改进的水溶性聚合物分散器具 专利CN102740960AB类

S.P.C.M.公司  2017-1-6 14:04
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用于分散一种水溶性聚合物的装置,包括一个配备有刀片的转子、一个固定的定子、在腔室的全部或部分外围上的一个环,该环由一个次级水回路供应,其特征在于,这些转子刀片和该定子是由奥氏体铁素体不锈钢制成,并且该定子处于圆筒的形式,在该圆筒的壁中在所述壁的高度的一部分上切割出了多个竖直的狭缝,这些狭缝具有在150与700微米之间的宽度。 说明

改进的水溶性聚合物分散器具

聚丙烯酰胺已经发展了超过60年,尤其是用于凝絮操作。然而自1973年的石油危机之后,聚丙烯酰胺一直被认为具有非常可观的增稠能力,从而使得它们能够单独地或与表面活性剂和碱组合地用于原油强化回收。

还应注意的是,聚丙烯酰胺具有降低水中或水溶液中摩擦的能力,这种特征意味着通过加入少量(30到500ppm)的聚合物能够以相同的设备泵送更大量的水,或者在泵送相同的量时可以减少动力消耗。

B. A. Toms在1946年发现了摩擦降低作用(“汤姆斯效应”)并且在传输水或水性悬浮液(水-油混合物)、在碎裂操作、并且在涉及高功率消耗的各种接触水的过程(水雷、消防、喷水切割等)的领域中它已经得到了开发。

溶解聚丙烯酰胺

虽然有可能在用于降低摩擦的操作中使用粉末形式的聚丙烯酰胺,但是溶解它们 是较困难的。对于具有低于Imm粒径分布的标准粉末,在5克每升的浓度下,溶解时间是约一小时。因此对于重要的用途将必须具有可用的大型设备,并同时要求:

-大量的投资,

-长的交付时间,

-与移动该设备相矛盾的土地面积。

具有实际上即时的溶液(例如少于2分钟)的这种需要已经造成用户转换到使用乳液形式的聚丙烯酰胺,这种聚丙烯酰胺在适当的条件下能够在2分钟以下溶解(见专利申请FR 0955555)。然而,环境要求、尤其是水力碎裂操作,造成含有烃类和表面活性剂的乳液被不含此类组分的、处于粉末形式的聚合物取代。

本申请人的文件PCT/EP2009/063961描述了一种水力碎裂方法,它采用了一个被称为“PSU”的、用于快速溶解水溶性粉末聚合物的设备,本发明人还在文件WO2008/107492中描述了该设备。

通过在一台此类的PSU中研磨聚丙烯酰胺,在10与20克每升之间的浓度下,有可能将溶解时间缩短至约15分钟。此外,这种设备紧凑的性质允许它用在移动式转向架构架中。

PSU (聚合物切削单元)

在专利申请WO 2008/107492中描述的PSU是一种在低的工业速度下(每分钟3000到4500转)转动的工业设备,由此特别在采油和碎裂操作中提供了可观的寿命。

设备可靠性是一个重点。例如在碎裂操作中停止引入聚合物可能由于所用的砂子的沉降而导致产气井的堵塞。

PSU基本上包括:

- 一个用于润湿粉末聚合物的锥体,该锥体连接到一个初级进水回路上,

- 一个用于研磨所分散的聚合物的腔室,该腔室包括一个转子,该转子与一个定子相关联,

-在该腔室的外围上的一个环,该环由一个次级水回路供应,该次级水回路喷射加压的水并且打开定子的叶片。

定子包括定制设计的、通过在一个外围环上的间隔件组装的碳化钨板或叶片。

专利文件 US 6, 000, 840,US 5,156,344 和 FR 2777804 Al 披露了一种包括多个开口的定子环。US 5,156,344的定子环是由一个限制器包围的,该限制器包括与主定子环相同数量的开口。可以调整这个限制器的位置,以便完全打开或关闭该定子环的开口。这些文件都没有提及这些开口的宽度。

转子包括用螺栓或钎焊固定的碳化钨板,以便降低这些操作过程中的磨损和撕 裂。

虽然这个系统在机械上是有效的,但它有两个限制:

-难以使定子的这些板距离彼此小于500微米,因为非常狭窄的间隔件不具有所要求的机械强度,

-粘合材料(钴或镍)不具有足够的抗腐蚀性,尤其是在所泵送的盐水含有非常大量的盐(高达200000ppm)和硫化氢的采油工业中。

因此,本发明尝试解决的问题是改进PSU的结构,由此允许:

-更精细的研磨,同时实际上即时地使用如同通过乳液所获得的聚合物溶液,

-更大的耐腐蚀性,

-同时保持定子和转子的保存寿命,

-将该设备用于多种聚合物,如聚丙烯酰胺、高分子量聚氧化乙烯、黄原胶或硬葡聚糖、瓜尔胶等。

本申请人已经注意到,通过使用不锈钢、并且具体是经过表面硬化(真空氮化、科尔斯特林技术(kolsterisation))的并具有高机械强度和强大的耐腐蚀性的所谓“超双相”奥氏体铁素体(austeno-ferritic)钢或奥氏体钢来制造生产定子和转子并且在定子中使用并非定制设计的叶片而是直接在环上产生的狭缝,实现了这4个目的。

换言之,本发明的目的是一种用于以低于Imm的标准粒径分布来分散水溶性聚合物的装置,该装置包括:

- 一个润湿锥体,在其中计量该聚合物,所述锥体被连接到一个初级进水回路上,

-在该锥体的底端:

〇一个用于研磨和排出所分散的聚合物的腔室,该腔室包括:

•一个转子,该转子由一个电动机驱动并且配备有多个刀片,可选地这些刀片相对于该转子的半径是倾斜的,

•一个定子,

〇在该腔室的全部或部分外围上的一个环,该环通过一个次级水回路进行供应并且与该腔室相连通以便将加压的水喷射到该定子上。

该装置的特征在于:这些转子刀片至少部分地、以及该定子,是由不锈钢制成,该不锈钢选自奥氏体铁素体钢或奥氏体钢并且通过真空氮化或通过碳扩散进行了处理;并且该定子处于圆筒的形式,在该圆筒的壁中安排有在所述壁的高度的一部分上生产的多个竖直狭缝,这些狭缝具有150微米的最小宽度,并且有利地在150与700微米之间。

在一个优选实施方案中,这些狭缝的高度是在10与50mm之间,并且是与该圆筒的上下边缘等距地定位的。当涉及一种高度较大的狭缝时,将这些狭缝切割成2、3或4个部分。

根据另一个特征,这些狭缝彼此均匀地间隔开了一个在10与50mm之间的距离。在一个具体的实施方案中,这些狭缝的内壁是倾斜的,于是在每个狭缝上产生了多个切削刃。 根据本发明,该转子和定子可以是由不同材料制成的。

在一个实施方案中,它们是由真空氮化的奥氏体不锈钢304L或316L制成的,但是具有低于奥氏体铁素体钢的性能和寿命率。

在一个优选的实施方案中,它们是由包含按重量计至少20%的Cr和按重量计至少5%的Ni的奥氏体铁素体钢制成的。

在奥氏体铁素体钢中,可以区分出包含约按重量计22%的Cr和按重量计约5%的Ni的所谓的“双相”钢,以及包含约按重量计在24%与26%之间的Cr和按重量计6%到8%的Ni的所谓“超双相”钢。 根据一个改进的实施方案,该奥氏体铁素体钢是科尔斯特林技术处理的,换言之是通过如下所说明的碳扩散处理过的。

有利的是,所选择的奥氏体铁素体钢具有以下两种组成之一:

这些钢的机械特性是远远优于304L或316L不锈钢的,并且如下所示:

Rp 0. 2 (MPA) 0. 2% 屈服强度(MPA)最小

Rm (MPA)拉伸强度(MPA)最小

A3伸长率%最小

碳化钨具有的机械特征优于超双相等级的特征,但是相对于聚丙烯酰胺颗粒的硬度而言,超双相等级的特征是足够高的而允许转子和定子的较高寿命。

此外,在机加工之后,可以处理该超双相或双相,以便通过科尔斯特林技术在20到30微米的厚度上增大表面硬度而不损害耐腐蚀性并且不改变这些部分的几何形状并达到高于1000的Rm0

科尔斯特林®处理是一种用于不锈钢结构的表面改性的方法。它包括使大量的碳从表面朝向材料内芯扩散,而不添加外部元素并且没有产生碳化铬。这种处理是在气相中且在低温下应用的,并且可以用于处理任何形状,包括如在PSU中的那些狭缝。这种处理对于高达300° C的温度和高于2的pH是有效的。这种方法允许耐疲劳性和耐腐蚀性、消除捕捉(seizing)、非常高的硬度率而同时保持了无磁性。

