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CN102203417B - 隔膜泵和减阻剂的输送 - Google Patents

隔膜泵和减阻剂的输送 Download PDF

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CN102203417B CN200980143884.3A CN200980143884A CN102203417B CN 102203417 B CN102203417 B CN 102203417B CN 200980143884 A CN200980143884 A CN 200980143884A CN 102203417 B CN102203417 B CN 102203417B
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Abstract

公开了一种用于隔膜泵的设备和一种用于通过隔膜泵输送胶乳和/或胶乳减阻剂的至少一部分的方法。还公开了一种用于降低与包含碳氢化合物的流体通过管线流动相关联的压降的方法。

Description

隔膜泵和减阻剂的输送
技术领域
本发明涉及一种用于泵送胶乳(latex)或者还被称作减阻添加剂或流动改进剂的胶乳减阻剂的改进的泵和过程。更特别地，本发明涉及隔膜泵、一种用于输送胶乳减阻剂的方法，和一种用于降低与包含碳氢化合物的流体流动通过管线相关联的压降的方法。
背景技术
当通过管线输送流体时，由于在管线的壁和流体之间的摩擦，流体压力的下降通常发生。由于这个压降，对于给定管线，必须用足够的压力输送流体以实现所期通量。当期望较高的、通过管线的流率时，由于随着流率增加压降引起的压力差也增加的事实，应该施加较大的压力。然而，管线的设计局限限制了能够采用的压力的大小。当长距离输送流体时，与压降相关联的问题是最为尖锐的。这种压降能够导致低效性，这增加了设备和操作成本。
为了缓解与压降相关联的问题，在工业中很多人在流动流体中利用减阻添加剂。当流体在管线中的流动是湍流时，能够采用高分子量聚合减阻剂以增强流动。减阻剂是能够基本上降低与流体通过管线的湍流相关联的摩擦损失的合成物。这些添加剂的作用在于抑制湍流涡旋的增长，从而在恒定泵送压力产生更高的流率。特别地在碳氢化合物液体中，已知超高分子量聚合物作为减阻剂具有良好的功能。通常，减阻部分地依赖于聚合物添加剂的分子量及其在湍流下在碳氢化合物中溶解的能力。已经发现能够通过采用具有超过五百万的数均分子量的减阻聚合物实现有效的减阻。然而，尽管在减阻聚合物的领域中存在这些进展，但是对于改进的减阻剂的需要仍然存在。
因为改进的减阻剂得以研制，可用于将减阻剂泵送到管线中的泵不能总是有效地泵送减阻剂并且维持泵压力。泵能够变得被减阻剂或者其它成分堵塞并且花费宝贵的时间来打开、清洁和维护所述的泵。需要可靠的泵来维持减阻剂到管线中的稳态和/或恒定流动。
发明内容
根据本发明，提供了一种隔膜泵，其包括：a)隔膜，所述隔膜具有泵侧和致动侧；b)泵头，所述泵头沿着周缘耦接到所述隔膜的所述泵侧，从而沿着所产生的周缘界面限定相交角度；c)泵送腔室，所述泵送腔室由所述泵头和所述隔膜的泵侧限定；和d)置放在所述泵送腔室内的至少一个屏障材料，其中，在所述隔膜泵的操作期间，使所述隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，从而使工艺流体流过所述泵送腔室，其中所述振动进一步致使沿着所述周缘界面的相交角度扩展和收缩，其中所述屏障材料基本上防止所述工艺流体在所述扩展期间接触所述周缘界面，并且其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于隔膜泵的设备，该设备包括(a)隔膜，其具有泵侧和致动侧；(b)泵头，其沿着周缘耦接到隔膜的泵侧由此沿着所产生的周缘界面限定相交角度；(c)泵送腔室，其由泵头与隔膜的泵侧限定；和(d)被置放在泵送腔室内的至少一个屏障材料，其中在隔膜泵的操作期间，使隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，由此使工艺流体通过泵送腔室流动，其中所述振动进一步致使沿着周缘界面的相交角度扩展和收缩，并且其中屏障材料基本上防止工艺流体在所述扩展期间接触周缘界面。