新型聚合物水解搅拌装置应用研究及搅拌流场的数值模拟

论文题目: 新型聚合物水解搅拌装置应用研究及搅拌流场的数值模拟

论文类型: 博士论文

论文专业: 化学工程

作者: 姜斌

导师: 李鑫钢

关键词: 聚合物驱油,超高分子量抗盐聚合物,流变特性,粘弹性流体,搅拌装置,数值模拟

文献来源: 天津大学

发表年度: 2005

论文摘要: 随着聚合物驱油技术研究的快速发展,新型聚合物不断被开发和应用。新型聚合物溶液显现巨大的超分子结构,表现出非常高的粘度。现有常规配制工艺不能适应新型聚合物的配制要求,为适应大规模生产,满足不同分子量及不同抗盐聚合物水解配制要求,本文开发出适应新型聚合物水解的工业搅拌装置,实现对搅拌聚合物溶液流场的三维模拟,主要包括以下内容。通过流变仪测量超高分子量抗盐聚丙烯酰胺溶液的流变特性,研究了聚丙烯酰胺溶液的表观粘度与溶液的浓度、温度、聚合物相对分子量及流动时的剪切速率的关系。聚合物溶液的浓度越高、相对分子量越大,聚合物溶液的表观粘度就越大。随着剪切速率的增大,聚合物溶液显现出剪切稀化的特性,聚合物溶液的表观粘度与剪切速率关系服从幂律关系。温度升高,聚合物溶液粘度下降。聚丙烯酰胺溶液的浓度越高,聚合物溶液的第一法向应力差越大,说明聚合物溶液具有的弹性能量越高。在相同的剪切速率下,聚合物分子量增加,聚合物溶液的弹性增强。温度升高,聚合物溶液弹性减弱。根据聚丙烯酰胺溶液流变实验数据,建立的聚合物溶液的粘弹公式为模拟聚合物溶液流体流动提供了依据。设计开发适用于该聚合物水解的新型搅拌装置,通过小试及工业放大试验研究,优化设备结构、优化操作参数。这种新型搅拌装置能有效地改善流场的循环性能,提高均一化的速度,使新型聚合物的熟化时间由原来的4h降到现在的2h,聚合物溶液的粘度提高了10%,而且搅拌功率略有下降。实现对搅拌聚合物溶液流场的三维模拟。流场模拟显示,三叶桨的轴向流动不足以使聚合物溶液在全槽形成主体大循环;远离桨叶的地方流动渐弱;搅拌轴、槽壁及液面附近流体近乎静止。新型搅拌装置使搅拌槽聚合物溶液形成全流域轴向大循环,这种流型是提高聚合物溶液的均一化速度的关键。搅拌槽内流体的平均表观粘度大于三叶桨搅拌槽流体的粘度。整个流场速度、剪切应力及表观粘度分布规律符合聚合物溶液在搅拌槽中的流动规律;模拟结果与小试、工业试验及经典文献的结果相吻合。

论文目录:

中文摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 课题研究背景

1.2 本文研究内容

1.2.1 粘弹性流体的流型特点及搅拌

1.2.2 抗盐聚合物溶液的流变性

1.2.3 抗盐聚合物溶解实验

1.2.4 抗盐聚合物溶液搅拌流场的数值模拟

1.3 创新点

第二章 文献综述

2.1 驱油技术的发展现状

2.1.1 驱油技术简介

2.1.2 聚合物驱油机理

2.2 影响聚合物溶液粘度的因素

2.2.1 相对分子量影响

2.2.2 溶液浓度影响

2.2.3 矿化度影响

2.2.4 温度影响

2.2.5 pH 值影响

2.2.6 剪切力影响

2.3 聚合物溶解过程

2.4 高粘弹性流体的搅拌装置

2.4.1 抗盐聚合物溶解过程特点

2.4.2 适用于聚合物溶解的搅拌器

2.4.3 抗盐聚合物溶液搅拌特性

2.4.4 抗盐聚合物溶液搅拌功率计算

2.5 计算流变学(Computational Rheology)

2.5.1 粘弹模型

2.5.2 搅拌槽内流体的数值模拟

2.5.3 数值方法

2.5.4 粘弹性流体数值计算存在的问题

第三章 抗盐聚合物溶液的流变行为研究

3.1 抗盐聚合物溶液的流变性

3.2 抗盐聚丙烯酰胺溶液的粘性

3.2.1 不同分子量聚丙烯酰胺溶液的粘度

3.2.2 不同浓度抗盐聚丙烯酰胺溶液的粘度

3.2.3 不同温度聚丙烯酰胺溶液的粘度

3.3 抗盐聚丙烯酰胺溶液的弹性

3.3.1 不同浓度聚丙烯酰胺溶液的弹性

3.3.2 不同温度聚丙烯酰胺溶液的弹性

3.3.3 聚合物相对分子量对弹性的影响

3.4 聚合物溶液的粘弹模型

3.4.1 幂律模型

3.4.2 Maxwell 模型

3.4.3 Oldroyd-B 模型

3.5 聚丙烯酰胺溶液的粘弹性公式

3.5.1 聚丙烯酰胺溶液的粘性公式

3.5.2 聚丙烯酰胺溶液的弹性公式

3.6 小结

第四章 新型聚合物熟化搅拌装置开发及工业试验

4.1 聚合物驱配制工艺

4.1.1 聚合物驱常规配制工艺

4.1.2 常规工艺配制新型聚合物存在问题

4.1.3 新型聚合物驱配制工艺

4.2 常规聚合物熟化搅拌装置

4.2.1 设备描述

4.2.2 操作条件

4.2.3 熟化状况

4.2.4 高粘弹流体与搅拌器性能

4.2.5 双层三叶桨式搅拌器流场

4.3 适用于新型聚合物熟化搅拌器的小试研究

4.3.1 研究内容

4.3.2 实验装置与流程

4.3.3 试验设计及测试方法

4.3.4 试验结果

4.3.5 结果讨论

4.4 小结

4.5 新型熟化装置的工业设计

4.5.1 工业搅拌装置的结构特点

4.5.2 工业搅拌装置相关参数的确定

4.6 新型熟化装置的工业试验

4.6.1 工业试验简介

4.6.2 实测抗盐聚合物的混合时间

4.6.3 实测搅拌功率与计算值比较

4.6.4 搅拌功率回归值与实测数据的比较

4.6.5 新型搅拌器混合效果的检验

4.7 小结

第五章 聚合物水解搅拌装置三维流动场的数值模拟

5.1 数学模型

5.1.1 基本假设

5.1.2 基本方程

5.1.3 本构方程

5.2 数值计算方法

5.3 计算区域与网格划分

5.3.1 三叶桨搅拌槽

5.3.2 双螺带螺杆搅拌槽

5.4 三叶桨计算结果与讨论

5.4.1 宏观流动场及速度分布

5.4.2 压力及剪切应力分布

5.4.3 表观粘度分布

5.5 双螺带螺杆搅拌器计算结果与讨论

5.5.1 宏观流动场及速度分布

5.5.2 压力及剪切应力分布

5.5.3 表观粘度分布

5.6 小结

第六章 结论

6.1 本文主要研究工作及结论

6.2 本论文的创新性

6.3 进一步工作展望

参考文献

发表论文和科研情况说明

主要符号说明

致谢

发布时间: 2007-07-10

参考文献

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