組合式攪拌器對疏水締合聚合物溶解特性的影響

林蘇奔，周國忠，謝明輝，郭鵬武，楊海龍

（1溫州市長城攪拌設備設計研究所，浙江 溫州 325019；2中海油能源發展股份有限公司采油技術服務分公司，天津 300452）

聚合物驅油（簡稱聚驅）技術是油田開發進入中、后期，保證原油穩產，提高采收率而采取的三次采油技術[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]作為驅油劑廣泛應用在海上平臺采油中。但是該聚合物在海上平臺所用的高礦化度水中的溶解性較差，溶解熟化時間長，黏度低，制約了海上油田的規模應用。眾多的研究[6-8]表明機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。謝明輝和周國忠等[7-8]進行了海上平臺配注系統攪拌器優化的實驗研究和數值模擬，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，聚合物溶解是一個從多相到單相，從低黏到高黏的變化過程，單一攪拌器用于聚合物的溶解過程仍然存在諸多的問題。若單獨采用適用于低黏的攪拌器如槳式，隨著黏度的上升，攪拌器產生的流場會發生萎縮，使得遠離攪拌器區域的流動性變差；同樣單獨采用適用于高黏的攪拌器如錨框式、螺帶槳在低黏的時候效率相對較低。

為克服這種由于單一攪拌器很難適用于過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，通過實驗研究組合式攪拌器（下稱雙攪拌器）對聚合物溶解和熟化過程中的作用，并對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速等各種組合工況進行了實驗研究，從而為海上油田的配注系統攪拌設備的優化提供設計參考。

1 實驗設置

1.1 實驗設備和儀器

實驗所用的攪拌裝置，見圖 1，由浙江長城減速機有限公司設計制造。實驗主要儀器設備有：扭矩傳感器，AKC-205型，航天科技研究院701所；無紙記錄儀，DX1002，日本橫河公司；旋轉黏度計，DV-II+Pro型，美國BROOKFIELD公司；電子天平，德國賽多利斯公司生產；測速儀，Turck 公司。實驗所用組合式攪拌器的結構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，攪拌上推操作標記為KCXU，攪拌器下壓操作標記為KCXD；錨框式攪拌器由底入式的傳動裝置驅動，瞬時針旋轉標記為CMS，逆時針轉動標記為 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。實驗采用的攪拌器轉速為 180r/min。錨框式攪拌器的直徑d2=0.56m，寬度W為0.055m，離壁 0.02m。實驗采用的轉速分別為 0、10r/min、20r/min、30r/min。當轉速為0時，錨框式攪拌器作為擋板使用。

圖1 攪拌實驗裝置示意圖

圖2 攪拌系統結構及翼型槳葉示意圖

1.2 實驗物料

實驗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，聚合物的相關性質：干粉固體粒徑0.2～1.0mm的質量比為 90%以上；干粉固含量 90%～98%；干粉平均相對分子質量 1800萬左右；干粉密度1.1～1.3g/cm3。

實驗采用工業模擬水，即使用化學試劑添加到自來水中，模擬工業水的組成。所用試劑主要有KCl、 NaCl、NaHCO3、Na2SO4、CaCl2、MgCl2，化學純。模擬注入水的總礦化度為9357mg/L，主要離子組成見表1。

表1 模擬注入水的離子組成及礦化度

1.3 實驗方法

（1）將自來水加入到攪拌槽中，直至液高H=0.5m。

（2）將水加熱到工業生產用水的溫度 50℃，加入各種鹽，使其溶解。

（3）將攪拌裝置調整到實驗轉速，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、無紙記錄儀和計算機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樣，在 25℃、剪切速率 0.56s?1條件下，使用 LV4-34轉子在 DV-Ⅱ+Pro型旋轉黏度計測定其表觀黏度。為保證測量結果的可比性，利用測量記錄軟件連續記錄10min，取最后5min的平均值作為最終結果。

2 數值模擬

采用Fluent 6.3軟件進行數值計算，主要從流動場角度進一步分析實驗結果，同時模擬 KCX攪拌器的功率消耗，并與實驗結果進行比較。如前所述，聚合物的溶解是一個變化的過程，因此，數值模擬僅對兩種工況進行了模擬：一種工況是聚合物剛剛加入模擬水中，此時以固液兩相流進行模擬計算；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值模擬。

圖3 網格劃分示意圖

計算所用模型與實驗裝置完全一致。采用四面體單元進行網格劃分。為增加計算的精確度，對槳葉、交界面采取網格加密處理，攪拌槽共劃分了801346個網格，如圖3所示。在初始的固液混合過程的模擬中，所用主要參數有：顆粒直徑ds=0.6mm，密度ρs=1200kg/m3，固相體積分數αs=0.5%，液體黏度μl=1.003mPa·s；第二種混合狀態的聚合物溶液，μl=3000mPa·s，液體密度為ρl=1002 kg/m3。