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于输送胶乳的方法，该方法包括通过隔膜泵泵送胶乳的至少一部分，所述隔膜泵包括(a)隔膜，其具有泵侧和致动侧；和(b)泵头，其沿着周缘耦接到隔膜的泵侧由此限定泵送腔室，其中所述泵送包括使隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，由此使胶乳的至少一部分通过泵送腔室流动，其中利用至少一个屏障材料防止胶乳接触在隔膜的泵侧与泵头之间的周缘界面的至少50％。如在这里所使用地，胶乳被定义为以连续液相分散的多个聚合物颗粒，其中该颗粒具有小于大约10微米或者更典型地小于1微米的平均直径。
根据本发明的另一实施例，提供了一种用于输送胶乳减阻剂的方法，该方法包括泵送胶乳减阻剂的至少一部分通过隔膜泵，所述隔膜泵包括(a)隔膜，其具有泵侧和致动侧；和(b)泵头，其沿着周缘耦接到隔膜的泵侧，由此限定泵送腔室，其中所述泵送包括使隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，由此使胶乳减阻剂的至少一部分通过泵送腔室流动，其中利用至少一个屏障材料防止胶乳减阻剂接触在隔膜的泵侧与所述泵头之间的周缘界面的至少50％，并且其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料。
根据本发明的再一个实施例，提供了一种用于降低与包含碳氢化合物的流体通过管线流动相关联的压降的方法，该过程包括(a)经由乳剂聚合制备减阻剂；和(b)经由隔膜泵将所述减阻剂的至少一部分泵送到该包含碳氢化合物的流体中，所述隔膜泵包括1)隔膜，其具有泵侧和致动侧；和2)泵头，其沿着周缘耦接到所述隔膜的泵侧，由此限定泵送腔室，其中所述泵送包括使隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，由此使减阻剂的至少一部分通过泵送腔室流动，其中利用至少一个屏障材料防止了减阻剂接触在隔膜的泵侧与泵头之间的周缘界面的至少50％，其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料，并且其中所述减阻剂的至少一部分或全部是胶乳减阻剂。
附图说明
图1是用于供应输送系统或者管线的减阻剂供应系统的示意图；
图2是用于将减阻剂注射到输送系统或者管线中的隔膜注射泵的示意图；
图3是图2的隔膜注射泵的一部分的放大的示意图；
图4是在于隔膜注射泵中没有使用任何屏障材料的情况下流率对时间的曲线图；
图5是在于隔膜注射泵中使用屏障材料的情况下流率对时间的曲线图；
图6是在于隔膜注射泵中使用胶接屏障材料的情况下流率对时间的曲线图。
具体实施方式
本发明的各种实施例的以下详细说明参考示意其中能够实践本发明的特殊实施例的附图。实施例旨在充分详细地描述本发明的方面以使得本领域技术人员能够实践本发明。在不偏离本发明的范围的情况下，能够利用其它的实施例并且能够作出改变。因此，以下详细说明不应被以限制性的意义理解。本发明的范围仅仅由所附权利要求连同这种权利要求有资格具有的等价范围一起地限定。
在本发明中有用的、改进的减阻剂是其中全部或者所述减阻剂的至少一部分是胶乳减阻剂的那些，即，该胶乳减阻剂还可包括非胶乳减阻剂成分。示例性胶乳减阻剂能够包括一种减阻化合物(即，减阻剂)，该减阻化合物包括载体流体和包括聚合物的多个颗粒。优选地，该聚合物具有至少1x106g/mol的重量平均分子量，更加优选地具有大约5x106g/mol的重量平均分子量，并且最优选地具有6x106g/mol的重量平均分子量。
在本发明中有用的其它示例性减阻剂能够是一种化合物，该化合物包括：(a)连续相；(b)包括在连续相中分散的第一减阻聚合物的多个第一颗粒，其中该第一颗粒具有在从大约100微米到大约700微米的范围中的平均颗粒尺寸；和(c)包括在连续相中分散的第二减阻聚合物的多个第二颗粒，其中该第二颗粒具有小于大约10微米的平均颗粒尺寸。示例性减阻剂化合物还能够包括：(a)包括聚α烯烃减阻聚合物的多个第一颗粒；和(b)包括非聚α烯烃减阻聚合物的多个第二颗粒，其中非聚α烯烃减阻聚合物经由乳剂聚合形成。
