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疏水缔合聚丙烯酰胺溶解槽内流动特性的数值模拟

发布日期:2015-04-04 14:10:49

本文地址:http://www.elparais.com/article/20150404141237.html
文章摘要:混合状态 ,贝利天华阴凝坚冰,施琅她不复用器。

疏水缔合聚丙烯酸胺AP-P4溶解过程划分为三种混合状态(搅拌槽中刚加入聚合物颗粒、溶胀刚结束和溶解 完成),并采用计算流体力学方法分别对采用二斜叶桨式搅拌器XJD和新型翼型上推式搅拌器KCXU时溶解聚合物 AP-P4的三种混合状态的流动进行了数值模拟,获得了两种搅拌器槽内的流场特性和XJD、KCXU搅拌器不同状态时 的循环流量和功率消耗。结果表明:除第一种混合状态下的流体流速外,KCXU搅拌槽内的流体流速和循环流量要大 于XJD槽内所产生的,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。搅拌器功率模拟 值与实验数据偏差在16%以内。上述研究结果对于工业搅拌器的优化具有重要的意义。

疏水缔合聚丙烯酰胺AP-P4W由于具有耐温耐盐、髙效增黏和较好的抗剪切能力而被用于海上平台 聚合物驱油的驱油剂,但是其在海水中的溶解性较差,溶解时间较长,大大制约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[2]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。
搅拌槽内的流场模拟已有不少文献[2>51。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
2.1物理结构及网格划分
采用平底圆柱形搅拌槽,搅拌槽直径!>r= 0.58 m,两块挡板,槽内液体高度//= 〇.5m,搅拌桨为 45°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Z) = 0.25 m,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模拟物系
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1200kgm_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4=〇.6〇1!11,密度内=12001£8.111-3,固相体积分数〇8=0.5%,液体黏度灼=1.〇〇3111?找第二 种混合状态是溶胀刚结束,一般为聚合物溶解10 min左右,胶团直径忒=2 mm, ps= 1005 kg-m_3, &= 18.5%, //丨=200mPa,s;第三种混合状态是溶解完成,形成均一的聚合物溶液,rt=3000 mPa‘s,液体密 度为p^HK^kg.nT3。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 公式算出的临界值凡,经计算,桨叶转速凡tSArmiif1。第二种状态桨叶转速应大于凡zSSrmiiT1。本 文选取XJD搅拌器的转速取ZOSrmiiT1, KCXU搅拌器的转速180r.min_l,在第一阶段两种搅拌器的功 率消耗大致相当。
3数学模型
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%[6]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 墩交换系数&使用Wen-Y^模型
3
h 4 D ds 1⑴
其中曳力系数CD =^-tl+0.i5(«l^,)OM7J a,/fes(2)
对应的雷诺数& =她-v,丨⑶
式屮v,, •■丨分别为固相和液相流体的速度,mf1:氏,叫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Eulcrian 多相流模型对非稳态的尚液悬浮过程进行校拟=所有变诂均用一阶迎风差分格式进行离散,收敛残差设 为丨〇-5,压力速度耦合采用SIMPLES法,悬浮过程的时间步长取为0.005 s,第二种状态采用Low-Re stress omegaRSM模型桟拟聚合物溶液的流场,离散方式与第-、二种状态相!
4数值结果与分析
4.1液相流场结构
以沿搅拌梢轴向的纵截面为研究对象,该截而垂商于挡板所在的截面》通过该截凼内的速度矢帒, 对搅拌器在二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.将截而分 为4个K:叶轮排出流区(jet region)、梢底部区(bottom region)、液面区(surface region)和近壁区(wall region), 分别取4个E域上的一条线上的速度进行对比分析-K面将对毎_种状态进行研究-
阁3为物料处于第一种混合状态时,XJD搅拌枘内和KCXU搅扑褙内沿轴句纵截面内的速度矢蛋^ 如图3(a)所示XJD搅拌器向K压操作,从叶轮排出的流体在接坻梢底时将分成两部分,一部分加入全梢 主体循环,另一部分在梢底中心形成一个倒锥形小循环区域■■这与轴说式叶轮向下扭操作的流3?吻合ES], 主要是因为叶轮K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搅拌器推操作(见阒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 自上而下的较大循坏和约占三分之一自下而上的较小循环。这一流型与文献[9,10]中(柏径0.19 ra转速为 SOOrmin—1)分別采用LDA、PIV测定的结果相吻合.
通过在所取的截面的FI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K. XJD搅拌梢取;r=O.I5m, KCXU搅拌梢取z = 0.25m;槽底部两种搅拌器都取z = 0.05m:液面K, 都取z = 0.45 m:近壁区都取r = 0,25 m(卜'面儿种状态収法相同)。图4为XJD和KCXU搅拌梢内的四个
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,这主要与两种撹拌器的泵送方向有关。
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。
0.90 0.75 0.60 I 0.45
^ 0.30 0.15
0.00 ....
0,00.10.20.30.00.10.20.3 〇.〇 〇.10.20.3
r/mr/mr/m
(a) jet region(b) bottom region(c) surface region
图6第三种混合状态时(>, = 3000 mPai)搅拌槽内液相速度大小的比较 Fig.6 Comparisons of liquid velocity in stirred tank with different impellers in the third mixing state
4.2循环流量
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[2]。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,bbo必博_bbo必博官网_bbo必博娱乐: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。
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
R
流量a = <f2;ZTl(V:);:=:*ld/■,且2<:=込1+0:2。r*,Z*为循环中心的位置,及是槽的半径,V:是轴向速度,
r*
随着径向位置而变化。2d是搅拌槽中较大循环的循环流量,&2是搅拌槽中较小循环的循环流量。
表1三种混合状态下搅拌器的循环流置 Table 1 Circulation flow rate of the impellers in the threemixing stages of AP-P4 dissolution
ImpellerMixing gd state /lCT3 mV1Qa
/ lCT^mV1Qc
/ lO^mV1
XJDFirst40.440.2840.72
KCXUFirst42.9711.8054.77
XJDSecond28.281.3929.67
KCXUSecond36.4010.1146.51
XJDThird17.251.8419.09
KCXUThird24.308.7833.08
表2三种混合状态下搅拌器的功率消耗
Table 2Power consumption of the impellers in the three
mixing stages of AP-P4 dissolution
ImpellerMixing statePc /WPa/WPJ%
XJDFirst21.4325.2515.13
KCXUFirst20.5723.1110.99
XJDSecond23.4627.5914.97
KCXUSecond27.1831.1312.69
XJDThird36.4539.888.60
KCXUThird52.8162.5515.57
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髙的循环速率。
4.3功率消耗
搅拌器的模拟功率消耗尸。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A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XTO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结 论
(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。
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