第一種混合狀態是固液兩相流模擬，將液相設為連續相，固體顆粒設為分散相。連續相的湍流模型采用k-ε模型，固液兩相間動量交換系數Kls使用Wen-Yu模型[10]。槳葉及壁面設為無滑移壁面，近壁區域流動計算采用標準壁面函數模型。旋轉的攪拌器與靜止的部分采用多重參考系法（MFR）進行模擬。所有變量均用迎風差分格式進行離散，收斂殘差設為10?5，懸浮過程的時間步長取為0.01s。第二種混合狀態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相同。

3 結果與討論

3.1 錨框式攪拌器轉速對聚合物溶解的影響

圖4是雙攪拌器同向運行、錨框式攪拌器采用不同轉速時聚合物的溶解過程的黏度變化曲線。從圖4中可以看出，采用雙攪拌器運行，在溶解熟化的前期，錨框式攪拌器確實有非常明顯的加速聚合物溶解熟化作用，所測得的聚合物黏度明顯高于單攪拌器。但是，對于錨框式攪拌器的轉速并不是越快越好，本實驗過程中，在 10r/min時得到的實驗結果最好。

圖5是整個實驗過程中所記錄的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與圖4的黏度變化曲線是一致的。在熟化過程前期（0～20min），當錨框式攪拌器轉速為20r/min、30r/min時，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

結合圖4和圖5，說明錨框式攪拌器在高轉速時破壞了中心KCXD攪拌器本身的流場，從而造成攪拌器功耗增大，效率降低，這與本文作者在實驗過程中觀察到的現象也是一致的；同時，錨框式攪拌器在高轉速時產生了較大剪切作用，在熟化過程后期較大的剪切作用會降低聚合物的黏度，這與文獻[8]中的結論一致。錨框式攪拌器在10r/min時，溶解初期，中心攪拌器的功率最小，說明在此轉速下，兩種攪拌器的流場具有相互促進的作用；中心攪拌器KCXD功率曲線上升很快，說明此時，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 雙攪拌器不同運轉方向對聚合物溶解的影響

圖6 雙攪拌器不同運行方向的聚合物溶解黏度曲線

圖7 雙攪拌器不同運行方向時的KCXD功率曲線

采用雙攪拌器操作，一般的設計是兩個攪拌器反方向運行，以加強湍動和剪切。本文也對雙攪拌器采用不同運行方向的實驗結果進行了對比。圖 6是雙攪拌器進行反向運行與同向運行以及單攪拌器運行的聚合物溶解黏度曲線。從圖6中可以看出，雙攪拌器反向運行的實驗效果明顯低于同向運轉，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是所對應的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，反向運行時中心攪拌器的功率逐步趨向其他兩種工況。這說明，在這個黏度下錨框式攪拌器所產生的流動場對中心攪拌器已基本沒有影響。從功率曲線分析可以看出，中心攪拌器在黏度達到一定程度時，其作用范圍已經非常有限，此時錨框式攪拌器將對聚合物的進一步溶解熟化發揮作用。

3.3 中心攪拌器 KCX運行方式對聚合物溶解的影響

翼型攪拌器上推操作已經成功應用于工業過程中。在以前的研究[7]中發現，當翼型攪拌器在聚合物溶解中采用上推操作時能夠改善流體的翻轉和減少槽內死區，加快聚合物的溶解，同時獲得的溶液黏度也較高。但是對于雙攪拌器，其結果卻有所不同。圖8是雙攪拌器同向運行，中心攪拌器采用上推操作（KCXU）和下壓操作（KCXD）時聚合物的溶解黏度曲線。從圖8中可以看出，在黏度方面，上推操作并沒有得到像以前的結論，其聚合物溶液濃度低于下壓操作，甚至低于單攪拌器運行時的效果。這可能是實驗的條件不一樣，尤其是受到錨框式攪拌器的影響所致。圖9是所對應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 中心攪拌器不同運行方式下聚合物的溶解黏度曲線

圖9 中心攪拌器不同運行方式下的功率曲線

3.4 流動場的模擬結果與分析

利用計算流體力學對前述的兩種狀態，即初始的固液混合和最終的單相層流進行了數值模擬。模擬了中心攪拌器下壓操作，錨框式攪拌器正轉和反轉的工況。將數值模擬得到的攪拌器功率消耗與實驗結果進行對比，驗證了模擬結果的準確性和可行性，然后通過模擬得到的流動場進一步對前述的實驗結果進行分析。根據數值模擬結果計算的 KCX攪拌器的功耗與實驗結果的比較如表2所示。兩種模擬狀態所對應的實驗結果采用的是平均值，即前1min中60個數據記錄的平均和后5min中300個數據記錄的平均。從表2中可以看出，對于高黏度層流模擬的數據偏差較小，一方面是由于聚合物溶解熟化完成后測量結果比較穩定，另一方面層流計算沒有引入模型假設，所以兩者吻合較好。對于固液兩相的模擬值要小于實驗值，可能是由于實驗過程中聚合物有初步的溶解，黏度升高從而對應的測量結果偏高?？傮w上模擬結果與實驗結果還是比較吻合的，在工程應用可接受范圍內。

