組合式攪拌器對(duì)疏水締合聚合物溶解特性的影響

林蘇奔，周國(guó)忠，謝明輝，郭鵬武，楊海龍

（1溫州市長(zhǎng)城攪拌設(shè)備設(shè)計(jì)研究所，浙江 溫州 325019；2中海油能源發(fā)展股份有限公司采油技術(shù)服務(wù)分公司，天津 300452）

聚合物驅(qū)油（簡(jiǎn)稱聚驅(qū)）技術(shù)是油田開(kāi)發(fā)進(jìn)入中、后期，保證原油穩(wěn)產(chǎn)，提高采收率而采取的三次采油技術(shù)[1-3]中有效措施之一。具有耐溫耐鹽、高效增黏和較好的抗剪切能力的疏水締合聚丙烯酰胺AP-P4[4-5]作為驅(qū)油劑廣泛應(yīng)用在海上平臺(tái)采油中。但是該聚合物在海上平臺(tái)所用的高礦化度水中的溶解性較差，溶解熟化時(shí)間長(zhǎng)，黏度低，制約了海上油田的規(guī)模應(yīng)用。眾多的研究[6-8]表明機(jī)械攪拌是目前加速疏水締合聚合物溶解和熟化所廣泛采用的一種方法。謝明輝和周國(guó)忠等[7-8]進(jìn)行了海上平臺(tái)配注系統(tǒng)攪拌器優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬，得到了新型翼型攪拌器向上推操作能夠加速聚合物AP-P4的溶解。然而，聚合物溶解是一個(gè)從多相到單相，從低黏到高黏的變化過(guò)程，單一攪拌器用于聚合物的溶解過(guò)程仍然存在諸多的問(wèn)題。若單獨(dú)采用適用于低黏的攪拌器如槳式，隨著黏度的上升，攪拌器產(chǎn)生的流場(chǎng)會(huì)發(fā)生萎縮，使得遠(yuǎn)離攪拌器區(qū)域的流動(dòng)性變差；同樣單獨(dú)采用適用于高黏的攪拌器如錨框式、螺帶槳在低黏的時(shí)候效率相對(duì)較低。

為克服這種由于單一攪拌器很難適用于過(guò)程中黏度變化的情況，采用適用中低黏度的翼型攪拌器KCX和適用高黏度的錨框式攪拌器MS的組合，通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究組合式攪拌器（下稱雙攪拌器）對(duì)聚合物溶解和熟化過(guò)程中的作用，并對(duì)翼型攪拌器不同操作方式（上翻或下壓）和錨框式攪拌器不同轉(zhuǎn)速等各種組合工況進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，從而為海上油田的配注系統(tǒng)攪拌設(shè)備的優(yōu)化提供設(shè)計(jì)參考。

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器

實(shí)驗(yàn)所用的攪拌裝置，見(jiàn)圖 1，由浙江長(zhǎng)城減速機(jī)有限公司設(shè)計(jì)制造。實(shí)驗(yàn)主要儀器設(shè)備有：扭矩傳感器，AKC-205型，航天科技研究院701所；無(wú)紙記錄儀，DX1002，日本橫河公司；旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)，DV-II+Pro型，美國(guó)BROOKFIELD公司；電子天平，德國(guó)賽多利斯公司生產(chǎn)；測(cè)速儀，Turck 公司。實(shí)驗(yàn)所用組合式攪拌器的結(jié)構(gòu)及翼型攪拌器示意圖如圖2所示。采用橢圓底的圓柱形不銹鋼攪拌槽，攪拌槽直徑D=0.6m，配有加熱夾套。組合式攪拌器采用兩套傳動(dòng)裝置，中心為頂入式攪拌器，配置新型的軸流翼型攪拌器，攪拌上推操作標(biāo)記為KCXU，攪拌器下壓操作標(biāo)記為KCXD；錨框式攪拌器由底入式的傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)，瞬時(shí)針旋轉(zhuǎn)標(biāo)記為CMS，逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)標(biāo)記為 AMS。翼型攪拌器的槳葉直徑d1=0.25m，離槽底距離C=0.17m，葉片寬度Wb=0.125m。實(shí)驗(yàn)采用的攪拌器轉(zhuǎn)速為 180r/min。錨框式攪拌器的直徑d2=0.56m，寬度W為0.055m，離壁 0.02m。實(shí)驗(yàn)采用的轉(zhuǎn)速分別為 0、10r/min、20r/min、30r/min。當(dāng)轉(zhuǎn)速為0時(shí)，錨框式攪拌器作為擋板使用。

