如果希尤氳乃俁冉細擼敲粗匾氖牽褂帽冉洗蟮淖⑷胱旎蚨嘀刈⑷胱煲員Ｖぴ諏鞫囊禾逯行緯殺匾南桿?，以达氮劘d⒚韉男Ч 使用本發(fā)明來對含烴流體減阻時，最好但并不是至關(guān)重要的是減阻聚合物基本是對數(shù)比濃粘度至少為11分升/克的α-烯烴聚合物。對數(shù)比濃粘度是分子量的間接度量，并可用75號Cannon-Ubbelohde四球剪切稀釋粘度計測定。將試樣制備成0.1克/分升的甲苯溶液。在25℃下測定粘度，結(jié)果被內(nèi)插到300秒-1。另外，α-烯烴聚合物最好由主要是至少有6個碳原子的高分子量單體制得，例如，至少60%(重量)的聚合物是由8個碳原子或大于8個碳原子的單體制得的。
使用α-烯烴聚合物對本發(fā)明僅是有利而已，并不是至關(guān)重要的。其它適于烴類流體減阻的聚合物(并未包羅盡致)包括聚環(huán)氧烷類、環(huán)氧丁烷和環(huán)氧丁烷與丁烯左右烯類氧化物的共聚物，諸如苯乙烯-乙烯基吡啶共聚物和無規(guī)磺化的乙烯-丙烯-二烯三元共聚物。
隨著注入嘴開口尺寸減小，本發(fā)明會更有效。然而，減小注入嘴開口尺寸也限制了可以加入到含有流動液體管線中的聚合減阻劑的量。最好注入嘴開口在其最大尺度上不大于1毫米。取決于管路流動流體特性等因素，甚至可以使用開口更小的注入嘴。
當流動液體是水溶液時，本發(fā)明能夠使用對這些液體具有減阻效果的聚合物。這種聚合物有代表性但并非包羅盡致的例子有瓜爾樹膠、多糖類、聚丙烯酰胺和聚環(huán)氧乙烷。
參考以下實例對本發(fā)明作更具體的敘述，其中所有份數(shù)和百分數(shù)除非另有說明都是以重量計。實例用以說明本發(fā)明但并不是限制它。
實例1通過將減阻劑(牌號為CDRFlowImprover并由ConocoSpecialtyProducts，Inc.出售)注入一個流有2號柴油的2英寸環(huán)流管線中來說明本發(fā)明。測試條件是柴油流速60加侖/分環(huán)流速度6.52英尺/秒柴油溫度73±1°F柴油粘度4厘斯?jié)舛?.37%聚合物管內(nèi)徑1.939英寸測量環(huán)流管線包括5個測量段，每段長度86英尺。注入點在第一段前63英尺。通過比較每段的減阻效果來跟蹤溶解速度。溶解較快的系統(tǒng)在開始幾段表現(xiàn)出較好的減阻效果。
用來說明本發(fā)明的注入嘴是這樣制造的，即把一個細目數(shù)篩網(wǎng)裝到一個2英寸的通道上。該通道基本上是一個簡單的三通接頭。
使用減阻制品時，要制成減阻劑在柴油中的預溶溶液。該預溶溶液用來展現(xiàn)在全溶解狀態(tài)下聚合物的效能。還把使用標準多開口模的傳統(tǒng)注入技術(shù)與本發(fā)明進行比較，這些開口產(chǎn)生的流線初始直徑約1/8英寸。用大致為0.015英寸開口的40號美國標準目的網(wǎng)來說明本發(fā)明。注入速度在6至24厘米3/分的范圍內(nèi)變化。
表1表明本發(fā)明與一種開口直徑約為1/8英寸的多孔注入嘴的減阻效果的比較，以及本發(fā)明和同樣的減阻劑預溶溶液的減阻效果的比較。如果實現(xiàn)了完全溶解的話，預溶溶液清楚地表現(xiàn)出預期的性能。明顯看出，本發(fā)明保證了更為有效的溶解結(jié)果。使用本發(fā)明時，在第二段前就發(fā)現(xiàn)溶解已達到最大值，而傳統(tǒng)注入技術(shù)則需要約4段。溶解的減阻劑的數(shù)量甚至大到使用傳統(tǒng)技術(shù)從未達到的程度。逐段比較這些數(shù)據(jù)就能觀察到這種技術(shù)資料。很清楚，在各種情況下，都會達到最大減阻效果并在下一段下降。這個下降的原因是溶解的聚合物發(fā)生少量的剪切降解。在前面幾段，這種降解為溶解作用所補償，溶解作用釋放出更多的聚合物產(chǎn)生了減阻作用。段一段特性圖如圖1所示。在圖1中，區(qū)域A受控于溶解作用，區(qū)域B表明溶解速度平衡了降解速度，而區(qū)域C則是降解速度占優(yōu)勢。
表1減阻效果%-100ppm注入量段全溶解傳統(tǒng)注入法改進注入法168.038.356.2267.547.761.0367.048.562.0466.550.962.1566.050.261.2減阻效果%-26ppm注入量段全溶解傳統(tǒng)注入法改進注入法153.826.544.9251.430.445.8348.833.442.5445.734.339.5543.030.836.9
