疏水缔合聚丙烯酰胺ap-p4溶解过程流场特性的数值模拟

疏水缔合聚丙烯酰胺ap-p4溶解过程流场特性的数值模拟

1加速聚合物溶解由于其良好的耐温性、抗盐性、高粘度和切割性，提出了一种用于海上平台聚合物驱油的驱油剂。但在海水中的溶解度较差，溶解时间长，极大地限制了海上油田的规模应用。目前聚合物的溶解和熟化装置采用的是广泛使用的搅拌装置,其对于加速聚合物溶解起着关键的作用。对于优化聚合物溶解的搅拌装置,可参考的文献较少,如姜斌在大庆油田进行了螺带螺杆搅拌器与双层三叶式搅拌器的抗盐聚合物溶解熟化实验,发现螺杆螺带式搅拌器能够缩短抗盐聚合物的熟化时间。谢明辉和周国忠等进行了海上平台配注系统搅拌器优化,得到新型翼型搅拌器向上推操作能够加速聚合物AP-P4的溶解。但是通过实验优化,费时费力,并且难以得到搅拌槽内部的流体流动信息。搅拌槽内的流场模拟已有不少文献。本文尝试对疏水缔合聚合物溶解过程中搅拌槽内流场进行三维数值模拟,由于疏水缔合聚丙烯酰胺的溶解是经历低黏到较高黏度的过程,故将疏水缔合聚丙烯酰胺的溶解过程分为三种混合状态(刚刚加入、溶胀结束和溶解完成)的流场进行了模拟,从而获得搅拌器流场构型和参数(如循环流量、功率消耗等),优化搅拌设备的设计。2几何模型2.1u3000搅拌槽和系统模型采用平底圆柱形搅拌槽,搅拌槽直径DT=0.58m,两块挡板,槽内液体高度H=0.5m,搅拌桨为45o倾角的二斜叶桨式搅拌器XJD和新型翼型上推式搅拌器KCXU,桨叶直径D=0.25m,离槽底距离C=0.2m,XJD叶片宽度w=38mm,KCXU叶片宽度w=125mm。搅拌系统的示意图见图1,桨叶形状见图2。XJD搅拌器是目前工业上采用的搅拌器,KCXU新型翼型搅拌器是本项目针对聚合物溶解特性开发的新型搅拌器。取整个槽体进行建模,采用四面体单元进行离散,对槽体静止体系部分,桨叶旋转部分分别划网格,XJD搅拌槽共划分了726375个左右的网格,KCXU搅拌槽共划分了932304个左右的网格。为增加计算的精确度,对桨叶、交界面,近壁区采取网格加密处理。网格划分情况如图2所示。2.2固相体积分数s计算疏水缔合聚丙烯酰胺AP-P4(相关性质:干粉平均分子量1800万左右;干粉密度1200kg·m-3)将AP-P4的溶解过程分为三种混合状态进行模拟。第一种混合状态就是搅拌槽中刚刚加入聚合物颗粒进行搅拌,颗粒直径ds=0.6mm,密度ρs=1200kg⋅m-3,固相体积分数αs=0.5%,液体黏度μl=1.003mPa⋅s;第二种混合状态是溶胀刚结束,一般为聚合物溶解10min左右,胶团直径ds=2mm,ρs=1005kg⋅m-3,αs=18.5%,μl=200mPa·s;第三种混合状态是溶解完成,形成均一的聚合物溶液,μl=3000mPa·s,液体密度为ρl=1002kg⋅m-3。第一种状态使颗粒在搅拌槽内处于离底悬浮状态,桨叶转速必须高于由Zwietering公式算出的临界值Nc,经计算,桨叶转速Nc=84r⋅min-1。第二种状态桨叶转速应大于Nc=56r⋅min-1。本文选取XJD搅拌器的转速取208r⋅min-1,KCXU搅拌器的转速180r⋅min-1,在第一阶段两种搅拌器的功率消耗大致相当。