圖1 攪拌實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖2 攪拌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及翼型槳葉示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)物料

實(shí)驗(yàn)所用疏水締合聚合物 AP-P4由四川光亞科技股份有限公司生產(chǎn)，聚合物的相關(guān)性質(zhì)：干粉固體粒徑0.2～1.0mm的質(zhì)量比為 90%以上；干粉固含量 90%～98%；干粉平均相對(duì)分子質(zhì)量 1800萬(wàn)左右；干粉密度1.1～1.3g/cm3。

實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)模擬水，即使用化學(xué)試劑添加到自來(lái)水中，模擬工業(yè)水的組成。所用試劑主要有KCl、 NaCl、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2，化學(xué)純。模擬注入水的總礦化度為9357mg/L，主要離子組成見(jiàn)表1。

表1 模擬注入水的離子組成及礦化度

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將自來(lái)水加入到攪拌槽中，直至液高H=0.5m。

（2）將水加熱到工業(yè)生產(chǎn)用水的溫度 50℃，加入各種鹽，使其溶解。

（3）將攪拌裝置調(diào)整到實(shí)驗(yàn)轉(zhuǎn)速，按照配制濃度的要求將稱量好的 AP-P4干粉顆粒加入攪拌槽中。

（4）利用扭矩傳感器、無(wú)紙記錄儀和計(jì)算機(jī)記錄中心翼型攪拌器的攪拌功率。

（5）每隔 10min在上層液面固定位置取一個(gè)樣，在 25℃、剪切速率 0.56s?1條件下，使用 LV4-34轉(zhuǎn)子在 DV-Ⅱ+Pro型旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)測(cè)定其表觀黏度。為保證測(cè)量結(jié)果的可比性，利用測(cè)量記錄軟件連續(xù)記錄10min，取最后5min的平均值作為最終結(jié)果。

2 數(shù)值模擬

采用Fluent 6.3軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，主要從流動(dòng)場(chǎng)角度進(jìn)一步分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)模擬 KCX攪拌器的功率消耗，并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較。如前所述，聚合物的溶解是一個(gè)變化的過(guò)程，因此，數(shù)值模擬僅對(duì)兩種工況進(jìn)行了模擬：一種工況是聚合物剛剛加入模擬水中，此時(shí)以固液兩相流進(jìn)行模擬計(jì)算；另外一種工況是聚合物完全溶解后，形成均一的聚合物溶液的單相的數(shù)值模擬。

圖3 網(wǎng)格劃分示意圖

計(jì)算所用模型與實(shí)驗(yàn)裝置完全一致。采用四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。為增加計(jì)算的精確度，對(duì)槳葉、交界面采取網(wǎng)格加密處理，攪拌槽共劃分了801346個(gè)網(wǎng)格，如圖3所示。在初始的固液混合過(guò)程的模擬中，所用主要參數(shù)有：顆粒直徑ds=0.6mm，密度ρs=1200kg/m3，固相體積分?jǐn)?shù)αs=0.5%，液體黏度μl=1.003mPa·s；第二種混合狀態(tài)的聚合物溶液，μl=3000mPa·s，液體密度為ρl=1002 kg/m3。

