Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ ТЕХНІЧНОЇ ТЕПЛОФІЗИКИ

УДК 532.501.32

Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій

05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Матюшкін Максим Володимирович

Київ 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті технічної теплофізики НАН України.

Захист відбудеться “12”квітня 2005 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01 в Інституті технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ, вул. Желябова, 2-а.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Інституту технічної теплофізики НАН України за адресою: 03057, м.Київ, вул. Желябова, 2-а.

Автореферат розісланий “9” березня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.224.01, к.т.н. Чайка О.І.

АНОТАЦІЇ

Матюшкін М.В. Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики Національної Академії Наук України, Київ 2005.

Дисертацію присвячено дослідженню кінетики гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в пульсаційному диспергаторі, в якому реалізується метод дискретно-імпульсного введення енергії, а також особливостям зміни реологічних характеристик та водовіддачі глиняних розчинів під час їх перемішування і гомогенізації в таких апаратах. Розглянуто математичну модель, що описує закономірності течії рідини та газу в трактах пульсаційного диспергатора. На основі теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано методику масштабного переходу від лабораторної установки до дослідно-промислового зразка пульсаційного диспергатора, який було виготовлено та впроваджено у виробництво. Виконана техніко-економічна оцінка результатів роботи.

Ключові слова: гідродинамічні процеси, масообмін, перемішування, пульсаційне диспергування, реологічні характеристики, глиняні суспензії, бурові розчини, енергозбереження.

Матюшкин М.В. Тепломассобмен и гидродинамика в пульсационном диспергаторе для приготовления глинистых суспензий. - Рукопись.

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Институт технической теплофизики Национальной Академии Наук Украины, Киев 2005.

Диссертация посвящена исследованию кинетики протекания гидродинамических и массообменных процессов в пульсационном диспергаторе, в котором реализуется метод дискретно-импульсного ввода энергии, а также особенностям изменения реологических характеристик и водоотдачи глинистых суспензий при их перемешивания и гомогенизации в таких аппаратах. В ходе теоретических и экспериментальных исследований определены конструкция и геометрические размеры лабораторного образца, а также оптимальные параметры режима обработки. Предложены усовершенствованные методы обработки глинистых суспензий на пульсационном диспергаторе, позволяющие интенсифицировать тепломассообмен и ускорить процесс приготовления глинистой суспензии и снизить удельные энергозатраты. На основе экспериментальных данных с учётом разработанной математической модели рассматривается методика масштабного перехода от лабораторного к опытно-промышленному образцу пульсационного диспергатора, который был изготовлен и внедрён в производство. Проведены сравнительные эксперименты по приготовлению глинистых суспензий на пульсационном диспергаторе и традиционной мешалке. Произведена технико-экономическая оценка результатов работы промышленного образца.

Ключевые слова: гидродинамические процессы, массообмен, перемешивание, пульсационное диспергирование, реологические характеристики, глинистые суспензии, буровые растворы, энергосбережение.

Matyushkin M.V. Heat and mass transfer and hydrodinamics in pulsating dispergator for clay suspensions producing. - Manuscript.

Thesis for a Candidate Degree of Technical Science on Speciality 05.16.04 - Engineering Thermophysics and Industrial Thermoenergetics. - Institute of Engineering Thermophysics, National Academy of Sciences of Ukraine, Kyiv, 2005.

The work is aimed at comprehensive study of kinetics of heat and mass transfer and hydrodynamic processes in a pulsating dispergator, in which the power DPEI effects occur, with regard to the intensification of mixing and homogenization of clay suspensions for drilling fluid production. The feature of variation of reological characteristics and water return factor of clay suspensions during their processing in the device was also investigated in the work. A mathematical model was developed that describes both gas and liquid non-stationary flows in the pulsing dispergator tracks. A scale-up method was proposed for design a pilot pulsating dispergator on the base of the lab unit in relation to industrial use. The construction details of the pilot device that was treated and commercialized in industry, as well as the optimal processing regimes are considered in detail. Ultimately, the design and techno-economic evaluation of the work are performed.

Key words: hydrodynamic processes, mass transfer, agitating, pulse dispersing, reological characteristics, clay suspensions, driller's mud, energy saving.

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Особливості сукупного протікання гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в гетерогенних рідинних середовищах при здійсненні технологічних операцій перемішування, диспергування, емульгування, екстракції тощо привертають постійну увагу вчених і спеціалістів в галузі теплофізики. В першу чергу це пояснюється поширенням таких операцій в багатьох технологіях в різних галузях промисловості. Вивчення цих процесів є необхідним і важливим для подальшого розвитку і удосконалення теорії тепло- і масообміну та гідродинаміки в дисперсних системах для вирішення конкретних прикладних задач, а також для з'ясування природи фізичних механізмів, які керують цими процесами, і створення на цих основах відповідних теоретичних моделей.

Дисертаційна робота присвячена розробці ефективних енергозберігаючих методів перемішування та гомогенізації високов'язких суспензій стосовно вирішення задач готування високоякісних глиняних суспензій із заданими реологічними властивостями. Приготування бурових розчинів на базі глиняних суспензій, які представляють собою складні структуровані колоїдні системи, є одним з найважливіших технологічних процесів при бурінні свердловин для розвідки і видобування корисних копалин. Саме застосування якісних бурових розчинів забезпечує надійне і безаварійне витягання природничих рідких та газоподібних копалин із глибокозалягаючих шарів на поверхню при бурінні свердловин на нафту, газ, геотермальні або мінеральні води та інше. Глиняні суспензії також широко використовуються в будівництві, зокрема, для формування та зберігання профілю траншеї при зведенні фільтруючих діафрагм за технологією ”стіна в грунті”. Враховучи великі об'єми виробництва глиняних суспензій для різних галузей промисловості, що пов'язано із значними енергетичними витратами, пошук і наукове обгрунтування найбільш ефективних високопродуктивних методів готування глиняних суспензій і розробка відповідного обладнання слід розглядати як важливу і актуальну проблему. Проведені в рамках дисертаційної роботи дослідження процесів тепломасообміну та гідродинаміки в пульсаційному диспергаторі, який забезпечує ініціювання потужних динамічних ефектів ДІВЕ при мінімальних витратах енергії, сприятиме виявленню закономірностей протікання цих процесів та дозволить розробити науково обгрунтовані засоби їх інтенсифікації.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконувалась в ІТТФ НАН України в рамках науково-технічної програми комплексного дослідження методів ДІВЕ, зокрема, в рамках відомчих тем № 618 “Вивчення теплофізичних основ дискретно-імпульсного введення енергії з метою створення нанотехнологій”, № 622 “Розробка нових технологій диспергування, перемішування й обробки рідких дисперсних середовищ з використанням фізичних механізмів ДІВЕ” та пошукової теми № 587 “Теплофізичні основи принципу дискретно-імпульсного введення енергії”.

