DE1781482A1

DE1781482A1 - Suspensionsverfahren zur erleichterten mischung von wasserloeslichen polymeren zur reibungsverminderung

Info

Publication number: DE1781482A1
Application number: DE19681781482
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1968-09-11
Filing date: 1968-09-11
Publication date: 1976-04-22
Also published as: DE1781482B2; DE1781482C3

Description

1 River Road
SCHENECTADY, N.Y./Ü.S.A.

Suspensionsverfahren zur erleichterten Mischung von wasserlöslichen Polymeren zur Reibungsverminderung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Mischung löslicher Polymermaterialien mit einer Flüssigkeit und insbesondere auf ein leichtes Mischen löslicher Materialien mit Wasser, die in einer Flüssigkeit neutraler Dichte suspendiert sind.

Die Erfindung beinhaltet eine Anordnung zur Vorbereitung widerstandsvermindernder Zusatzmaterialien für eine Einspritzung in eine Flüssigkeit, die relativ zu diesem Einspritzungspunkt fließt. Diese Zusätze sind durch und durch hydratisiert und werden zum Einspritzen verwendet. Beispiele für diese Anwendungen sind in den eigenen US-Patenten 3 290 883 "Widerstands verminderung in hydraulischen Geräten", 3 303 810 "Zusatz-Widerstands verminderung mit Rezirkulation" und 3 303 811 "Verfahren

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und Vorrichtung zur Wideratansverminderung" aufgezeigt. Diese erfindungsgemäße Weiterbildung kann für irgendwelche anderen Anwendungen benutzt werden, in denen ein Molekül mit hohem Molekulargewicht und linearer Kettenbildung in einer Lösung für eine spätere Verwendung suspendiert werden soll.

Ziel dieser Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Mischen eines Zusatzes mit einer Flüssigkeit und zum Einspritzen der Mischung in eine- Grenzschicht, um die Reibung zwischen der Flüssigkeit, der Grenzschicht und der Oberfläche zu vermindern, die sich relativ zu der Flüssigkeit bewegt.

Ein wesentlicher Gesichtspunkt dieser Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zum schnellen Mischen von Wasser und einem Polymerzusatz, so daß das Polymer zu der Zeit hydratisiert wird, zu der es entlang der zu schmierenden Oberfläche injiziert wird.

Diese Aufgaben der Erfindung werden dadurch gelöst,, daß eine Vorrichtung entwickelt wurde, die aus der von der Flüssigkeit und dem festen Körper gebildeten Grenzschicht Flüssigkeit herauszieht, die Flüssigkeit als einen Strahl mit hohem Druck in eine Mischkammer pumpt, einen polymeren Zusatz in einer flüssigen Suspension neutraler Dichte in den Strahl drückt und den polymeren Zusatz mit der Flüssigkeit kräftig vermischt. Von der Mischkammer gelangt die teilweise gemischte Lösung in eine bienenkorbartige Mischkammer, in der der Mischvorgang im wesentlichen abgeschlossen wird. Das gemischte Polymer wird nun in die Grenzschicht zwischen der Flüssigkeit und dem festen Körper injiziert, wo es zur Widerstandsverminderung dient. Die Vorrichtung wird zwar im wesentlichen in bezug auf die Vorbereitung von Zusätzen erörtert, wie z.B. wasserlöslichen, widerstandsvermindernden und viskoelastischen Polymeren, die in Wasser zum Zwecke der Widerstandsverminderung verwendet werden. Es sei jedoch bemerkt, daß diese Vorrichtung auch zum Mischen von nicht-wäßrigen Polymermaterialien verwendet werden kann. Beispielsweise kann Polyiso butylen mit Kerosin oder anderen Flugkraftstoffen gemischt werden, um die Leitungskapazität beim Auftanken in der Luft zu er-

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höhen und somit die gefährlichen Zeitabschnitte zu verkürzen.

Diese und andere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnungen einer Ausführungsform nach der Erfindung näher erläutert.

Figur 1 ist eine schaubildliche oder schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Weiterbildung.

Figur 2 zeigt eine andere Ausfuhrungsform des Behälters für die Polymersuspension.

Figur 3 zeigt einen Schnitt entlang der Linie 3 ~ 3 in. Figur 1.