很明显的是,超双相是最具耐性的材料,但是如已经提到的,有可能使器具有20%铬的双相钢或标准的真空氮化的304L或316L不锈钢,但是它们具有较差的性能和寿命率。

如已经提及的,具有小于500微米的板间隙的PSU构造是困难的,必须使用另一种技术以便对聚合物进行非常精细的研磨。

对于该定子,选择使用一个与PSU内径相同的环或圆筒,在其上切出了一个最新一代的水喷射切口,该切口能够以单一喷射形成具有150微米的最小宽度的狭缝、并且以双喷射形成任何其他宽度的狭缝。该定子必须具有高的刚度水平并且有利地是其厚度为从至少IOmm到高达20mm,以便不损失切割精度。此外还可以用高精度喷水设备来制造允许研磨后的聚合物更好地喷射的锥形切口。

在实践中,该切口是用切割机以含有磨料的、非常高压的水喷射制造的,压力是在2000与5000巴之间、并且优选在3000与4000巴之间。 更小的厚度明显是可能的,但是这导致中期的扭曲和破裂,尤其是随着研磨该聚合物而造成的不可避免的磨损。

切割还可以通过激光器、但是在更小的厚度上进行,然而热效应在如此切割的狭缝上产生了永久的扭曲和粗糙的碎片,从而使得在切割之后需要强制地重填充该部分。

定子中的狭缝数目随其直径而变。实际中是在50与300之间。

根据本发明的一个基本特征,这些转子刀片至少部分地是由真空处理过的或科尔斯特林技术处理过的奥氏体铁素体的或奥氏体的不锈钢制成。

在第一个实施方案中,在通过研磨形成了刀片的这个表面上该转子包括一个支架。在这种情况下,转子是完全是由上述材料之一制成的。

在一个第二实施方案中,转子包括一个机加工的支架,该支架由上述材料之一制成,将由碳化钨或通过热处理而硬化的不锈钢制成的多个板添加到该支架上。

在这两种情况下,可以通过将该定子的内部机加工至更大的直径来进行维护以恢复转子-定子距离。只要涉及该转子,就有可能:

*要么改变这些板以适应新的直径,

*要么将实心转子进行焊接加载,然后旋转该转子以给出所要求的切割直径。

转子装配有2到20个之间、并且有利地在4到12个之间的刀片。然而,取决于转子的直径,刀片的数目可以改变。例如,对于200mm的转子直径是9个。

此外,并且根据另一个特征,这些刀片可以是相对于转子半径或多或少倾斜的。有利地,这种倾斜是在1°与15°之间,并且优选在2°与10°之间。

为了允许有效的研磨,转子刀片与定子叶片隔开的距离是在50与300微米之间,并且优选在100与200微米之间,实际中是约100微米。

明显地,减少狭缝的宽度降低了每个器具的粉末和水的流出,这可以通过将转子速度增大到4500转每分钟的工业极限而部分地恢复。

如已经提到的,该定子设计允许相对于在文件WO 2008/107492中描述的装置而言更精细地研磨该聚合物,在该文件中在不非常明显降低器具寿命的情况下,每个定制的叶片之间的空间实际上不能小于500微米。

换言之,本发明的另一个目的是本发明的溶解装置在用于实现油井或气井的水力碎裂方法、原油强化回收、絮凝、制备化妆用溶液或居家产品的一种设施中的用途。它还使得有可能显著降低需要机加工的部件的数目以及组件的复杂度。 对于所有这些方法,即使在注入处的溶解是不完全的,也可以在注入后的零点几秒内直接在管道中、或在有待处理的混合物中发生溶解。

从附图所支持的以下实例中,本发明及其产生的优点将变得更加清楚。

图I是本发明装置的一个示意性侧视图。

图2是沿线AA’的截面图。

图3. I是本发明的装置的转子根据第一个实施方案的视图。

图3. 2是本发明的装置的转子根据第二个实施方案的视图。

图4是本发明装置的、在文件WO 2008/107492中说明的定子的视图。

图5是根据本发明装置的定子的视图。

根据图1,本发明装置包括:

- 一个润湿锥体(1),该锥体在其顶部连接到一个柱(2)上,该柱测量出具有标准粒径分布的聚合物,通常是借助于一个配量螺杆,该锥体(I)在其底部连接到一个初级进水回路(3 ),该初级进水回路提供一个溢流(4),

-在该锥体的底部末端的一个组件(5),该组件包括:

〇一个用于研磨和排出所分散的聚合物的腔室(6)(图2),该腔室包括:

•一个转子(7),该转子由一个电动机(8)驱动并且配备有多个刀片(9),

•一个定子(10),

〇在该腔室的全部或部分外围上的一个环(11),该环(11)通过一个次级水回路

(12)进行供应并且通过多个狭缝(13)与该腔室(6)相连通以便将加压的水喷射到该定子

(10)上。

在图3. I中已经展示了本发明装置的转子。图3. Ia是由一般参考号(7)指示的转子的分解视图,而图3. Ib是完成的部件的视图。

该转子包括一个耐腐蚀的复合支架盘(14),在其上研磨了 9个倾斜的刀片(15),这些刀片由具有以下组成的超双相制成:

%C %Cr %Mo %Ni %N %W~ %Cu

UNS S32750 最大 0.03 24-26 3.0-5.0 6.0-8.0 0.24-0. 32 05

这些刀片(15)由添加到其上部的一个套筒(16)来保护。

在图3. 2(a)和3. 2 (b)中已经展示了一种替代性的转子构造。于是它包括一个由不锈钢(超双相、304、316)制成的、机加工的旋转支架(14),由碳化钨或通过热处理而硬化的不锈钢制成的多个板(15-1)被固定到该支架上。

在图4中,已经将定子展示为如在文件WO 2008/107492中描述的PSU中所实施的,这现在是可商购的。如在图4a中示出的,除了这些衬垫(18)之外,定子(17)基本上与4个元件配合:

-一个下套筒(19),

-一个上套筒(20),

-支撑这些板(22)的一个开槽的中央环(21),-如此的定子(23)包括由碳化钨制成的、由间隔件间隔开的、在部件(18)上研磨出的、且未展示的定制的叶片(24)。

这些套筒(19)和(20)彼此相关联,从而与该部件(21)相结合地将叶片(24)保持在位。

在图5中已经示出了根据本发明的定子。这个定子,由一般参考号(26)指示,包括一个厚度等于IOmm的单一部件、配备有由在非常高的压力(3000到4000巴)下以单一水喷射制成的多个狭缝(29)。每个狭缝的宽度是200微米。如在该图中所示,这些狭缝距圆筒(28)的上边缘和下边缘等距地分布。分隔每个狭缝的距离是300微米。

根据本发明,部件(28)是由具有以下组成的超双相制成的:

现有技术的PSU以及本发明的PSU的转子和定子的所有的尺寸特征、以及允许聚合物溶解的工作特征都在下表中给出:

I - 在40°C的溶解时间/分钟 I_10_I_I_I

表 I

因此用这类设备有可能伴随的是,取消正常情况下溶解粉末形式的聚丙烯酰胺所需要的溶解储罐并且将聚合物直接注入。 具体而言,在碎裂操作中,将聚合物在一个共混器中混合一段在I与2分钟之间的时间,用一个离心泵提取以便供应给注射该碎裂混合物的三缸泵。混合时间为足以允许这种操作在线进行。

使用这种技术的这些器具的尺寸可以是模块式的(100、300、600、1200kg/小时)。

明显地可以将这类设备用于:

-具有不同组成的聚合物,如高分子量聚氧化乙烯、黄原胶或硬葡聚糖、瓜尔胶等。

-其他用途,如带有在线溶解的絮凝、原油强化回收、准备化妆用溶液或居家产品。

-具有繁多的粒径分布的粉末,从而防止在分散中形成鱼眼。

专利公开号:CN102740960A 专利状态/类型:申请 专利申请号:CN 201180007475 专利公开日:2012年10月17日 专利申请日:2011年2月8日 发明者:E·皮奇, P·杰罗尼莫 申请人:S.P.C.M.公司
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分类
国际分类号C22C38/00, B01F3/12, C22C38/42, B01F7/00, B01F1/00, B01F7/16, C22C38/44, B01F5/24
合作分类C23C8/26, C23C8/22, B01F2215/0431, B01F2215/0427, B01F7/164, B01F7/00033, B01F7/00025, B01F5/248, B01F3/1228, B01F3/1221, B01F7/0025, C22C38/42, B02C18/2225, C22C38/44, B01F2215/0049, B01F15/00188, B02C18/086, C22C38/001, B01F7/00541, B01F15/0254, B01F1/0011
欧洲专利分类号C22C38/44, B01F3/12D, B01F3/12C, C23C8/22, B01F7/00B10A, B01F7/00B10B, C22C38/00B, B01F5/24F, C23C8/26, B01F1/00C, B01F7/16F4, C22C38/42
法律事件
日期代码事件说明
2012年10月17日C06Publication
2012年12月12日C10Entry into substantive examination
2016年10月19日C12Rejection of a patent application after its publication
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