Мета роботи і задачі дослідження. Задача дисертаційної роботи полягає в проведенні комплексних досліджень гідродинамічних та теплообмінних процесів, що забезпечують ефективне перемішування і гомогенізацію високов'язких сумішей, з метою розробки, виготовлення та випробування в промислових умовах апарата для приготування глиняних суспензій.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі:

вибір для проведення лабораторних досліджень найбільш раціональної схеми апарата для перемішування та гомогенізації високов'язких суспензій із застосуванням потужних динамічних ефектів ДІВЕ;

виготовлення експериментального лабораторного стенда, розробка і обґрунтування методики проведення комплексних досліджень;

проведення на модельних рідинах експериментальних досліджень особливостей протікання гідродинамічних і теплообмінних процесів в рідинному і газовому трактах пульсаційного диспергатора при різних режимах роботи;

створення математичної моделі роботи пульсаційного диспергатора з метою вибору раціональної конструкції апарата, дослідження різних режимів його роботи, а також для розробки методики масштабного переходу від лабораторного стенда до дослідно-промислового зразка.

відпрацювання на лабораторному стенді оптимальних режимів готування високоякісних глиняних суспензій;

розробка методики розрахунку дослідно-промислового зразка апарата на основі лабораторного стенда;

створення дослідно-промислового зразка ПД, випробування апарата в умовах виробництва і оцінка ефективності його роботи.

Об'єкт дослідження - процеси тепломасообміну та гідродинаміки, що забезпечують ефективність роботи пульсаційного диспергатора.

Предмет дослідження. - кінетика процесів перемішування та гомогенізації високов'язких глиняних суспензій в пульсаційному диспергаторі при застосуванні механізмів ДІВЕ.

Для вирішення поставлених в роботі задач застосовано експериментальні та теоретичні методи. Експериментально досліджено закономірності протікання в трактах пульсаційного диспергатора аеро - та гідродинамічних процесів, а також кінетику зміни реологічних параметрів та водовіддачі в залежності від режимів обробки суспензії.

На основі проведених експериментальних досліджень створено та апробовано математичну модель роботи пульсаційного диспергатора. Розроблено і теоретично обґрунтовано методику масштабного переходу від лабораторної моделі ПД до дослідно-промислового зразка.

Наукова новизна. Вперше одержані та узагальнені наступні наукові результати:

розроблено та апробовано математичну модель нестаціонарних потоків рідини та газу в трактах пульсаційного диспергатора;

досліджено закономірності протікання гідродинамічних процесів в рідинному тракті ПД диспергатора з урахуванням впливу різноманітних фізичних чинників (величина перепаду тисків в ресиверах, періодичність та тривалість дії тиску, частота дії тиску, густина та температура рідинної суміші тощо);

встановлено залежність між реологічними параметрами, що зумовлюють структурні та якісні властивості глиняної суспензії, та тривалістю обробки суспензії в ПД при різних режимах;

запропоновано і обгрунтовано оптимальні конструкцію та геометричні параметри елементів ПД, які забезпечують скорочення тривалості готування глиняного розчину і суттєво поліпшують його якісні характеристики;

запропоновано метод зменшення густини суміші з метою скорочення часу готування та поліпшення якості глиняної суспензії;

проведено оцінку впливу температури суспензії на інтенсивність масообмінних процесів в рідинному тракті пульсаційного диспергатора;

розроблено методику розрахунку дослідно-промислового зразка ПД для готування глиняних суспензій.

Достовірність отриманих результатів. Наукові положення, висновки та рекомендації, що сформульовані у дисертації, теоретично обгрунтовані структурними математичними моделями, які були розроблені на базі фундаментальних законів, а їх адекватність підтверджена результатами експериментальних досліджень. Доцільність впровадження у нафтогазовидобувну та будівельну промисловості пульсаційних диспергаторів для приготування глиняних суспензій обґрунтована позитивними результатами виробничих випробувань.

Практичне значення отриманих результатів. Вперше отримано такі практично важливі результати:

рекомендовано раціональну конструкцію і оптимальні геометричні параметри пульсаційного диспергатора;

на підставі розробленої за результатами проведених досліджень технічної документації виготовлено дослідно-промисловий зразок пульсаційного диспергатора, який успішно пройшов тестування у виробничих умовах і був прийнятий до експлуатації.

Практичне значення результатів дисертаційної роботи підтверджується одержаними дисертантом авторськими свідоцтвами на масообмінні пристрої, принцип дії яких базується на застосуванні механізмів ДІВЕ, і які призначені для проведення технологічних операцій перемішування, гомогенізації, емульгування та екстракції, в тому числі і авторськими свідоцтвами на пульсаційний диспергатор.

Особистий внесок здобувача. Усі основні результати роботи були отримані і проаналізовані особисто автором. Проведено критичний аналіз стану проблеми, на підставі якого було визначено напрямок досліджень; виконано комплекс теоретичних та експериментальних досліджень; запропоновано раціональну конструкцію пульсаційного диспергатора і визначено оптимальні режими обробки глиняних суспензій на цьому апараті. На базі теплофізичних основ принципу ДІВЕ за безпосередньою участю здобувача розроблено та апробовано математичну модель роботи пульсаційного диспергатора і створено методику розрахунку дослідно-промислового зразка ПД.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи оголошувались і обговорювались на XVIII конференції країн СНД “Дисперсні системи” (Одеса, 1998 р.), на I та II Міжнародних конференціях “Проблеми промислової теплотехніки”, (Київ, 1999 та 2001 рр.) а також на наукових семінарах Інституту технічної теплофізики НАН України.