3固-液两相作用模型聚合物溶解过程的流动模拟分为第一、二种混合状态的多相流模拟和第三种状态的单相流模拟,由于本文计算的固相浓度分别为0.5%和18.5%,混合模型和欧拉模型都适用于固相浓度高于10%的情形。本文对固-液两相流的模拟采用Eulerian颗粒多相流模型,它认为对固相运动起主要作用的是液相的湍流运动,计算时假设固液两相间无质量传递,只有动量、能量和热量的交换,其中相间的相互作用通过动量交换项和连续相作用在分散相上的曳力来计算。当固相体积分数不超过20%时,固-液两相间动量交换系数Kls使用Wen-Yu模型式中vs,vl分别为固相和液相流体的速度,m⋅s-1;αs,αl为固相和液相的体积分数。数值计算采用软件FLUENT6.3,对于第一、二两个混合状态,采用多重参考系法(MFR)和Eulerian多相流模型对非稳态的固液悬浮过程进行模拟。所有变量均用一阶迎风差分格式进行离散,收敛残差设为10-5,压力速度耦合采用SIMPLE算法,悬浮过程的时间步长取为0.005s。第三种状态采用Low-RestressomegaRSM模型模拟聚合物溶液的流场,离散方式与第一、二种状态相同。4结果和分析4.1kcxu搅拌槽内部分流型的速度分布以沿搅拌槽轴向的纵截面为研究对象,该截面垂直于挡板所在的截面。通过该截面内的速度矢量,对不同搅拌器在三种不同的混合状态的流型进行分析。为便于分析截面不同位置的速度大小,将截面分为4个区:叶轮排出流区(jetregion)、槽底部区(bottomregion)、液面区(surfaceregion)和近壁区(wallregion),分别取4个区域上的一条线上的速度进行对比分析。下面将对每一种状态进行研究。图3为物料处于第一种混合状态时,XJD搅拌槽内和KCXU搅拌槽内沿轴向纵截面内的速度矢量。如图3(a)所示XJD搅拌器向下压操作,从叶轮排出的流体在接近槽底时将分成两部分,一部分加入全槽主体循环,另一部分在槽底中心形成一个倒锥形小循环区域。这与轴流式叶轮向下压操作的流型吻合,主要是因为叶轮下方形成负压,所以有一部分流体从主体循环中分离加入到倒锥形的小循环区域。对于KCX搅拌器向上推操作(见图3(b)),从叶轮排出的流体在接近壁面时将分成两部分,大约占三分之二的自上而下的较大循环和约占三分之一自下而上的较小循环。这一流型与文献中(槽径0.19m转速为300r⋅min-1)分别采用LDA、PIV测定的结果相吻合。通过在所取的截面的四个区域中取四条直线,来对比分析两者桨型的速度分布。在叶轮排出流区,XJD搅拌槽取z=0.15m,KCXU搅拌槽取z=0.25m;槽底部区,两种搅拌器都取z=0.05m;液面区,都取z=0.45m;近壁区都取r=0.25m(下面几种状态取法相同)。图4为XJD和KCXU搅拌槽内的四个位置的液相时均速度大小分布图。从图4中可以发现,在桨叶排出流区两种桨型的流动趋势基本上是一致的,速度沿径向呈波浪型变化,且速度相差较小。在搅拌槽内搅拌桨的下面XJD槽内速度要大于KCXU槽内速度,而在搅拌桨的上方则相反,这主要与两种搅拌器的泵送方向有关。第二种混合状态时XJD搅拌槽和KCXU搅拌槽内沿轴向纵截面内的速度矢量分布,流型和第一种状态大致相同,但是搅拌槽内的循环中心向桨叶位置移动。图5为第二种状态XJD和KCXU搅拌槽内的四个位置的液相时均速度大小分布图。