能够通过一种过程制备这些改进的减阻剂化合物，该过程包括：(a)使得一个或者多个单体经历整体聚合以由此生产第一减阻聚合物；(b)低温研磨第一减阻聚合物的至少一部分以由此生产包括第一减阻聚合物的至少一部分的多个第一颗粒；(c)使得一个或者多个单体经历乳剂聚合以由此生产包括第二减阻聚合物的多个第二颗粒，其中第二颗粒的至少一部分分散在连续相中；和(d)将第一颗粒的至少一部分分散在连续相中。如在该申请中使用地，这些改进的减阻剂被一般地称作“胶乳”减阻剂。
本发明的各种实施例提供一种用于将减阻剂注射到输送系统或者管线中的隔膜注射泵。本发明的其它的各种实施例提供一种用于输送或者泵送胶乳的隔膜泵。起初地参考图1，减阻剂供应1被进给通过进给线路2、通过隔膜注射泵3、被泵送到注射线路4中、通过流量计5进入管线6中。供应1还能够是胶乳。
图2是如在图1中所示意的隔膜注射泵3的截面。图2中的区域3在图3中放大。隔膜注射泵具有驱动构件8和泵体9、带有工艺流体输入流10和工艺流体输出流12。该泵具有致动侧14、隔膜16、工艺侧泵送腔室18、内部泵头28和外部泵头20。在致动侧14上的任何流体，如果存在任何这种流体的话，例如、举例来说气动流体或者液压流体，并不透过隔膜16而且并不接触工艺侧泵送腔室18中的工艺流体。该泵还具有两个止回阀，每一个止回阀均带有止回阀罩22、止回阀底座24和止回阀球26。每一个隔膜注射泵还具有位于隔膜16和内部泵头28之间的夹压区域(pincharea)30。
现在参考图3，隔膜16和内部泵头28被示为带有被插入夹压区域30中的屏障材料32。
在本发明中有用的隔膜注射泵能够是在隔膜和泵头之间具有夹压区域的、任何类型的隔膜注射泵。该隔膜注射泵能够使用任何类型的致动机构。如果该致动机构是机械式但是是液压致动机构，则该隔膜注射泵能够使用任何类型的液压流体；该隔膜注射泵能够使用任何尺寸的活塞；该隔膜注射泵能够使用任何长度的活塞冲程。该隔膜注射泵能够使用任何类型的止回阀22，然而，隔膜注射泵通常使用球形止回阀。
在本发明中有用的隔膜能够是任何类型的隔膜，但是通常是弹性体或者热塑性材料，例如、举例来说和/或特氟材料。本发明还能够采用金属隔膜。在本发明中有用的泵头能够由任何金属或者塑料制成，但是典型地是用于高压应用的金属，比如举例来说，是用于减阻剂应用的金属。
在本发明中能够使用任何泵速率或者泵量。然而，减阻剂有用的示例性隔膜注射泵容量范围从1gpd(加仑每天)到大约1500gpd或者更高。
示例性隔膜注射泵包括但不限于MiltonRoy公司制造的那些泵，例如泵和泵。
在本发明中，任何类型的弹性体材料均能够被用作屏障材料32。示例性弹性体材料包括但是不限于天然橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、及它们中两种以上材料的混合物。然而，优选的弹性体材料与胶乳相容并且具有良好的压缩疲劳强度。
在隔膜注射泵中使用的屏障材料的量能够是足以刚好阻挡夹压区域而不形成新的夹压区域的任何量。优选的屏障材料当隔膜挠曲时能够稍微地解压以允许屏障材料填充夹压区域而不形成新的夹压区域。通常使用足够的屏障材料从而防止胶乳接触在所述隔膜的泵侧与所述泵头之间的周缘界面的至少50％，优选地防止胶乳接触所述周缘界面的至少75％，并且最优选地防止胶乳接触所述周缘界面的至少85％。
实例
以下实例示意用于通过隔膜泵输送胶乳减阻剂的至少一部分并且用于降低与包含碳氢化合物的流体通过管线流动相关联的压降的本创造性设备和方法的效果。