第一種混合狀態(tài)是固液兩相流模擬，將液相設(shè)為連續(xù)相，固體顆粒設(shè)為分散相。連續(xù)相的湍流模型采用k-ε模型，固液兩相間動(dòng)量交換系數(shù)Kls使用Wen-Yu模型[10]。槳葉及壁面設(shè)為無(wú)滑移壁面，近壁區(qū)域流動(dòng)計(jì)算采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)模型。旋轉(zhuǎn)的攪拌器與靜止的部分采用多重參考系法（MFR）進(jìn)行模擬。所有變量均用迎風(fēng)差分格式進(jìn)行離散，收斂殘差設(shè)為10?5，懸浮過(guò)程的時(shí)間步長(zhǎng)取為0.01s。第二種混合狀態(tài)是高黏度的單相流模擬，采用Laminar層流模型，離散方式與第一種混合狀態(tài)相同。

3 結(jié)果與討論

3.1 錨框式攪拌器轉(zhuǎn)速對(duì)聚合物溶解的影響

圖4是雙攪拌器同向運(yùn)行、錨框式攪拌器采用不同轉(zhuǎn)速時(shí)聚合物的溶解過(guò)程的黏度變化曲線。從圖4中可以看出，采用雙攪拌器運(yùn)行，在溶解熟化的前期，錨框式攪拌器確實(shí)有非常明顯的加速聚合物溶解熟化作用，所測(cè)得的聚合物黏度明顯高于單攪拌器。但是，對(duì)于錨框式攪拌器的轉(zhuǎn)速并不是越快越好，本實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，在 10r/min時(shí)得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果最好。

圖5是整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所記錄的KCXD攪拌器的功率曲線。從圖5中可以看出，KCXD攪拌器的功率曲線趨勢(shì)與圖4的黏度變化曲線是一致的。在熟化過(guò)程前期（0～20min），當(dāng)錨框式攪拌器轉(zhuǎn)速為20r/min、30r/min時(shí)，KCXD攪拌器的功率消耗明顯高于其他兩種工況。

圖4 4種工況下的聚合物溶解熟化黏度曲線

圖5 4種工況下的頂攪拌器攪拌功率曲線

結(jié)合圖4和圖5，說(shuō)明錨框式攪拌器在高轉(zhuǎn)速時(shí)破壞了中心KCXD攪拌器本身的流場(chǎng)，從而造成攪拌器功耗增大，效率降低，這與本文作者在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中觀察到的現(xiàn)象也是一致的；同時(shí)，錨框式攪拌器在高轉(zhuǎn)速時(shí)產(chǎn)生了較大剪切作用，在熟化過(guò)程后期較大的剪切作用會(huì)降低聚合物的黏度，這與文獻(xiàn)[8]中的結(jié)論一致。錨框式攪拌器在10r/min時(shí)，溶解初期，中心攪拌器的功率最小，說(shuō)明在此轉(zhuǎn)速下，兩種攪拌器的流場(chǎng)具有相互促進(jìn)的作用；中心攪拌器KCXD功率曲線上升很快，說(shuō)明此時(shí)，聚合物的黏度上升較快；在溶解熟化的后期，其功率消耗最大，說(shuō)明所得到的聚合物溶液的黏度最大，與圖4的黏度曲線一致。

