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新型低剪切静态混合器结构优化研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2017-11-18  来源:中国砂浆网
核心提示:  石油化工设备新型低剪切静态混合器结构优化研究刘仁桓12,王金花2,谢知峻2,焦慧娟2,金有海2(1.中国石油大学(北京),北京昌平102249;2.中国石油大学(华东),山东青岛266555)态混

  石油化工设备新型低剪切静态混合器结构优化研究刘仁桓12,王金花2,谢知峻2,焦慧娟2,金有海2(1.中国石油大学(北京),北京昌平102249;2.中国石油大学(华东),山东青岛266555)态混合器以满足聚合物驱油混合过程低剪切的要求,实验结果表明:①PAM溶液降解率随着叶片单元数目增大而增加,随着叶片角度增加而减少。②叶片角度为60°、混合长度1m为最佳的结构。③通过计算开孔方式、开孔大小及开孔数目对混合效果的影响,得到前部均匀开孔、开孔孔径3mm、开孔数39个的结构混合效果最佳。

  聚合物驱是种有效的三次采油技术。在采油过程中,静态混合器的作用是将质量分数0.5%的聚丙烯酰胺(PAM)母液与采出水等比例混合成聚合物水溶液后注入井下,用以保证混合溶液的黏度达到聚合物驱油的工艺要求。目前,用于聚合物驱油的静态混合器大多是从化工行业移植过来的,主要有Kenics型、SMV型及SMX型几种,主要结构示意图见。

  基金项目:国家自然科学基金(No:21276281);中央高校基本科研业务费专项资金(12CX04049A):刘仁桓(1972-),男,山东长岛人,副教授,博士,从事化工过程设备的研究和教学工作。

  常用静态混合器混合元件结构示图倪玲英对油田现场的静态混合器进行了性能测试,结果显示这些静态混合器对聚合物的剪切降解很大,原因是静态混和器的混合元件使聚合物的长链发生剪切断裂,大幅降低了PAM溶液黏度,使驱油效果明显下降。为了提高聚合物驱油的开采效果,开发出适用于三次采油过程聚合物混合的低剪切静态混合器是十分必要的。

  1静态混合器结构设计依据聚合物驱油对聚合物混合的要求,所设计的静态混合器的混合机理应满足以流动过程中的分散作用为主,辅以流体旋转的搅拌运动,并尽量减少混合元件对聚合物切割作用的条件。设计中,现场静态混合器的结构以及前人用于注聚过程的些新型静态混合器结构,考虑到注聚过程静态混合器的低剪切要求,设计出的静态混合器结构示意图见。

  此静态混合器的外管上开有PAM母液入口,内管上缠绕有螺旋状导流叶片作为混合元件,在部分位置开设多个小孔使得水从内管上的小孔射入内、外管之间的混合腔后与PAM母液混合,两种流体在混合腔中螺旋前进,混合物从混合器出口流出。

  此静态混合器的内部结构没有突起或者锋利的棱角,主要依靠水的喷射和流体流动的分散作用,伴以流体螺旋流动的旋转搅拌运动,尽可能地减少混合元件对PAM分子链的机械切割。

  笔者借鉴了前人的一些研究成果,对所设计的静态混合器进行了实验,在满足工艺要求的前提下,分析了试样的黏度值,并从降解性能和混合性能两方面优选出了静态混合器的主要结构参数。

  实验流程静态混合器实验装置流程示意图见。从图中可以看出,熟化后的PAM母液由螺杆泵吸入,经流量计和流体管路系统进入静态混合器。清水由自吸泵吸入,经流量计和流体管路系统进入静态混合器。然后两股流体在静态混合器内混合后从出口排入料罐。

  静态混合器实验装置流程。1降解性能定义工业生产中,降解率E的定义是单相液体通过静态混合器后的黏度降低率,根据定义:!1 2.2混合性能定义PAM水溶液的质量分数与黏度具有定的单值关系,可以利用此质量分数变化用黏度变化进行分析,关系示意图见。

  为了分析混合效果,测量出口样不同区域的黏工业上要求混合器对PAM母液的降解率要低度来反映静态混合器的混合性能,样品不均匀度6于2%.根据上述降解实验结果,可优选出各叶片的定义为:角度下对应的最长内管结构组合,结果见表1. 3结构优化研究静态混合器的结构参数很多,文中选用内管/外管公称直径为DN20mm/DN50mm的尺寸,考察了与本结构有关的些参数。在考虑满足降解性能要求的基础上,筛选出混合长度与叶片角度等参数,然后考虑混合性能要求,筛选出开孔位置、数量以及孔径等参数。