所有以下的泵测试均包括使用高性能隔膜(HPD)LiquidEndC注射泵来泵送胶乳流动改进剂以模拟注射到管线中的情景。胶乳流动改进剂产品利用重力而被进给到注射泵并且在85冲程每分钟的柱塞速度下被以50％的泵冲程长度设置泵送通过质量流量计。从那里，胶乳流动改进剂产品流动通过3000英尺的1/2"316不锈钢管路(壁厚0.049")，并从该不锈钢管路回收到进给转运箱(tote)。管路上游是100微米过滤器以使具有长的长度的线路变得受到限制或者被堵塞的机会最小化。长的长度的管路的意图在于提供低的作用于泵的剪切反压力以模拟到管线中的注射。根据产品温度，在泵上的反压力通常在500psig(磅/平方英寸)和1000psig之间。测试是在环境条件下执行的，环境条件下的温度范围从冬季中的45°F到夏季中的105°F。利用数据记录器记录流率并且形成流率对时间的曲线图。当测试结束时，泵头被拆除并且检查沉积情况、被清洁并且然后被再次组装。
对于屏障材料测试，屏障材料被施加到隔膜的与夹压区域对应的边缘。屏障材料被以类似于在浴桶或者水槽上进行填缝的方式施加。用手将带有周向屏障材料边条的隔膜在泵头上挤压到位并且然后泵头和隔膜被再次组装到泵的液压端。在泵头上的螺栓被向下拧紧以引起屏障材料压缩并且将材料挤压到夹压区域中。允许屏障材料在几天中在环境温度和压力下在泵头内侧固化，在此时，泵止回阀得以安设并且管路安装件被置于一起以开始泵测试。
在以下实例中使用的减阻剂(胶乳A)是通过采用以下过程的乳剂聚合制备的。聚合在185加仑的不锈钢夹套式反应器中执行，该夹套式反应器带有机械搅拌器、热电偶、进给端口和氮气进口/出口。该反应器充注有400磅的单体(甲基丙烯酸2-乙基己酯)、284.9磅的去离子水、198.7磅的乙二醇、37.6磅的B-5(可从伊利诺斯州的StepanCompanyofNorthfield获取的表面活性剂)、40.0磅的15-S-7、1.13磅的磷酸二氢钾(pH缓冲剂)、0.88磅的无水磷酸氢二钾(pH缓冲剂)和30.2克的过硫酸铵(NH4)2S2O8(氧化剂)。
在利用氮气净化以移除反应器中的任何微量的氧时单体和水混合物被以110rpm搅动并且被冷却到大约41°F。该两种表面活性剂得以添加并且对于其余批料的搅动被减缓至80rpm。缓冲剂和氧化剂然后得以添加。通过以10g/min的速率将7.32克的铵铁(II)硫酸盐添加到反应器中而开始聚合反应，即以1017ppm的浓度将Fe(NH4)2(SO4)2·6H2O添加到去离子水中的0.010M硫酸溶液的溶液中。该溶液被注射10个小时以完成聚合。所得胶乳通过5微米的袋式过滤器从反应器被挤压出去并且被存储。
所得减阻剂是一种胶乳，包含作为活性组分的聚(甲基丙烯酸2-乙基己酯)。该样本中的固体物含量具有45.0％的质量百分比，而其中的标称聚合物含量具有40％的质量百分比。该样本的密度是1.028g/mL。连续相是60％质量的水和40％质量的乙二醇。
实例1
无屏障材料测试
这个实例论证了在无屏障材料的情况下将胶乳A泵送通过HPD泵。图4所示结果示出了泵送速率出现多个大的和突然的降低，该大的和突然的降低标示出泵排放止回阀被堵塞或者被部分地阻断。在大约四天之后泵测试停止以检查固体物。速率中的这些“尖峰(blip)”短达几分钟到长达几小时。在拆除泵头时，在对泵头的视觉检查中观察到在隔膜上有显著量的聚合物膜。该膜看起来脱离(breakoff)泵头并且移动通过排放止回阀。
实例2
聚氨酯屏障材料测试
这个实例论证了将胶乳A泵送通过具有以HenkelCorporation推向市场的聚氨酯门、窗和滑动密封剂作为屏障材料的HPD泵。图5所示结果显示出了改进的泵送稳定性。在大约四天之后泵测试停止以检查固体物。视觉检查示出在屏障材料在此处变得从泵头松脱的位置中聚合物薄膜已经在屏障材料上形成，但是在屏障材料仍然与泵头接触之处存在最小数量的固体。
实例3
胶接聚氨酯屏障材料测试
重复类似于实例2的测试，其中允许HenkelCorporation推向市场的聚氨酯门、窗和滑动密封剂在泵头中固化到位，并且然后被移除并利用Elmer的超级胶合凝胶而胶合到金属泵头从而能够更好地被保持到位。图6中所示结果示出了测试时间为14天的、非常光滑的流率曲线。此时停止泵测试以检查固体物。视觉检查示出聚合物固体在泵头中形成，但是它们仅仅存在于屏障材料变得从泵头松脱之处。
上述本发明的优选形式将仅仅被用作示意而不应该被以限制性的意义使用来解释本发明的范围。在不偏离本发明的精神的情况下，本领域技术人员能够易于实现对于以上阐述的示例性实施例的修改。