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 9 наукових праць, в тому числі 5 статей у провідних фахових журналах, 1 тезу доповіді на конференції, 3 авторські свідоцтва на винаходи.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку цитованої літератури та додатка. Загальний обсяг дисертаційної роботи складає 122 сторінки машинописного тексту, що містять 88 сторінок основної текстової частини, 30 рисунків, 17 таблиць та 92 бібліографічних найменування на 7 сторінках, а також 1 додаток.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі до дисертації коротко обговорюється стан наукової проблеми, обраної для експериментальних та теоретичних досліджень, обгрунтовується актуальність теми дисертації, сформульовано мету роботи, показано зв'язок дисертаційної роботи з науковими програмами, планами і темами, відображено наукову новизну і практичне значення роботи та отриманих результатів, визначено особистий внесок здобувача, наведені дані про об'єм і структуру дисертації та про апробацію її результатів.

У першому розділі проаналізовано існуючі методи інтенсифікації процесів тепломасообміну у дисперсних системах, серед яких детально розглянуто метод дискретно-імпульсного введення енергії, його принципи і механізми дії та апарати, що його реалізують.

Розглянуто вимоги до якості глиняних суспензій, що використовуються у технології буріння у нафтогазовидобувній промисловості та у технології “стіна в грунті” у будівництві , та існуючі апарати для приготування таких сумішей.

В результаті аналізу сучасного стану проблеми сформульовані та обгрунтовані напрямок, мета та задачі досліджень.

У другому розділі представлені опис експериментального стенду ПД, робота якого базується на застосуванні принципів ДІВЕ і який було обрано у якості предмету досліджень, методика проведення експериментів та результати експериментального дослідження гідродинамічних характеристик ПД при різних режимах його роботи.

Принципова схема ПД приведена на рис.1. Пристрій складається з ємності 1, яка заповнена обробляємою сумішшю, робочої камери 4, труби 9, що з'днує ємність 1 з робочою камерою 4, пневматичних електроклапанів 7 і 8, що з'єднують робочу камеру з газовим трактом, та двох ресиверів - високого 2 і низького тиску 3. Розміщені в камері 4 дві в'ялі резинові діафрагми 5 не тільки ізолюють газовий тракт від попадання рідини, але й виконують більш активні функції, сприяючи створенню в рідинному тракті потужних динамічних ефектів.

Принцип дії ПД полягає у наступному. Електроклапани 7 і 8 відчиняються почергово. Якщо клапан 7 відчинений, а клапан 8 - зачинений, бокові частини робочої камери з'єднуються з ресивером 2 (РВТ), завдяки чому тиск у бокових частинах робочої камери із зовнішньої сторони діафрагм поступово зростає, мембрани 5 розходяться і з силою виштовхують рідину через трубу в ємність 3. При високих швидкостях потоку у верхній частині труби ініціюються кавітаційні ефекти, які сприяють інтенсифікації процесів гомогенізації суміші. Якщо клапан 7 зачинений, а клапан 8 відчинений, бокові частини камери 4 з'єднуються з ресивером 3 (РНТ), завдяки чому тиск у бокових частинах камери швидко спадає, діафрагми розходяться, створюючи в середній частині камери між діафрагмами розрідження. Під дією атмосферного тиску суміш з ємності 1 по трубі 9 з великою швидкістю втягується в камеру 4, притискуючи діафрагми до бокових стінок камери. Внаслідок різкого гальмування потоку в камері виникає ефект гідравлічного удару. Високочастотні і високоамплітудні імпульси тиску, які розповсюджуються з робочої камери в трубу, спричиняють потужну динамічну дію на суспензію. Після цього камера знову з'єднується з РВТ і далі цикл багатократно повторюється.

Методика досліджень полягала у вимірюванні тиску у газовому та рідинному каналах апарата за фіксованих відрізків часу спрацювання електромагнітних клапанів з метою пошуку режиму, що дасть найбільшу величину гідроудару в апараті. Вимірювальний вузол складався з серійного тензорезисторного датчика ВТ 206 (позиціями 10 показані місця розташування датчика в апараті на рис.1), вимірювального перетворювача динамічних тисків та осцилографа С8-17, на екрані якого відтворювалася крива залежності тиску від часу.

В результаті експериментальних досліджень на лабораторному стенді з фіксованими геометричними параметрами було встановлено, що для досягнення ініціації гідравлічного удару в пульсаторі тиск у джерелі стисненого газу повинен знаходитись у межах РR = 0,2 - 0,4 МПа; тиск у джерелі вакууму - РV= 0,02 - 0,05 МПа; час відкриття електроклапанів на з'єднання пульсатора з джерелом стисненого газу - R = 0,1 - 0,3 с, з джерелом вакууму - V= 0,5 - 2 с.

При цьому на екрані осцилографа було отримано характерні залежності тиску в рідині від часу (рис.2), з яких видно, що за умов відповідності режимних параметрів ПД вищенаведеним параметрам величина гідроудару в апараті може перевищувати величину тиску від джерела стисненого газу у 2-3 рази.

Крім цього, завдяки тому, що стінки труби 9 лабораторного зразка ПД були виготовлені з прозорого матеріалу, вдалося зафіксувати на відеокамеру явище кавітаційного скипання на вході в трубу з боку робочої камери ПД (рис.3). Таким чином, в результаті досліджень були визначені оптимальні режими роботи апарата за критеріями досягнення максимальних динамічних характеристик.

Проведені дослідження засвідчили, що при оптимальних режимах роботи пульсаційного диспергатора у ньому дійсно ініціюються жорсткі динамічні механізми ДІВЕ, такі як гідравлічний удар та кавітаційні ефекти.

У третьому розділі розглянуто математичну модель роботи пульсаційного диспергатора.