3.2 雙攪拌器不同運(yùn)轉(zhuǎn)方向?qū)酆衔锶芙獾挠绊?/h3>

圖6 雙攪拌器不同運(yùn)行方向的聚合物溶解黏度曲線

圖7 雙攪拌器不同運(yùn)行方向時(shí)的KCXD功率曲線

采用雙攪拌器操作，一般的設(shè)計(jì)是兩個(gè)攪拌器反方向運(yùn)行，以加強(qiáng)湍動(dòng)和剪切。本文也對(duì)雙攪拌器采用不同運(yùn)行方向的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。圖 6是雙攪拌器進(jìn)行反向運(yùn)行與同向運(yùn)行以及單攪拌器運(yùn)行的聚合物溶解黏度曲線。從圖6中可以看出，雙攪拌器反向運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)效果明顯低于同向運(yùn)轉(zhuǎn)，在聚合物溶解前期與單攪拌器的效果基本一致，在后期其效果反而低于單攪拌器的效果。圖7是所對(duì)應(yīng)的KCXD攪拌器的功率曲線。從功率曲線可以看出，采用雙攪拌器反向運(yùn)行，中心攪拌器的功率明顯上升，初期約上升了35%。隨著聚合物的溶解和黏度的上升，在25min左右，反向運(yùn)行時(shí)中心攪拌器的功率逐步趨向其他兩種工況。這說(shuō)明，在這個(gè)黏度下錨框式攪拌器所產(chǎn)生的流動(dòng)場(chǎng)對(duì)中心攪拌器已基本沒(méi)有影響。從功率曲線分析可以看出，中心攪拌器在黏度達(dá)到一定程度時(shí)，其作用范圍已經(jīng)非常有限，此時(shí)錨框式攪拌器將對(duì)聚合物的進(jìn)一步溶解熟化發(fā)揮作用。

3.3 中心攪拌器 KCX運(yùn)行方式對(duì)聚合物溶解的影響

翼型攪拌器上推操作已經(jīng)成功應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程中。在以前的研究[7]中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)翼型攪拌器在聚合物溶解中采用上推操作時(shí)能夠改善流體的翻轉(zhuǎn)和減少槽內(nèi)死區(qū)，加快聚合物的溶解，同時(shí)獲得的溶液黏度也較高。但是對(duì)于雙攪拌器，其結(jié)果卻有所不同。圖8是雙攪拌器同向運(yùn)行，中心攪拌器采用上推操作（KCXU）和下壓操作（KCXD）時(shí)聚合物的溶解黏度曲線。從圖8中可以看出，在黏度方面，上推操作并沒(méi)有得到像以前的結(jié)論，其聚合物溶液濃度低于下壓操作，甚至低于單攪拌器運(yùn)行時(shí)的效果。這可能是實(shí)驗(yàn)的條件不一樣，尤其是受到錨框式攪拌器的影響所致。圖9是所對(duì)應(yīng)操作工況下中心攪拌器的功率曲線。從圖9中可以看出，在聚合物溶解的初期，上推操作的功率消耗明顯高于其他工況，但是在后期的功率消耗卻最低，這說(shuō)明此操作條件下的黏度較低，與圖8的黏度曲線一致。

圖8 中心攪拌器不同運(yùn)行方式下聚合物的溶解黏度曲線

圖9 中心攪拌器不同運(yùn)行方式下的功率曲線

3.4 流動(dòng)場(chǎng)的模擬結(jié)果與分析

利用計(jì)算流體力學(xué)對(duì)前述的兩種狀態(tài)，即初始的固液混合和最終的單相層流進(jìn)行了數(shù)值模擬。模擬了中心攪拌器下壓操作，錨框式攪拌器正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)的工況。將數(shù)值模擬得到的攪拌器功率消耗與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了模擬結(jié)果的準(zhǔn)確性和可行性，然后通過(guò)模擬得到的流動(dòng)場(chǎng)進(jìn)一步對(duì)前述的實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算的 KCX攪拌器的功耗與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的比較如表2所示。兩種模擬狀態(tài)所對(duì)應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用的是平均值，即前1min中60個(gè)數(shù)據(jù)記錄的平均和后5min中300個(gè)數(shù)據(jù)記錄的平均。從表2中可以看出，對(duì)于高黏度層流模擬的數(shù)據(jù)偏差較小，一方面是由于聚合物溶解熟化完成后測(cè)量結(jié)果比較穩(wěn)定，另一方面層流計(jì)算沒(méi)有引入模型假設(shè)，所以兩者吻合較好。對(duì)于固液兩相的模擬值要小于實(shí)驗(yàn)值，可能是由于實(shí)驗(yàn)過(guò)程中聚合物有初步的溶解，黏度升高從而對(duì)應(yīng)的測(cè)量結(jié)果偏高。總體上模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果還是比較吻合的，在工程應(yīng)用可接受范圍內(nèi)。