Die in Figur 1 dargestellt Ausführungsform ist eine Anordnung zum Mischen von Polymerzusätzen mit einer Flüssigkeit und zum Einspritzen dieser Mischung oberhalb oder unterhalb des Zuführungsverteilers 1. In Figur 1 ist zwar gezeigt, daß diese Mischanordnung an eine Rohrleitung angeschlossen ist, sie kann aber auch an irgendeiner anderen Stelle angeschlossen sein, wo eine Flüssigkeit entlang einer festen Oberfläche fließt, wie etwa der Seitenwand eines Behälters. Beispiele hierfür sind in den oben angegebenen Patentschriften dargelegt.

In der Ausführungsform nach Figur 1 ist ein Zuführungsverteilerrohr 1 auf einer Leitung 2 angeordnet und durch einen auf dem Umfang befindlichen Schlitz 3 in der Leitungswand wird Wasser in das Zuführungsverteilerrohr eingelassen. Dieses Wasser wird einer Rohrleitung 4 zugeführt und eine Hochdruckpumpe 5 verstärkt den Druck. Das Wasser gelangt dann durch ein Rohr in eine Düsenöffnung 6 in der Wand der Mischkammer 7 und danach spritzt das Wasser in die Mischkammer"hinaus, die sich in Flußrichtung erweitert.

Ein Vorratsbehälter 8 enthält das polymere Material, das in einer Lösung neutraler Dichte suspendiert ist, die etwa das gleiche spezifische Gewicht wie das Polymer besitzt und mit dem Polymer nicht reagiert. Ein Beispiel einer derartigen Lösung ist eine Lösung neutraler Dichte aus Äthylenelvkol, der Bleiacetat oder

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Zinkjodid zugesetzt ist. Das spezifische Gewicht des Äthylenglykols ist geringer als das spezifische Gewicht des zugesetzten Polymers. Um also eine Lösung mit dem richtigen spezifischen Gewicht zu erhalten, wird beispielsweise eine geeignete Menge an Bleiacetat zugefügt, bis die Lösung das richtige spezifische Gewicht erreicht hat, um das bestimmte verwendete Polymer zu suspendieren. Auf diese Weise kann der polymere Zusatz auf unbestimmte Zeit gelagert werden und steht zu jeder Zeit für eine Verwendung zur Verfügung.

Ein Teil des Wassers in dem Rohr 4 strömt durch eine Leitung 9 in den Vorratsbehälter 8. Hier erzeugt es oberhalb der Trennwand 10 einen Druck, so daß bei Beginn des Betriebes in der Anordnung das suspendierte Polymer unterhalb der Trennplatte 10 die Membran 11 zerreißt und durch ein kleines Rohr 12 herausfließt, um sich Tropfen für Tropfen etwa in der Mitte des Strahls in das fließende Wasser zu mischen. Der Strahl kann sich ausdehnen und erzeugt eine sehr turbulente Mischung zwischen dem Wasser und dem Polymer.

In einer anderen Ausführungsform nach Figur 2 kann sich die Polymersuspension in einem Vorratsbehälter 13 befinden, der auf der einen Seite einen schmalen Auslaß 14 und in der Wand der anderen Seite einen Kolben 15 aufweist, über die Auslaßseite des Behälters ist eine zerreißbare Membran 11 gespannt, um die Suspensionsflüssigkeit von dem Wasser zu trennen, wenn die Polymereinspritzanordnung nicht benutzt wird. Auf ähnliche Weise könnte aber auch ein von Hand oder durch eine Magnetspule bedientes Ventil verwendet werden. Wenn die Anordnung benutztjwird, zerreißt die Membran durch die Kraft des Druckes der suspendierten Lösung und die Flüssigkeit fließt aus dem Tank heraus und in die Anordnung hinein.

Unabhängig von der verwendeten Auaführungaform gelangt das unter hohem Druck befindliche Wasser und das Polymer in einen Hydratisierungsbehälter 16, sobald sie in. der Mischkammer 7 (Figur 1) gemischt worden sind. Dieser Hydratisierungsbehälter 16 weist zellenförmige oder bienenkorbartige Unterteilungen auf, wo das

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fein verteilte Polymer genügend Zeit zur Hydratisierung mit dem Wasser findet. Da das Polymer fein verteilt ist und an der Düsenöffnung gut mit dem Wasser vermischt wurde, ist die Hydratisierungszeit stärk vermindert und die Hydratisierung wird vollständig in dem relativ kleinen Hydratisierungsbehälter durchgeführt.