本发明人由此陈述他们的意图是根据等价原则确定和评价本发明的适度合理范围，因为本发明涉及实际上没有偏离但是又在本发明的如以下权利要求中阐述的字面范围外的任何设备。

Claims (12)

1.一种隔膜泵，包括：
a)隔膜，所述隔膜具有泵侧和致动侧；
b)泵头，所述泵头沿着周缘耦接到所述隔膜的所述泵侧，从而沿着所产生的周缘界面限定相交角度；
c)泵送腔室，所述泵送腔室由所述泵头和所述隔膜的泵侧限定；和
d)置放在所述泵送腔室内的至少一个屏障材料，
其中在所述隔膜泵的操作期间，使所述隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，从而使工艺流体流过所述泵送腔室，
其中所述振动进一步致使沿着所述周缘界面的相交角度扩展和收缩，
其中所述屏障材料防止所述工艺流体在所述扩展期间接触所述周缘界面，并且
其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料。
2.根据权利要求1的隔膜泵，其中所述工艺流体是胶乳。
3.根据权利要求1的隔膜泵，其中所述工艺流体的至少一部分是胶乳减阻剂。
4.根据权利要求1的隔膜泵，其中所述工艺流体是胶乳减阻剂。
5.根据权利要求1的隔膜泵，其中所述工艺流体是乳剂聚合的胶乳减阻剂。
6.根据权利要求1的隔膜泵，其中所述弹性体材料选自以下项组成的组：天然橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、及它们中的两种或两种以上的混合物。
7.一种用于输送胶乳减阻剂的方法，所述方法包括泵送所述胶乳减阻剂的至少一部分通过隔膜泵，所述隔膜泵包括：
a)隔膜，所述隔膜具有泵侧和致动侧；和
b)泵头，所述泵头沿着周缘耦接到所述隔膜的所述泵侧，从而限定泵送腔室，
其中所述泵送包括使所述隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，从而使所述胶乳减阻剂的至少一部分流过所述泵送腔室，
其中利用至少一个屏障材料防止所述胶乳减阻剂接触在所述隔膜的所述泵侧和所述泵头之间的所述周缘界面的至少50％，并且
其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料。
8.根据权利要求7的方法，其中所述胶乳减阻剂是乳剂聚合的胶乳减阻剂。
9.根据权利要求7的方法，其中所述弹性体材料选自以下项组成的组：天然橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、及它们中的两种或两种以上的混合物。
10.一种用于降低与包含碳氢化合物的流体通过管线流动相关联的压降的方法，所述方法包括：
a)经由乳剂聚合制备减阻剂；和
b)经由隔膜泵将所述减阻剂的至少一部分泵送到所述包含碳氢化合物的流体中，所述隔膜泵包括：
1)隔膜，所述隔膜具有泵侧和致动侧；和
2)泵头，所述泵头沿着周缘耦接到所述隔膜的所述泵侧，从而限定泵送腔室，
其中所述泵送包括使所述隔膜在抽吸冲程位置和排放冲程位置之间振动，从而使所述减阻剂的至少一部分流过所述泵送腔室，
其中利用至少一个屏障材料防止所述减阻剂接触在所述隔膜的所述泵侧和所述泵头之间的周缘界面的至少50％，
其中所述屏障材料是具有类似于三角形横截面的环形环，包括：与所述泵头接触的类似于直角三角形斜边的第一侧、与所述隔膜接触的第二侧、以及面向所述泵送腔室的第三侧，并且所述屏障材料是弹性体材料，并且
其中所述减阻剂的至少一部分或全部是胶乳减阻剂。
11.根据权利要求10的方法，其中所述弹性体材料选自以下项组成的组：天然橡胶、聚氨酯、三元乙丙橡胶(EPDM)、丁腈橡胶(NBR)、及它们中的两种或两种以上的混合物。
12.根据权利要求10的方法，其中利用所述屏障材料防止所述减阻剂接触在所述隔膜的所述泵侧和所述泵头之间的周缘界面的至少75％。
CN200980143884.3A 2008-10-30 2009-10-28 隔膜泵和减阻剂的输送 Expired - Fee Related CN102203417B (zh)

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