На підставі результатів експериментальних досліджень, які представлені у другому розділі дисертації, було розроблено математичну модель, що описує гідродинамічні та масообмінні процеси у рідинному та газовому тракті пульсаційного диспергатора. Без порушення адекватності в моделі розглянуто пульсаційний диспергатор з однією гнучкою діафрагмою, площа поверхні якої дорівнює сумарній площі поверхні обох діафрагм в реальному апараті.

Переміщення рідинної суміші в ПД розглядається як одномірний рух в'язкої рідини у каналі змінного перерізу у напрямку вертикальної координатної вісі. Діафрагма розглядається як плаский поршень, що не має ваги. Рух рідини в каналі приймається потенційним (), так що для одномірної течії справедливе співвідношення .

На рис.4 представлено схему рідинного тракту, яка використовується при математичному описі течії рідини в ПД. Індекси 1, 2, 3 відносяться, відповідно, до робочої камери, труби та ємності. Площини перерізів відповідних елементів апарата - та приймаються постійними для кожного з елементів. Початок координати знаходиться в перерізі, що визначає нижній кінець труби. Координата , де - довжина труби, визначає положення виходу з камери 1 в трубу 2. Координата , де - висота робочої камери 1 визначає положення отвору з камери до газового тракту, а координата - верхній рівень рідини у відкритій ємності 3 відносно початку координат.

Координата визначає поточне положення верхнього рівня рідини у робочій камері або в трубі (коли отвір у камеру перекрито діафрагмою). Із умови збереження маси рідини в апараті або випливає, що координати верхньої та нижньої межі об'єму рідини в ПД пов'язані між собою. Якщо верхній рівень рідини знаходиться в камері 1 і змінюється на величину , рівень рідини в ємності 3 змінюється на величину . Коли верхній рівень рідини переміщується в трубу 2 і змінюється на величину , рівень рідини в ємності 3 змінюється на величину . Відповідно, швидкість рідини в робочій камері і швидкість рідини в ємності можна визначити через швидкість рідини в трубі : і . Швидкість потоку рідини вважається позитивною, коли рух рідини направлено догори.

Нестаціонарну течію рідини в каналі ПД можна описати за допомогою рівняння балансу енергії у формі інтеграла Лагранжа-Коші. Розглянемо два горизонтальних перерізи, які обмежують об'єм рідини в апараті і які переміщуються разом рідиною. Один з перерізів з координатою проходить через верхню поверхню рідини, яка знаходиться під дією тиску . Величина визначає поточне значення тиску газу на діафрагму в камері 3, коли верхній рівень рідини знаходиться в робочій камері, або значення тиску насиченої пари рідини , коли верхній рівень рідини переміщується усередину труби. Другий переріз з координатою відповідає рівню поверхні рідини в ємності 3, який знаходиться під дією атмосферного тиску . Застосовуючи інтеграл Лагранжа-Коші до згаданих перерізів, рівняння нестаціонарного руху в'язкої рідини усередині ПД під дією різниці тисків можна записати у вигляді

(3.1)

В рівнянні (3.1) і , якщо , або і , якщо . Величина характеризує втрати механічної енергії потоку між згаданими перерізами внаслідок втрат напору на локальних та шляхових гідравлічних опорах. Втрати напору на локальних опорах складаються з втрат напору на відрізку переходу рідини з камери в трубу: і втрати напору на відрізку переходу рідини з труби у ємність 3: . Із рис.4 видно, що ці опори пов'язані з різким розширенням або різким звуженням потоку на цих ділянках. Коефіцієнти і визначаються із співвідношень:

при та при ;

при та при (3.2)

Втрати напору на шляхових гідравлічних опорах, які зумовлені тертям потоку на стінках робочої камери, труби та ємності, для кожного з цих елементів можна описати загальною формулою . Підставляючи у цю формулу відповідні значення шляхових гідравлічних коефіцієнтів для кожного з елементів каналу і виражаючи швидкості потоку в камері 1 і в ємності 3 через швидкість потоку в трубі , можна записати

; ; (3.3)

Із співвідношень (3.2) і (3.3) випливає, що сумарні втрати напору на локальних та шляхових опорах можна представити у вигляді , де - сума усіх коефіцієнтів, які стоять перед членом у формулах (3.2) і (3.3).

Нестаціонарність потоку в (3.1) зумовлена наявністю члена . Враховуючи, що , можна проінтегрувати це рівняння в межах від 0 до при =const та знайти функціональну залежність . Коли поверхня рідини знаходиться в трубі (), то і . Якщо поверхня рідини знаходиться в камері 1, то і . За такою ж схемою визначаються і для поверхні рідини з координатою . Отримані таким чином співвідношення для величин підставляються в рівняння (3.1). В результаті отримуємо звичайне диференційне рівняння відносно швидкості руху рідини в трубі :

, (3.4)

де при і при . Для визначення використовуємо рівняння

(3.5)

Швидкості витікання рідини з камери або її входження в камеру визначаються величиною тиску газу на діафрагму , яка в (3.4) входить як параметр , коли рідина знаходиться в камері.

Поточна масова витрата газу в газовому тракті визначалася у рамках відомого наближення Прандтля для витікання ідеального газу через отвір в докритичному і надкритичному режимах під дією різниці тисків . Витрата газу при його витіканні із резервуара з тиском в ємність з тиском через довгий канал довжиною і діаметром з урахуванням втрати напору на шляхових опорах при =const розраховувалась за допомогою модифікованих співвідношень Прандтля, які для докритичного і надкритичного режимів мають, відповідно, такий вигляд:

 при ;

при .

Зміна тиску газу в робочій камері розраховується у припущенні ідеальності газу, а також ізотермічності процесу наповнення камери газом і спорожнення камери. Враховуючи, що зміна маси газу в робочій камері зумовлена витратою газу і залежить як від швидкості зміни об'єму газу в камері , так і від поточного значення густини газу можна пов'язати зміну тиску газу в камері з витратою газу в газовому тракті.