Die Behälterabmessungen sind auch durch den Aufbau des Hydratisierungsbehälters 16 stark verkleinert, der ein bienenkorbartiges Gebilde 17 aufweist, das sich von der Nähe des einen Endes bis in die Nähe des anderen Endes des Behälters erstreckt. Das Polymer und das Wasser durchströmen das bienenkorbartige Gebilde 17, wenn eine Schubkraft auf sie einwirkt, wodurch eine innige und schnelle Mischung dieser Substanzen bewirkt wird. Jede Zelle der Bienenwabe bildet einen hohen Widerstand, so daß die Strömung recht gleichmäßig über den Behälter verteilt wird, und die Durchflußzeit durch den Behälter hindurch ist für jedes Wasserpartikelchen etwa gleich. Dieses wäre nicht der Fall, wenn die Strömung in gerader Linie von dem Eingang 18 zu dem Ausgang 19 hindurchführen würde, wenn sich in dem Behälter kein bienenkorbartiges Gebilde befinden würde. Durch diese Anordnung wird eine sehr hohe Ausnutzung des Behältervolumens erzielt. Das hydratisierte Polymer gelangt unter verändertem Druck in ein Einspritzverteilerrohr 20 und sodann zu dem Schlitz 21, der zu-der Grenzfläche zwischen der festen Oberfläche und dem Wasser führt, das sich relativ zu der festen Oberfläche bewegt. Die Einführung des hydratisierten Polymers an dieser Grenzfläche ermöglicht es, daß das Polymer entlang des festen Körpers fließt und das Wasser strömt mit sehr viel weniger Turbulenz an der überzogenen Grenzfläche vorbei. Außerdem ist die erforderliche Kraft, um eine bestimmte Flüssigkeitsmenge an einem Ort an der festen Oberfläche vorbei zu bewegen, geringer als wenn kein Polymer zugesetzt worden wäre. Umgekehrt betrachtet drückt eine gegebene Kraft eine größere Flüssigkeitsmenge an einem bestimmten Ort an der festen Oberfläche vorbei, wenn ein überziehendes Polymer zugesetzt ist.

Die Größe des Hydratisierungsbehälters 16 kann für eine ausreichende Hydratisierung.durch die Verwendung eines Nebenschlußsystems 22 wesentlich verringert werden. In diesem Fall wird

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nur ein geringer Te^Ll des, Wassers direkt durch die Düse des Misah-Hydratisierungsbehälters geführt. Hierdurch werden bedeutend höhere Prozentgehalte an Polymer in der Lösung erhalten. In diesem Fall ist die Konzentration des Wasserzusatzes aus dem Behälter 16 für die höchste Ausnutzung an der Wasser-Festkörper-Grenzfläche zu hoch. Deshalb werden diese höheren Konzentrationen mit dem Nebenfluß vor der eigentlichen Einspritzung und Verwendung verdünnt. Diese Nebenleitungs-Mischeranordnung ist von größerer Bedeutung bei der Bestimmung der Größe der Mischeranordnung, da die Verdünnung gegenüber der Hydratisierung in weniger als einem Zehntel der Zeit durchgeführt werden kann. Eine entsprechende Verkleinerung der Abmessungen des Hydrätisierungsbehälters ist dann realisiert, wenn im Vergleich zu dem Fall, in dem der ganze Fluß durch den Mischer und den Hydratisierungsbehälter hindurchgeführt wird, die gleichen Polymermengen erhalten werden.

Das hydratisierte Polymer, das eingespritzt und verwendet worden ist, kann erneut benutzt werden, indem unterhalb des Zuführungsverteilerrohrs ein Saugrohr angeordnet und ein großer Teil des hydratisierten Polymers abgezogen wird, wie es in dem bereits erwähnten US-Patent 3 303 810 beschrieben ist. Dieses hydratisierte Polymer wird dann durch eine Leitung 23 und eine Pumpe zurückgeführt, und vor einer erneuten Einspritzung wird frisches Polymer zugesetzt. Dies wird als ein anderes Verfahren betrachtet, wenn ein lang dauernder Durchfluß zu erwarten ist und eine Rezirkulation dementsprechend Polymerersparnisse ermöglicht. Wenn der hydratisierte Polymerzusatz unterhalb des Einspritzrohres zurückgewonnen und dann zur erneuten Einspritzung zurückgeführt wird, kann der konzentrierte Polymerzusatz aus dem Hydratisierungsbehälter direkt zu dem zurückgewonnenen, etwas verdünnten Zusatz hinzugefügt werden, und die Mischung kann durch das Einspritzverteilerrohr 20 und den Einspritzschlitz 21 eingespritzt werden. Wenn der zurückgewonnene verdünnte Zusatz und die konzentrierten Zusätze im gemischten Zustand eine zu hohe Konzentration erzeugen, kann durch die Nebenleitung 20 eine gemessene Wassermenge zugeführt werden, bis eine geeignete Konzentration hergestellt ist.