實例2使用實例1的方法及不同的減阻劑濃度來說明兩個發(fā)明。結(jié)果列在表1，它表明，傳統(tǒng)的注入法造成大部分減阻劑沒有溶解，從而顯示出本發(fā)明不僅溶解得較快，而且減阻聚合物還溶解得更完全。
我們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，減阻效果與流動的流體中添加劑的濃度并不是線性關(guān)系。效果與濃度之間的關(guān)系如圖4所示，該圖表現(xiàn)了相關(guān)性，也表現(xiàn)出在效高的濃度有很強的飽和效應。圖4表示出用與在本發(fā)明試驗中同樣的制品得到的4個實測數(shù)據(jù)點，這些數(shù)據(jù)點與將這些點進行統(tǒng)計外推和修勻而得到的預測性能曲線相重合。圖4的曲線表明，由觀察到的減阻效果與濃度的相關(guān)性，有可能估計出在不同段中添加劑的總有效濃度。這個方法不是完全精確的，因為沒有考慮降解效應，對溶解的聚合物總量估計得稍微偏低。
溶解效果示于表2、圖5和圖6。由表2可以看出，在注入量為100ppm時，使用本發(fā)明所溶解的聚合物量大約是傳統(tǒng)技術(shù)的2倍。在26ppm的注入量時，前面幾段表現(xiàn)出，本發(fā)明溶解的聚合物要比2倍還多。第3段到第5段的數(shù)據(jù)反映出聚合物的降解，這種降解降低了計算出來的溶解的聚合物數(shù)據(jù)。很清楚，本發(fā)明的注入方法無疑比先有技術(shù)的方法更快地達到了最大溶解度，同時具有更大的效果。
表2溶解%-100ppm注入量段傳統(tǒng)注入法改進注入法1132821937
320404224052237溶解%-26ppm注入量段傳統(tǒng)注入法改進注入法128.565.4234.669.2340.057.7441.553.1535.446.9雖然本發(fā)明已被敘述是對減阻現(xiàn)象有效的，其實這種高分子量粘彈聚合物的其它用途都得利于這種濃溶液的更快更有效的溶解作用。這些應用包括控制噴氣發(fā)動機燃料的可燃性或抗煙霧，紡織品潤滑添加劑，傾點抑制劑和聚合物共混添加劑。
雖然為了說明本發(fā)明已顯示了一些實施方案和細節(jié)，但是對本專業(yè)的技術(shù)人員顯然可以做各種變化或改進，只要不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1.一種在減小流經(jīng)管道的液體的摩擦損耗時提高減阻聚合物效果的方法，它包括通過最大尺度不超過2毫米的多孔嘴注入減阻聚合物溶液，并讓流動的液體流過這種由嘴擠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動液體溶解之前，在流動液體/孔嘴的管側(cè)事實上不發(fā)生再聚集，同時在溶解之前，聚合物濃溶液形成直徑小于2毫米長度短于約10米的很細的絲。
2.權(quán)利要求1中所述的方法，其中減阻聚合物是可溶于烴的聚合物，并且流動液體是烴類液體。
3.權(quán)利要求2中所述的方法，其中減阻聚合物事實上是對數(shù)比濃粘度至少為11分升/克的烯烴聚合物。
4.權(quán)利要求3中所述的方法，其中烯烴聚合物含有至少60%(重量)的至少有6個碳原子的烯烴單體。
5.權(quán)利要求3中所述的方法，其中由其孔的最大尺寸不超過1毫米的篩網(wǎng)提供孔嘴。
6.權(quán)利要求1中所述的方法，其中減阻聚合物是水溶性聚合物，并且流動液體是水溶液。
7.權(quán)利要求1中所述的方法，其中使用高分子量聚合物作為噴氣發(fā)動機燃料抗煙霧添加劑，并且流動液體是噴氣發(fā)動機燃料。
8.權(quán)利要求1中所述的方法，其中高分子量聚合物事實上是α-烯烴聚合物，并且流動流體是石油油料。
全文摘要
通過讓聚合物溶液流經(jīng)一個模使高分子量粘彈聚合物溶解，該模使聚合物成珠便于形成很細的絲且被拉入流體。將成珠和流動速度達到平衡以保持形成穩(wěn)定的細絲。
文檔編號C10L1/16GK1032852SQ8810445
公開日1989年5月10日 申請日期1988年7月22日 優(yōu)先權(quán)日1987年10月29日
發(fā)明者史蒂文·L·巴克斯特, 馬克斯·H·劉易斯 申請人:康諾科有限公司