Матюшкін Максим Володимирович. Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій

brief description

Матюшкін Максим Володимирович. Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій: дис... канд. техн. наук: 05.14.06 / НАН України; Інститут технічної теплофізики. - К., 2005

Матюшкін М.В. Тепломасообмін та гідродинаміка у пульсаційному диспергаторі для приготування глиняних суспензій. Рукопис.
Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Інститут технічної теплофізики Національної Академії Наук України, Київ 2005.
Дисертацію присвячено дослідженню кінетики гідродинамічних та тепломасообмінних процесів в пульсаційному диспергаторі, в якому реалізується метод дискретно-імпульсного введення енергії, а також особливостям зміни реологічних характеристик та водовіддачі глиняних розчинів під час їх перемішування і гомогенізації в таких апаратах. Розглянуто математичну модель, що описує закономірності течії рідини та газу в трактах пульсаційного диспергатора. На основі теоретичних та експериментальних досліджень запропоновано методику масштабного переходу від лабораторної установки до дослідно-промислового зразка пульсаційного диспергатора, який було виготовлено та впроваджено у виробництво. Виконана техніко-економічна оцінка результатів роботи.

У дисертації наведено аналітичне узагальнення і нове вирішення наукової проблеми, що виявляється в обгрунтуванні нового підходу до інтенсифікації процесів перемішування та гомогенізації високов’язких рідинних сумішей, який базується на використанні методів та механізмів принципу ДІВЕ для прискорення гідромеханічних та тепломасообмінних процесів в таких системах. Теоретичні передумови перспективності методу ДІВЕ при інтенсифікації процесів перемішування та диспергування в гетерогенних середовищах дозволили дійти висновку, що апарати, в яких реалізуються механізми ДІВЕ, мають забезпечити швидке готування якісних глиняних суспензій з реологічними характеристиками, що відповідають технічним умовам буріння, при суттєво зменшених витратах енергії та ресурсів у порівнянні з існуючими традиційними пристроями. В рамках запропонованого підходу розроблено лабораторний зразок такого апарату і проведені комплексні дослідження з метою наукового обгрунтування раціональної конструкції апарата і оптимальних режимів його роботи. На основі проведених досліджень створено та впроваджено у виробництво промисловий апарат для готування глиняних суспензій та бурових розчинів.
Основні наукові і практичні результати досліджень
1.В результаті проведення критичного аналізу стану проблеми виявлено, що виробництво у промислових умовах великих об’ємів якісних глиняних розчинів при невисоких енергетичних витратах і за короткі проміжки часу залишається на сьогодні актуальною проблемою. На основі проведеного аналізу розроблено і створено лабораторний стенд для проведення експериментальних досліджень, який базується на принципі дії пульсаційного диспергатора - апарата, в якому реалізуються одночасно різні динамічні механізми ДІВЕ.
2.Розроблено та апробовано математичну модель, яка адекватно описує особливості нестаціонарних течій рідини та газу в трактах пульсаційного диспергатора з урахуванням процесів тепломасообміну. Відзначено задовільну збіжність теоретичних результатів, що їх одержано в рамках цієї моделі, з результатами експериментальних досліджень на лабораторному стенді.
3. Дослідження гідромеханічних процесів в рідинному тракті ПД показали, що при оптимальних режимах роботи апарата в ньому дійсно ініціюються потужні ефекти ДІВЕ, такі як гідравлічний удар, кавітаційні ефекти та динамічна дія струменя. На модельній рідині досліджено в широкому інтервалі зміни режимних параметрів вплив на інтенсивність протікання процесів різних фізичних чинників - перепаду тиску у ресиверах, періодичність та тривалість підключення до апарата РВТ або РНТ, температура та інші фактори. На основі проведених комплексних досліджень були визначені оптимальні режими обробки суміші, а також найбільш раціональна конструкція апарата і геометричні розміри його елементів.
4. Результати експерименту підтвердили перспективність застосування методів ДІВЕ для інтенсифікації процесів перемішування та гомогенізації високов’язких рідинних сумішей, зокрема, у технологіях виробництва бурових розчинів. Доведено, що пульсаційний диспергатор забезпечує прискорення процесів масообміну в системі «глина-вода» при менших витратах енергії і дозволяє готувати якісні глиняні суспензії з належними реологічними характеристиками за більш короткі строки, ніж традиційні змішувачі аналогічного призначення (в 1,52 рази швидше в залежності від концентрації глини в суміші). Окрім того, вироблені на ПД глиняні суспензії відрізняються більш високою стабільністю та меншою водовіддачею.
5. Доведено, що попереднє підвищення температури суміші суттєво збільшує інтенсивність готування глиняних суспензій, насамперед за рахунок інтенсифікації кавітаційних процесів в рідинному тракті ПД. На основі проведених досліджень запропоновано метод поступового зменшення густини глиняної суспензії, який у сукупності з попереднім нагрівом рідкої фази дозволяє скоротити процес приготування у 23 рази.
6. Інтенсифікація процесів масообміну та гідромеханічних процесів в ПД відкриває принципову можливість економити дорогокоштуючі хімічні додатки, які звичайно застосовуються на нафтогазовидобувних підприємствах при виробництві бурових розчинів. Застосування запропонованої в дисертаційній роботі технології дозволяє готувати якісну глиняну суспензію не тільки з глинопорошку, але й з грудкової глини, що у декілька разів зменшує собівартість виробництва кінцевого продукту.
7. В результаті досліджень показано доцільність створення на основі лабораторного зразка ПД дослідно-промислової установки для приготування глиняних суспензій в умовах виробництва. Розроблено фізико-математичну модель масштабного переходу від лабораторного зразка до дослідно-промислового апарата. Параметрами подібності обрано число кавітації, пікові значення тиску при гідроударі та питомі енерговитрати. Проведено оцінку геометричних розмірів промислового зразка ПД і рекомендовано оптимальні режими його роботи.
8. Розроблено технічну документацію на дослідно-промисловий зразок ПД. Створено і впроваджено у виробництво промисловий пульсаційний диспергатор з разовим об’ємом завантаження 2.