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Die Funktionsweise der Einordnung nach. Figur 1 ist, wenn sie an eine wasserführende Leitung angeschlossen ist, etwa die folgende. Ein Polymer mit hohem Molekulargewicht und Molekülen linearer Kettenbildung werden in einer nicht-reagierenden Flüssigkeit neutraler Dichte suspendiert und unter Druck Tropfen für Tropfen in eine Wasserdüse gedrückt. Das Polymer und das Wasser wirbeln in einem Mischbehälter herum und gelangen dann in einen Hydratisierungsbehälter, in dem die Hydratisierung vollendet wird. Nach der Hydratisierung wird das hydratisierte Polymer in die Grenzschicht zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingeführt, an der es entlangfließt. Das hydratisierte Polymer kann direkt in die Grenzschicht eingegeben werden oder einem anderen hydratisierten Polymer zugesetzt werden, das unterhalb des Zuführungsverteilerrohres aus der Grenzschicht zurückgewonnen worden ist und nun zurückgeführt und erneut in die Grenzschicht' zwischen dem Wasser und der festen Oberfläche eingegeben wird. Die Größe des Hydratisierungsbehälters kann auf Wunsch verringert werden, indem nur ein kleiner Teil des Wassers durch die Düse, die Mischkammer und den Hydratisierungsbehälter hindurchgeführt wird, während der Rest des Wassers, das mit dem konzentrierten hydratisierten Polymerzusatz zwischen dem Hydratisierungsbehälter und dem Punkt der Einspritzung gemischt werden soll, um diese Bauteile herumgeführt wird.

Die andere Ausführungsform eines Vorratsbehälters nach Figur 2 weist einen Motor 25 für eine Bewegung des Kolbens 15 in dem zylindrischen Behälter 13 auf. Der Motor 25 kann durch den gleichen, nicht dargestellten Schalter gestartet werden, der die Spritzpumpe steuert. Wenn die Pumpe und der Motor gestartet werden, zirkuliert dadurch Wasser unter hohem Druck und bildet an der Öffnung 6 einen Strahl hoher Geschwindigkeit. Die Polymersuspension wird durch die Leitung 12 in den Wasserstrahl eingespritzt, wenn der Motor 25 in Betrieb ist und den Kolben bewegt. Die Funktionsweise der Ge samt anordnung ist auch unter der Verwendung dieser Ausführungsform die gleiche, wie sie anhand der Figur 1 vorstehend bereits beschrieben worden ist. In dem Hydratisierungsbehälter 16 ist eine in Figur 3 dargestellte Honig wabe 17 angebracht, die den Behälter ausfüllt, so daß die gesamte

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durch den Behälter hindurchtretende Flüssigkeit beim Durchströmen der Honigwabe beeinflußt wird, wie es. ohen erläutert ist. Die Honigwabe 17 sollte so fein, sein, daß eine Schichtung der Lösung oder ein Kanaleffekt verhindert wird und eine fortgesetzte Mischung und Hydratisierung des bestimmten Polymers in der Wasserlösung möglich ist.

Der Ausdruck "Zusatz oder Polymer", wie er in dieser Beschreibung verwendet wird, soll alle Polymere oder Zusätze einschließen, die die Eigenschaft der Widerstandsverminderung aufweisen, wenn sie mit einer Flüssigkeit gemischt werden. Der Begriff "hydratisiertes Polymer" soll alle diejenigen Zusätze umfassen, die für eine ausreichend lange Zeit einer Flüssigkeit ausgesetzt worden sind, um ihre Eigenschaften der Widerstandsverminderung vollständig entwickelt zu haben.

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Claims

178H82 Patentansprüche

1. Verfaiiren zur Schmierung von Grenzflächen Festkörper-Flüssigkeit, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

es wird eine Suspension eines polymeren, den Strömungswiderstand vermindernden Additivs in einem Lösungsmittel so hergestellt, daß die Suspension im allgemeinen das gleiche spezifische Gewicht wie das Polymermaterial besitzt, mit diesem jedoch nicht reagiert, dann wird die Suspension teilweise zu einem solchen Grade hydratisiert, daß in der Lösung eine Überschußkonzentration von hydratisiertem Polymer vorhanden ist, und die Hydratationsprodukte werden auf .eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit injiziert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Lösungsmittel Äthylenglykol enthält .