З цих співвідношень випливає, що поточний тиск газу в робочій камері ПД, який визначає швидкість руху рідини в апараті і зумовлює потужні динамічні ефекти, можна розрахувати за допомогою диференційного рівняння

(3.6)

Велична поточного об'єму газу в камері і швидкість зміни об'єму газу визначаються за допомогою формул:

; при ;

; при (3.7)

Таким чином, розв'язуючи рівняння (3.6) і (3.7) для газового тракту разом із рівняннями (3.4) і (3.5) для рідинного тракту, можна повністю вирішити задачу руху рідини в ПД. Разом з тим. ці рівняння дозволяють у рамках моделі проаналізувати дію динамічних ефектів, таких як гідравлічний удар, що виникає при різкому гальмуванні потоку рідини в камері при взаємодії з пружною діафрагмою.

На основі моделювання аеро- та гідродинамічних процесів розроблено комп'ютерну програму “IMPACT” для вивчення впливу конструктивних особливостей диспергатора на ефективність його роботи та для прогнозування оптимальних технологічних режимів.

Програма дозволяє розрахувати зміну з часом тиску в перерізах як рідинного так і газового тракту, в тому числі і при ініціюванні ефектів гідравлічного удару, а також швидкість рідини в робочій камері і в трубі та поточне положення верхнього рівня рідини в апараті. Крім того, оцінюється масова та об'ємна витрати рідини та газу, втрати напору тощо. До числа режимних параметрів входять геометричні розміри елементів диспергатора, характеристики матеріалу діафрагми, величини тисків в РВТ та в РНТ, тривалість підключення робочої камери до кожного з ресиверів і періодичність переключення клапанів. Порівняння рис.2 та рис.5 показує, що експериментальні та теоретичні результати по характеру зміни тиску в рідинному тракті ПД, співпадають не тільки якісно, але й кількісно. Пікові значення імпульсів тиску та їх частота на стадії ініціювання гідравлічного удару, які оцінюються експериментальними та розрахунковими методами, співпадають з похибкою 10%.

Результати розрахунку величини швидкості і характеру зміни швидкості в трубі апарата співпадають з точністю 10% з відповідними результатами експериментальних досліджень, які проводилися на лабораторному зразку ПД з прозорою трубою.

Застосування в дослідженнях методу математичного моделювання дозволило оптимізувати конструкцію апарату і підвищити його ефективність за рахунок зменшення гідравлічних опорів в рідинному тракті. Зокрема, з метою зниження величини локального гідравлічного опору запропоновано конічний перехід між робочою камерою і трубою. За допомогою моделі проведено оцінку мінімальної швидкості руху рідини в трубі , при якій виникають кавітаційні ефекти в потоці, а також розраховано оптимальні параметри конуса, які знижують величину місцевого гідравлічного опору.

Число гідродинамічної кавітації, яке характеризує початок кавітації пов'язано з величиною мінімальної швидкості співвідношенням . Число кавітації, в свою чергу, можна пов'язати з параметрами конічного переходу емпіричною формулою

,

де - діаметр конуса; - діаметр труби; - кут отвору конуса; - тиск усередині труби. Для лабораторного зразка ПД з ємністю робочої камери - , довжиною труби пульсатора - 0,6 м, діаметром труби - 0,02 м, діаметром конуса - 0,04 м та визначеними вище параметрами режиму обробки значення лежать у межах 2,77 - 4,57 м/с, в той час як швидкість рідини в трубі за експериментальними та теоретичними даними знаходиться в інтервалі 7,2 - 11,7 м/с.

Спроможність математичної моделі з задовільною точністю прогнозувати експеримент по дослідженню гідродинамічних та масообмінних процесів, що мають місце в рідинному та газовому трактах апарата, підтверджують можливість застосування цієї моделі для масштабного переходу від лабораторного до промислового зразка ПД.

У четвертому розділі міститься опис методики, результати та висновки з експериментальних досліджень кінетики зміни реологічних характеристик (статичної напруги зсуву, умовної в'язкості) та водовіддачі глиняних суспензій, а також опис розроблених методів інтенсифікації масообміну в ПД.

Визначення вказаних реологічних параметрів і водовіддачі, яке проводилося за стандартними методиками, побічно характеризувало ступінь подрібненості структурних часток, рівень тертя між шарами суміші та міцність просторово-коагуляційної структури суспензії. Кінетика зміни цих параметрів свідчила про інтенсивність масообміну в системі “глина-вода”.

Глиняна суспензія має тим менші структурні частки, більше тертя між шарами і міцнішу просторово-коагуляційну структуру, чим вищі його статична напруга зсуву і в'язкість та нижча водовіддача. Процеси масообміну в системі “глина-вода” проходять тим інтенсивніше, чим вищі швидкості зростання статичної напруги зсуву та в'язкості і зниження водовіддачі.

1. Вплив часу обробки:

а) зростання статичної напруги зсуву та умовної в'язкості в залежності від часу припиняється після 30 хвилин обробки на ПД, а після 20 хвилин ці регламентні реологічні характеристики досягають біля 90% своєї максимальної величини;

б) остаточна величина водовіддачі встановлюється після 20 хвилин обробки;

в) для досягнення сумішшю “глина-вода” оптимальних колоїдних властивостей достатньо 20 хвилин обробки на ПД.

2. Залежність інтенсивності обробки глиняної суспензії від геометричних розмірів та особливості розташування труби в апараті:

Найбільш ефективне перемішування глиняної суміші в ПД при однаковій тривалості обробки було досягнуто при застосуванні труби довжиною 600 мм і діаметром 20 мм. Оптимальним є розміщення труби пульсатора на відстані 2/3 радіуса від осі ємності.

3. Порівняння властивостей промивальних рідин, що отримані на ПД і на еталонному змішувачі:

а) час приготування промивальних рідин на ПД складає 20 хвилин і завдяки інтенсивнішому проходженню масообмінних процесів в середньому у 1,5 рази менший ніж на еталонному змішувачі;

б) ПД у порівнянні з еталонним змішувачем завдяки більшому подрібненню структурних часток дозволяє знизити витрати глинопорошку та хімічних додатків практично у 2 рази.