  混合长度与叶片角度优选混合长度与叶片角度是影响螺旋搅拌性能的2个重要参数。混合长度是指混合元件的分布长度,由于混合元件遍布内管,即为内管长度。叶片角度为螺旋线与中心线垂线的夹角,代表所安装螺旋线的圈数。

  5m3/h的情况下,不同叶片角度及内管长度对PAM母液降解率的关系曲线结果见,图中的水平直线代表一般工业的降解率要求最高值2%.叶片角度、内管长度与降解率关系曲线从中可知,在相同叶片角度下,降解率随着内管长度的增加而不断增大。在相同内管长度下,随着叶片角度不断增大,降解率逐渐降低,叶片角度90°的静态混合器的降解率最小。其原因是在相同叶片角度下,内管长度增长,叶片单元数目增大。在相同内管长度下,叶片角度越小,叶片单元数目越多。叶片单元数目增多使得流体在静态混合器内旋转的圈数增多,液体受到剪切的机会随之增加,混合器对物料的黏度降解率也会增加。

  表1最佳混合器结构组合结构名称叶片角度/内管长度/mm将优选出的4种结构,在内管开设直径为5mm、数量为14的小孔作为水流入混合腔的通道。

  在质量分数0.5%的PAM,母液体积流量0.5m3/h的条件下进行混合实验,得到的混合效果见表2.表2满足降解要求结构的混合效果结构名称不均匀度/%从表2中可以看出,M2出口样品的混合效果最佳,M4出口样品的混合器混合效果最差。虽然M2混合效果最佳,但不是非常理想。因此,需要对M2进行进一步的改进,对内管开孔位置、开孔数目、开孔孔径等参数进步优化。

  开孔位置与数目优选为了研究开孔位置对混合效果的影响,取3种开孔位置,分别为内管前部分均匀开孔(00.5m)全管均匀开孔(01m)内管后部分均匀(0.51m)开孔,开孔位置示意图见。

  对每种方式,又分别按孔径和数量开设5种开孔尺寸,开孔明细见表3.开孔率K/%表中开孔率K是指开孔总面积占整个内管壁面积的比率,即:开孔数目,个;为内管半径,a为孔径,mm;L为内管长度,m.孔径3mm时开孔数目及位置对混合效果的影响见。

  孔径3mm时开孔数目及位置对不均匀度的影响从中可以发现:①内管前部均匀开孔混合效果最好,均匀开孔次之,后部开孔的效果最差。②在3种开孔方式下,不均匀度与开孔数均成弯钩型曲线。③随着孔数的增加,不均匀度随着孔数的增加呈现出先减小后增大的现象。④孔数为26个时,不均匀度较大;孔数为39(开孔率为1. 775%)时,不均匀度最小,此时的混合效果最好。⑤随着开孔数目继续增加,不均匀度逐步上升并趋向于平缓。

  孔径5mm时开孔数目及位置对混合效果的关系曲线见。

  mm开孔数目及位置对不均匀度的影响从中可以明显看出,曲线变化趋势与―致,开孔数为19个(开孔率为2.3362%)时,不均匀度最小、混合效果最好。

  开孔孔径对混合效果的影响在前部开孔情况下,孔径对混合效果的关系曲线见。

  儿孔宇/%前部开孔情况下孔径对混合结果的影响从中可看出:①孔径为3mm的混合效果优于孔径为5mm的混合效果,5mm孔径的最优值的开孔率略大于3mm孔径的,两者的数值都在2%附近。②在相同的开孔率条件下,内管上开孔孔径越小、开孔数目越多、孔开设越均匀,静态混合器的混合效果越好,内管开孔的分散程度对混合效果的好坏有着一定的影响。

  4结论PAM溶液降解率随着叶片单元数目增大而增加,随着叶片角度的增加而减少,90°叶片角的静态混合器降解率为最小。

  将满足物料降解率小于2%的内管长度与叶片角度进行混合实验,得到了叶片角度60°、内管长度1m的最佳结构。)开孔率相同时,前部开孔混合效果最好,均匀开孔次之,后部开孔最差。

  开孔数目与混合不均匀度成弯钩型曲线,随着开孔数目增大,不均匀度先减小再增大。开孔率的最优值在2%附近,孔径增大,开孔率略增大。

  相同开孔率下,小孔径的混合效果优。孔径为3mm时,开孔数39个的混合效果最佳;孔径5mm时,开孔数开19个的混合效果最佳。

 
 
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