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet -, daß dem Äthylenglykol Bleiacetat zugesetzt wird.

Jj. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß dem Äthylenglykol Zinkjodid zugesetzt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Hydratationsprodukte vor ihrer Injektion auf die Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit verdünnt werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet , daß dit Hydratationsprodukte vor ihrer Injektion auf die Grenzfläche Fest 3rper-Flüssigkeit mit zuvor injiziertem und rezirkuliertem hydratisiertem Polymer kombiniert werden.

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7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mischkammer (7) zur schnellen Bildung einer Suspension des löslichen, vriderstandsvermindernden Additivs in einem Lösungsmittel, eine Hydratationsvorrich- ■ tung (16), die mit der Mischkammer (7) zur Hydratation der Suspension bei ihrer Bildung bis zur Erzeugung einer Lösung eines beträchtlichen Anteils des polymeren Additivs verbunden ist, und eine Vorrichtung (20) zur Injektion der erhaltenen Lösung bei ihrer Bildung in eine Grenzfläche Festkörper-Flüssigkeit.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Mischkammer (7) eine Vorrichtung (12) aufweist zur Herstellung eines Kontaktes des polymeren Materials mit einem Strom des Lösungsmittels und der Hydratationsprodukte während der Leitung der Suspension zur festen Oberfläche (2).

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Einrichtungen (22) zur Verdünnung der Lösung mit zugesetztem Lösungsmittel.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet , daß sie einen Speichertank (8) und einen Hydratationstank (16) aufweist, der eine mit der Mischkammer

• (7) verbundene Kammer enthält, und daß mit dieser Kammer des Hydratationstanks (16) die Vorrichtung (20) zur Injektion der Lösung in die Grenzschicht bei ihrer Bildung verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch. gekennzeichnet , daß in einem Ende des Speichertanks (8) ein Kolben (15) gleitend angebracht ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß ein flexibles Diaphragma (10) benachbart zur oberen Wand des SpeichertankB (8) über dem-

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selben befestigt ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet , daß eine zerbrechliche Membran (11) den Speichertank (8) überspannend nahe seiner unteren Wand angebracht ist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß sie eine Einrichtung zur Verdünnung der Lösung enthält, wobei diese Einrichtung zwischen der Kammer des Hydratationstanks (16) und der Vorrichtung (20) für die Injektion der Lösung in die Grenzschicht bei ihrer Bildung angeschlossen ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet , daß der Lösungsmittelstrom die an einer festen Oberfläche entlangströmende Flüssigkeit ist und zur Entnahme der Flüssigkeit eine öffnung (3) in der festen Oberfläche (2) vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß eine Rohrleitung für die Leitung der Flüssigkeit und an einem stromabwärts in der Rohrleitung gelegenen Punkt eine Pumpvorrichtung (3, 4, 5) vorgesehen ist, sowie eine Leitung zur erneuten Zuführung der Hydratationsprodukte an einem weiter stromaufwärts gelegenen Punkt (20, 21, 22) vorhanden ist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet _s daß Einrichtungen zur Umleitung eines Teils des Lösungsmittels um die Mischkammer (7) herum und zur Verdünnung der bei der Hydratation gebildeten Lösung vorgesehen sind.

18. Vorrichtung nach. Anspruch l6 oder 17, dadurch gekennzeichnet , daß eine zweite Leitung (22) vorhanden ist, die einen direkten Umleitungsweg von der Pumpvorrichtung (5) zu der Leitung zur erneuten Zuführung

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der Hydratationsprodukte an einem weiter stromaufwärts gelegenen Punkt bildet.

19· Vorrichtung nach. Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet j, daß eine öffnung (3) in der festen Oberfläche (2) zur Entnahme der an dieser entlangströmenden Flüssigkeit und zur Zulieferung derselben an die Einrichtung zur Verdünnung der Lösung vorgesehen ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung zur Verdünnung der Flüssigkeit zwischen der Kammer des Hydratationstanks (16) und der Vorrichtung (20) zur Injektion der Lösung bei ihrer Bildung in die Grenzschicht angeschlossen ist.

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