4. Порівняння властивостей глиняних суспензій, отриманих на основі глинопорошку на еталонному змішувачі, та отриманих на основі грудкової глини на пульсаційному диспергаторі:

Як видно з рис.5 і 6 криві, які відповідають ПД, мають більш високий темп зміни (зниження водовіддачі, зростання умовної в'язкості) у порівнянні з еталонним змішувачем, що свідчить про більшу інтенсивність масообмінних процесів, які відбуваються у ПД. Крім того, враховуючи, що за нормами буріння і СНіП глиняна суспензія вважається колоїдною при водовіддачі нижче 27 см3/хв і умовній в'язкості вище 18 с, з аналізу наведених кривих випливає, що еталонний змішувач дозволяє отримати глиняну суспензію із задовільними технічним умовам буріння властивостями за масового вмісту глини не нижче ніж 12% (> 1,067 г/см3) і за часу обробки не менше 30 хвилин. У той час як ПД дозволяє отримати таку суспензію за масового вмісту глини від 6,5% ( ? і 1,037 г/см3) і часу обробки не менше 30 хвилин. Тобто, завдяки обробці на ПД навіть за використання хімічно необробленої грудкової глини вдається знизити масовий вміст глини майже у 2 рази.

Зростання часу обробки грудкової глини на ПД у порівнянні з глинопорошком пояснюється неминучими витратами часу на механічне подрібнення грудок глини.

5. Вплив методу зниження густини глиняної суспензії на його властивості за обробки на ПД:

Під час експериментів з грудковою глиною на ПД були апробовані засоби інтенсифікації процесу масообміну шляхом отримання глиняної суспензії за методом зменшення густини (поступове додавання дисперсійної фази у розчин за постійної кількості твердої фази).

Досліди проводилися з дотриманням наступної методики. В ємність ПД спочатку завантажувався весь об'єм глини та частина води з тим розрахунком, щоб отримуваний розчин мав 30% сухих. Після 10 хвилин обробки шляхом зважування певного об'єму визначалась густина приготованого розчину і оцінювався об'єм води, який був необхідний для розведення відомого об'єму суспензії V із початковою густиною до потрібної густини. Оброблюваний на першій стадії розведення 30%-ий розчин має більшу густину у порівнянні з кінцевим продуктом. При цьому в момент гідроудару маса нерозведеного розчину відчуває більшу динамічну дію і, як наслідок, тверда фаза подрібнюється на менші за розміром фракції. Крім того, нерозведений розчин має менший об'єм у порівнянні з розведеним, що призводить до того, що уся глина проходить через камеру активного подрібнення у стільки ж разів більше, у скільки разів нерозведений об'єм менше за розведений.

Метод поступового зниження густини глиняної суспензії дозволяє зменшити час її приготування на ПД в середньому у 1,5 рази:

а) у разі використання грудкової глини з 30 до 20 хвилин;

б) у разі використання глинопорошку з 20 до 13-15 хвилин.

6. Вплив температури рідкої фази на інтенсивність обробки на ПД глиняних суспензій на основі глинопорошку:

При застосуванні методу нагріву рідкої фази як засобу інтенсифікації процесу масообміну процес приготування глиняної суспензії на ПД прискорюється за попереднього нагріву рідкої фази:

а) у 1,7-1,8 рази (з 20 до 11-12 хв) при Тl = 300С;

б) у 2-2,5 рази (з 20 до 8-10 хв) при Тl = 400С;

в) у 2,5-3 рази (з 20 до 7-8 хв) при Тl = 500С.

Як видно з рис. 10, зростання реологічних характеристик і зниження водовіддачі глиняного розчину має інтенсивніший характер за нагріву рідкої фази. Чим вища температура нагріву тим скоріше глиняна суспензія набуває колоїдних якостей. Це доводить, що подрібнення частинок глинопорошку проходить тим інтенсивніше, чим вища температура дисперсійної фази - води. Це пов'язано з тим, що при підвищенні температури на поверхні глиняних часток відбуваються процеси деструкції глиняних полімерів.

Підвищення температури призводить також до послаблення міжмолекулярних сил взаємодії, внаслідок чого відбувається десорбція молекул води та хімічних реагентів з поверхні глиняних часток. Крім того, завдяки підвищенню тиску насиченої пари внаслідок зростання температури інтенсифікується процес створення кавітаційних бульбашок під час відриву рідини від мембран робочої камери.

У п'ятому розділі міститься опис фізико-математичної моделі масштабного переходу від лабораторного зразка ПД з об'ємом разового завантаження 32 л до промислового зразка з об'ємом разового завантаження 2 м3.

Масштабний перехід від лабораторного до дослідно-промислового зразка ПД на основі фізико-математичного моделювання проведено за умови оптимального відтворення в промисловому зразку кількісних характеристик усіх тих динамічних ефектів ДІВЕ, які забезпечують ефективність роботи пульсаційного диспергатора, а саме: створення кавітаційної зони в трубі пульсатора, ініціювання дії гідроудару в робочій камері та інтенсивного перемішування суміші в ємності апарата завдяки виштовхуванню рідинної суміші із труби і повторного її втягування із ємності в трубу. З цією метою співвідношення геометричних розмірів елементів апарата та величини режимних параметрів елементів вибиралися таким чином, щоб максимально забезпечити ці умови. Передбачається, що час готування глиняної суспензії в лабораторному та в промисловому зразках ПД повинен залишатися незмінним при збереженні тих самих значень тисків в РВТ та в РНТ.

При проведенні масштабного переходу параметрами подібності були обрані пікове значення величини гідроудару, максимальні значення швидкості рідини в трубі на стадіях її виштовхування в ємність та повторного втягування, величина критичного числа кавітації, а також питомі витрати енергії на перемішування суміші в ємності і в трубі апарата на локальних опорах. Динамічна дія гідроудару, а також створення і інтенсивне захлопування кавітаційних бульбашок є головними механізмами подрібнення часток твердої фази. У сукупності з вищенаведеним дотриманням близьких за кількісною величиною питомих витрат енергії та потужності імпульсу гідроудару має гарантувати відтворення у дослідно-промисловому ПД таку ж інтенсивність процесів перемішування та диспергування, яку було досягнуто в лабораторному зразку.