表2 兩種混合狀態(tài)KCX攪拌器功率消耗的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算對(duì)比

圖10給出了垂直錨框式攪拌器所在平面的流動(dòng)場(chǎng)。對(duì)于低黏度的兩相流，KCX下壓操作時(shí)產(chǎn)生了典型的軸向循環(huán)流。由于底部錨框攪拌器的存在，在底部產(chǎn)生小的回流。此模擬結(jié)果與許多研究者的結(jié)論一致，如 Aubin等[11]。當(dāng)錨框式攪拌器同向運(yùn)行時(shí)，這種軸向循環(huán)流動(dòng)被加強(qiáng)了，尤其是在罐中心區(qū)域和底部；當(dāng)錨框式攪拌器反向運(yùn)行時(shí)，KCX攪拌器所形成的大的軸向循環(huán)流動(dòng)被“壓縮”了，但是罐內(nèi)整體的上下循環(huán)流動(dòng)依然存在。在單相層流的混合中，錨框式攪拌器對(duì)流動(dòng)場(chǎng)的影響就更加明顯。在高黏度時(shí)，中心KCX攪拌器已經(jīng)不能產(chǎn)生以前的上下整體循環(huán)流動(dòng)，只有在攪拌器附近的小循環(huán)。當(dāng)錨框式攪拌器同向運(yùn)行時(shí)，槽內(nèi)又形成了整體的大循環(huán)流動(dòng)；但是，當(dāng)錨框式攪拌器反向運(yùn)行時(shí)，流動(dòng)場(chǎng)就變得有些錯(cuò)亂，形成了幾個(gè)小的循環(huán)流動(dòng)。結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流動(dòng)場(chǎng)分析可以發(fā)現(xiàn)，加速聚合物的溶解和熟化需要強(qiáng)的循環(huán)流動(dòng)，而不是湍動(dòng)和剪切。

4 結(jié) 論

（1）雙攪拌器的運(yùn)行可以促進(jìn)攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)和整體循環(huán)，加速聚合物的溶解熟化，錨框式攪拌器在合適的攪拌轉(zhuǎn)速下，可以顯著提升聚合物溶解熟化后的黏度。

（2）常用的雙攪拌器逆向運(yùn)行不利于聚合物溶解熟化，雙攪拌器同向運(yùn)行，中心攪拌器采用下壓操作有利于加速聚合物的溶解熟化。

（3）模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果吻合較好，在工程應(yīng)用可接受范圍內(nèi)；結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果和流動(dòng)場(chǎng)分析，加速聚合物的溶解和熟化需要強(qiáng)的循環(huán)流動(dòng)，而不是湍動(dòng)和剪切。

圖10 兩種混合狀態(tài)下攪拌槽內(nèi)的流動(dòng)場(chǎng)

符 號(hào) 說(shuō) 明

C——翼型攪拌器離槽底距離，m

D——攪拌槽直徑，m

d1——翼型攪拌器的槳葉直徑，m

d2——錨框式攪拌器直徑，m

ds——顆粒直徑，m

H——攪拌槽液位高，m

k——扭矩傳感器系數(shù)， N·m/mV

N——攪拌器轉(zhuǎn)速， r/s

r——攪拌槽徑向坐標(biāo)，m

P——攪拌器功率消耗， W

t——實(shí)驗(yàn)時(shí)間，min

W——擋板寬度，m

z——攪拌槽軸向坐標(biāo)，m

ηa——表觀黏度，mPa·s

ρl——液體密度，kg/m3

ρs——固體密度，kg/m3

μI——數(shù)值模擬的液體黏度，mPa·s

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