表2 兩種混合狀態KCX攪拌器功率消耗的實驗與計算對比

圖10給出了垂直錨框式攪拌器所在平面的流動場。對于低黏度的兩相流，KCX下壓操作時產生了典型的軸向循環流。由于底部錨框攪拌器的存在，在底部產生小的回流。此模擬結果與許多研究者的結論一致，如 Aubin等[11]。當錨框式攪拌器同向運行時，這種軸向循環流動被加強了，尤其是在罐中心區域和底部；當錨框式攪拌器反向運行時，KCX攪拌器所形成的大的軸向循環流動被“壓縮”了，但是罐內整體的上下循環流動依然存在。在單相層流的混合中，錨框式攪拌器對流動場的影響就更加明顯。在高黏度時，中心KCX攪拌器已經不能產生以前的上下整體循環流動，只有在攪拌器附近的小循環。當錨框式攪拌器同向運行時，槽內又形成了整體的大循環流動；但是，當錨框式攪拌器反向運行時，流動場就變得有些錯亂，形成了幾個小的循環流動。結合實驗結果和流動場分析可以發現，加速聚合物的溶解和熟化需要強的循環流動，而不是湍動和剪切。

4 結 論

（1）雙攪拌器的運行可以促進攪拌槽內的流動和整體循環，加速聚合物的溶解熟化，錨框式攪拌器在合適的攪拌轉速下，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行不利于聚合物溶解熟化，雙攪拌器同向運行，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）模擬計算結果與實驗測量結果吻合較好，在工程應用可接受范圍內；結合實驗結果和流動場分析，加速聚合物的溶解和熟化需要強的循環流動，而不是湍動和剪切。

圖10 兩種混合狀態下攪拌槽內的流動場

符 號 說 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， N·m/mV

N——攪拌器轉速， r/s

r——攪拌槽徑向坐標，m

P——攪拌器功率消耗， W

t——實驗時間，min

W——擋板寬度，m

z——攪拌槽軸向坐標，m

ηa——表觀黏度，mPa·s

ρl——液體密度，kg/m3

ρs——固體密度，kg/m3

μI——數值模擬的液體黏度，mPa·s

[1]Rychlicki S，Stopa J，Wojnarowski P.New technologies of enhanced oil recovery[J].Acta Montanistica Slovaca，2006，11（1）：140-144.

[2]Vijayan S，Ramachandran C，Shah D O.Effect of salt and aging on aqueous surfactant formulations for tertiary oil recovery：A correlation of physical properties with microstructure using spin-labels[J].Journal of the American Oil Chemists Society，1981，58（4）：566-573.

[3]Ma Shiyu.Techniques of tertiary oil recovery in dagang oilfield[J].China Oil & Gas，1995，2（2）：36-37.

[4]Liu C T，Wu X L，Li X，et al.A new hydrophobic associating polymer[J].Polymers & Polymer Composites，2012，20：95.

[5]Han M，Xiang W T，Zhang J.Application of EOR technology by means of polymer flooding in Bohai oil fields[C]//International Oil and Gas Conference and Exhibition in China，Beijing，2006：1078-1083.

[6]姜斌.新型聚合物水解攪拌裝置應用研究及攪拌流場的數值模擬[D].天津：天津大學，2005.

[7]Zhou G Z，Xie M H，Liu M，et al.Dissolution characteristics of hydrophobically associating polyacrylamide in stirred tanks[J].Chinese J.Chem.Eng.，2010，18（1）：170-174.

[8]謝明輝，周國忠，劉敏，等.海上平臺聚合物熟化過程攪拌器的優化[J].化學工程，2009，37（7）：30-33.

[9]Zwietering T N.Suspending solid particles in liquids by agitators[J].Chem.Eng.Sci.，1958，8：244-253.

[10]Wen C Y，Yu Y H.Mechanics of fluidization[J].Chem.Eng.Prog.Symp.Ser.，1966，62：100-111.

[11]Aubin J，Sauze N L，Bertrand Let al.PIV measurements of flow in an aerated tank stirred by a down-and an up-pumping axial fl ow impeller[J].Exp.Therm.Fluid Sci.，2004，28（5）：447-456.