Збереження геометричної подібності обох зразків ПД, яка гарантує незмінність критичного числа кавітації та пікової величини тиску гідроудару дозволяє визначити розмірні характеристики основних елементів дослідно-промислового зразка пульсаційного диспергатора: (ємність робочої камери пульсатора); (діаметр робочої камери пульсатора); (діаметр конічного переходу від труби до робочої камери); (діаметр труби пульсатора); (діаметр труби в газовому тракті).

Оптимальна довжина труби в дослідно-промисловому зразку визначалася шляхом проведення за допомогою моделі порівнювальних розрахунків енергетичних характеристик лабораторного та промислового зразків за умовою досягнення максимальної подібності інших режимних параметрів.

Кількість енергії, що йде на перемішування рідинної суміші в ємності апарата при виштовхуванні рідини із труби в ємність і при втягуванні рідини із ємності в трубу на протязі одного циклу роботи диспергатора, визначаються з формул

 та

,

де і , відповідно, моменти часу початку і кінця виштовхування рідини з труби, а - момент часу закінчення втягування рідини з ємності в трубу. Сумарна енергія, яка витрачається на перемішуванні суміші в ємності на протязі одного циклу.

Кількість енергії , що витрачається на перемішування рідини в трубі внаслідок втрати напору на локальних гідравлічних опорах за один цикл визначається за формулою

=,

де +- сумарний коефіцієнт гідравлічних опорів при виштовхуванні рідини, а + - сумарний коефіцієнт опорів при втягуванні рідини.

- енергія, що витрачається за один цикл на шляхових гідравлічних опорах внаслідок тертя рідини об стінки труби, де - коефіцієнт Дарсі.

Визначались також величини питомої енергії на перемішування одиниці об'єму суміші в ємності та в трубі за один цикл роботи пульсаційного диспергатора.

Відповідно, за весь час роботи апарата в процесі готування одиничного завантаження глиняної суспензії сумарна величина питомої енергії, що корисно витрачається на перемішування суміші в трубі та в ємності , де - частота циклів роботи пульсаційного диспергатора, а - загальна тривалість готування одиничного завантаження глиняної суспензії.

В результаті розрахунків отримано, що довжина труби пульсатора промислового зразка ПД складає =1,7 м.

Таблиця Порівняльний розрахунок енергетичних параметрів для лабораторної установки та промислового зразка ПД

Параметри	Лабораторна установка	Промисловий зразок ПД
Критичне число кавітації	34	34
Тиск в РВТ , МПа	0,2	0,3	0,4	0,2	0,3	0,4
Швидкість виштовхування , м/с	6,7	10,2	12,7	8,1	12	14,2
Швидкість втягування ,м/с	6,2	6,7	7,3	7,1	7,7	8,2
Пікові тиски гідроудару , МПа	0,7	0,75	0,9	0,95	1,07	1,2
, Дж	42,5	68,3	101,7	3628	5321	7441
, Дж	26,3	27,8	29,1	1874	1711	1953
, Дж	68,8	96,1	130,8	5502	7132	9394
, Дж	102,4	143,1	194,7	7162	10978	12230
, Дж/м3	2150	3005	4087	2751	3566	4697
. Дж/м3	102,4	143,1	194,7	114,4	148,5	195,6
, МДж/м3	2,7	5,1	8,2	3,4	6,0	9,3
, Гц	1	1,5	2	1	1,5	2
, хв	60	40	30	60	40	30

Як свідчать показники таблиці, для обраних геометричних розмірів дослідного-промислового зразка розрахункова питома енергія , яка витрачається на перемішування одиниці об'єму суміші, вища лише на 15-20% за розрахункові значення для лабораторної установки. Інші питомі енергетичні показники в обох зразках також дуже близькі. Ці фактори у сукупності з забезпеченням рівності умов кавітаційного диспергування та дії гідроудару дають підстави сподіватися на успішний перехід від лабораторної установки до дослідно-промислового зразка.

В результаті моделювання в ІТТФ НАН України була розроблена технічна документація на дослідно-промисловий зразок ПД. Стаціонарна установка з ємністю для разового завантаження компонентів суміші 2 м3 була виготовлена на дослідному виробництві ІТТФ НАН України та пройшла промислові випробування у місті Дніпропетровську на базі Спеціалізованого будівельно-монтажного управління Національного Аерокосмічного Центру України.

У результаті виробничих випробувань було встановлено, що питомі енерговитрати у дослідно-промисловому зразку на практиці для приготування глиняних суспензій з питомою вагою від 1,03 до 1,3 г/см3 складають 3-5 кВтч/м3, а час приготування разового об'єму завантаження глиняної суспензії знаходиться у межах 10-20 хвилин, тоді як для існуючих традиційних апаратів такого ж призначення ці показники складають, відповідно, 6-20 кВтч/м3 і 30-90 хвилин.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено аналітичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в обгрунтуванні нового підходу до інтенсифікації процесів перемішування та гомогенізації високов'язких рідинних сумішей, який базується на використанні методів та механізмів принципу ДІВЕ для прискорення гідромеханічних та тепломасообмінних процесів в таких системах. Теоретичні передумови перспективності методу ДІВЕ при інтенсифікації процесів перемішування та диспергування в гетерогенних середовищах дозволили дійти висновку, що апарати, в яких реалізуються механізми ДІВЕ, мають забезпечити швидке готування якісних глиняних суспензій з реологічними характеристиками, що відповідають технічним умовам буріння, при суттєво зменшених витратах енергії та ресурсів у порівнянні з існуючими традиційними пристроями. В рамках запропонованого підходу розроблено лабораторний зразок такого апарату і проведені комплексні дослідження з метою наукового обгрунтування раціональної конструкції апарата і оптимальних режимів його роботи. На основі проведених досліджень створено та впроваджено у виробництво промисловий апарат для готування глиняних суспензій та бурових розчинів.