桨叶排出区,两种桨的速度曲线形状相似,都在r=0.12m的位置出现了速度峰值,速度相差很小。在槽底区、液面区和近壁区KCXU的槽内流体速度都要高于XJD的槽内流体速度。第三种混合状态时XJD搅拌槽内和KCXU搅拌槽内沿轴向纵截面内的流型和第一、二种状态时的相似,但是循环中心的进一步向桨叶位置靠近。图6为第三种混合状态XJD和KCXU搅拌槽内的四个位置的液相时均速度大小分布图。从图中可以发现KCXU搅拌槽内四个区域的速度都大于XJD的槽内速度。上述说明了黏度的增加,KCXU搅拌器的对流体的作用范围的下降速率要比XJD搅拌器小得多。4.2混合状态下的效率室内实验证实疏水缔合聚合物干粉溶解的关键在于加速溶胀胶团中的疏水缔合聚合物分子向溶剂水中的分子扩散运动。循环作用实际上是把高剪切区和低剪切区的流体微元不断地进行交换。由于随着AP-P4溶解的进行循环流量会显著降低,混合速率也会随着循环流量的降低而降低。因此,提高循环能力是提高流体的混合速率的主要途径。表1是三种混合状态下的搅拌器的循环流量。从表中可以看出,随着溶液的黏度的增加,XJD和KCXU搅拌器的循环流量都逐渐减小,XJD的循环流量降幅要大于KCXU搅拌器循环流量的降幅。在不同的状态都呈现出KCXU搅拌器的循环流量大于XJD搅拌的循环流量。这也说明KCXU搅拌器比XJD搅拌器具有更好的溶解均一化及更高的循环速率。4.3种混合状态的功率消耗搅拌器的模拟功率消耗Pc通过扭矩计算而获得,扭矩由压力梯度和黏性切应力产生,模拟与试验的偏差,Pa是实验所测得的功率消耗。从表2中可以看出通过计算流体力学模拟聚合物溶解的三种混合状态的功率消耗,得到的模拟值要小于实测值,可能是由于在溶解过程的不同阶段所给的参数与实际的有所偏差,或在计算时所选模型带来的误差。模拟值与实验数据偏差在16%以内,这说明计算流体力学能够较好地模拟聚合物溶解过程中搅拌器的功率消耗。随着聚合物溶解的进行,KCXU的功率会比XJD的功率消耗大,这与搅拌器的作用范围、流体流速大小有关。5效率实验结果(1)两种搅拌器在槽内的流型不同,在三种混合状态下它们的流型变化较小。随着溶液黏度的增加,两种搅拌器的循环中心都是逐渐向搅拌桨位置移动,并且除第一种混合状态下的流体流速外,KCXU搅拌槽内的速度在不同区域基本上都大于XJD搅拌槽内的速度。(2)在三种不同的混合状态都呈现出KCXU搅拌槽内的循环流量明显大于XJD搅拌的循环流量,说明KCXU搅拌器比XJD搅拌器具有更高的循环速率。(3)搅拌器功率消耗的模拟值与实验数据偏差在16%以内,说明能够利用计算流体力学较好地模拟聚合物溶解过程中搅拌器的功率消耗。符号说明:搅拌器的循环流量相应于搅拌槽内主体流动的流量,包括叶轮的排量和二次流量(诱导流量),因此计算循环流量必须知道涡心的位置和对应的速度分布。具体计算则对通过涡心的面的速度积分得到,循环流量,且Qc=Qc1+Qc2。r*,z*为循环中心的位置,R是槽的半径,vz是轴向速度,随着径向位置而变化。Qc1是搅拌槽中较大循环的循环流量,Qc2是搅拌槽中较小循环的循环流量。C—桨叶离槽底距离,mCD—曳力系数D—桨叶直径,mDs—固体粒子直径,mmDT—搅拌槽直径,mH—液位高度,mKsl—动量交换因数Pa—搅拌器实测功率,WPc—搅拌器模拟功率,WPe