Основні наукові і практичні результати досліджень

1. В результаті проведення критичного аналізу стану проблеми виявлено, що виробництво у промислових умовах великих об'ємів якісних глиняних розчинів при невисоких енергетичних витратах і за короткі проміжки часу залишається на сьогодні актуальною проблемою. На основі проведеного аналізу розроблено і створено лабораторний стенд для проведення експериментальних досліджень, який базується на принципі дії пульсаційного диспергатора - апарата, в якому реалізуються одночасно різні динамічні механізми ДІВЕ.

2. Розроблено та апробовано математичну модель, яка адекватно описує особливості нестаціонарних течій рідини та газу в трактах пульсаційного диспергатора з урахуванням процесів тепломасообміну. Відзначено задовільну збіжність теоретичних результатів, що їх одержано в рамках цієї моделі, з результатами експериментальних досліджень на лабораторному стенді.

3. Дослідження гідромеханічних процесів в рідинному тракті ПД показали, що при оптимальних режимах роботи апарата в ньому дійсно ініціюються потужні ефекти ДІВЕ, такі як гідравлічний удар, кавітаційні ефекти та динамічна дія струменя. На модельній рідині досліджено в широкому інтервалі зміни режимних параметрів вплив на інтенсивність протікання процесів різних фізичних чинників - перепаду тиску у ресиверах, періодичність та тривалість підключення до апарата РВТ або РНТ, температура та інші фактори. На основі проведених комплексних досліджень були визначені оптимальні режими обробки суміші, а також найбільш раціональна конструкція апарата і геометричні розміри його елементів.

4. Результати експерименту підтвердили перспективність застосування методів ДІВЕ для інтенсифікації процесів перемішування та гомогенізації високов'язких рідинних сумішей, зокрема, у технологіях виробництва бурових розчинів. Доведено, що пульсаційний диспергатор забезпечує прискорення процесів масообміну в системі “глина-вода” при менших витратах енергії і дозволяє готувати якісні глиняні суспензії з належними реологічними характеристиками за більш короткі строки, ніж традиційні змішувачі аналогічного призначення (в 1,5-2 рази швидше в залежності від концентрації глини в суміші). Окрім того, вироблені на ПД глиняні суспензії відрізняються більш високою стабільністю та меншою водовіддачею.

5. Доведено, що попереднє підвищення температури суміші суттєво збільшує інтенсивність готування глиняних суспензій, насамперед за рахунок інтенсифікації кавітаційних процесів в рідинному тракті ПД. На основі проведених досліджень запропоновано метод поступового зменшення густини глиняної суспензії, який у сукупності з попереднім нагрівом рідкої фази дозволяє скоротити процес приготування у 2-3 рази.

6. Інтенсифікація процесів масообміну та гідромеханічних процесів в ПД відкриває принципову можливість економити дорогокоштуючі хімічні додатки, які звичайно застосовуються на нафтогазовидобувних підприємствах при виробництві бурових розчинів. Застосування запропонованої в дисертаційній роботі технології дозволяє готувати якісну глиняну суспензію не тільки з глинопорошку, але й з грудкової глини, що у декілька разів зменшує собівартість виробництва кінцевого продукту.

7. В результаті досліджень показано доцільність створення на основі лабораторного зразка ПД дослідно-промислової установки для приготування глиняних суспензій в умовах виробництва. Розроблено фізико-математичну модель масштабного переходу від лабораторного зразка до дослідно-промислового апарата. Параметрами подібності обрано число кавітації, пікові значення тиску при гідроударі та питомі енерговитрати. Проведено оцінку геометричних розмірів промислового зразка ПД і рекомендовано оптимальні режими його роботи.

8. Розроблено технічну документацію на дослідно-промисловий зразок ПД. Створено і впроваджено у виробництво промисловий пульсаційний диспергатор з разовим об'ємом завантаження 2 .

гомогенізація рідинний діве

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Мартиненко І.І., Корчинський О.А., Матюшкін М.В. Нова технологія приготування промивальних рідин для буріння свердловин // Мінеральні ресурси України. - 1998. - №4. - С.36-38.

2. Мартиненко І.І., Корчинський О.А., Матюшкін М.В., Корняга Ф.В., Непомнящий А.С. Приготування бурових розчинів за методом імпульсного введення дискретних порцій енергії // Нафтова та газова промисловість. - 1999. - №5. - С.30-32.

3. Терновий В.І., Махиня О.М., Корчинський О.А., Матюшкін М.В. Технологія приготування глинястих суспензій гідравлічним імпульсним змішувачем // Зб. наук. праць “Шляхи підвищення ефективності будівництва в умовах формування ринкових відносин”. - 1999. - №5. - С.132-138.

4. Корчинский А.А., Гогадзе Н.А., Матюшкин М.В. Новая технология приготовления промывочных жидкостей для бурения скважин // Тезисы докладов ХVIII конференции стран СНГ “Дисперсные системы”. - Одесса, 1998. - С.130.

5. Иваницкий Г.К., Корчинский А.А., Матюшкин М.В. Математическое моделирование процессов в пульсационном диспергаторе ударного типа // Пром. теплотехника. - 2003. - №1. - С.29-34.

6. Матюшкин М.В. Разработка на основании экспериментальных данных модели масштабного перехода для пульсационного диспергатора и апробация смоделированного образца в промышленных условиях // Промышленная теплотехника. - 2004. - №6. - С.97-102.

7. Масообмінний пристрій: А.с. 33143. Україна. МКВ А В 01 Д 11/04 / А.А.Долінський, О.А.Корчинський, В.І.Терновий, А.П.Гартвіг, Н.А.Гогадзе, О.М.Махиня, М.В.Матюшкін. - Опубл. 15.09.1999, Бюл. № 9.

8. Масообмінний пристрій: А.с. 43175. Україна. МКВ А В 01 Д 11/14, В 01 F 3/08 / А.А.Долінський, О.А.Корчинський, А.П.Гартвіг, М.В.Матюшкін. - Опубл. 15.11.2001, Бюл. № 10.

9. Масообмінний пристрій: А.с. 58295. Україна. МКВ А 7 В 01 D 11/04, B 01 F 3/08 / А.А.Долінський, О.А.Корчинський, А.П.Гартвіг, М.В.Матюшкін. - Опубл. 15.07.2003, Бюл. № 7.

Размещено на Allbest.ru