Использование гидромеханического диспергирования для интенсификации процессов, происходящих при приготовлении промывочных жидкостей

УДК 622.244

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДИСПЕРГИРОВАНИЯ ДЛЯ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССОВ, ПРОИСХОДЯЩИХ ПРИ ПРИГОТОВЛЕНИИ ПРОМЫВОЧНЫХ ЖИДКОСТЕЙ

А. Н. СПИРИДОНОВ

Промывочные жидкости, используемые в бурении, в большинстве своем представлены глинистыми суспензиями на водной основе. Повышение качества таких суспензий возможно путем дополнительного диспергирования глинистых частиц. Перспективным способом диспергирования является гидромеханический в роторно-импульсных аппаратах. Основным интенсифицирующим фактором массооб-менных процессов и процессов диспергирования в аппаратах такого типа является кавитация.

Промывочные жидкости, используемые при бурении скважин, представляют собой сложные, многокомпонентные дисперсные системы на водной основе. В большинстве своем это глинистые суспензии, технологические свойства которых определяются качеством и дисперсностью глинистых минералов, входящих в состав природных глин.

Известно, что важнейшим физико-химическим свойством глин, определяющим использование их для приготовления буровых растворов, является гидрофильность. В свою очередь, гидрофильность глин зависит от структуры глинистого минерала, удельной поверхности (степени дисперсности) и емкости обмена катионов. Чем выше степень дисперсности, тем больше емкость обмена и гидрофильность, а также сильнее взаимодействие между глинистыми частицами.

Глинистые породы сложены частицами глинистых минералов, имеющих очень маленький размер, не превышающий 0,1-1,0 мкм.

Существующие технологии приготовления глинопорошков обеспечивают измельчение частиц глины до 5-10 мкм. Дальнейшее измельчение в сухом виде приводит к резкому увеличению энергоемкости и времени на разрушение.

Улучшение качества бурового раствора, приготовленного из глинопорошка, а также интенсификация самого процесса приготовления возможны при использовании специальных технических средств, осуществляющих интенсивный массообмен и диспергирование.

Гидравлические и механические перемешиватели и диспергаторы, используемые в буровой практике, если и справляются с поставленными задачами, то обеспечивается это путем длительного воздействия на систему. Это приводит к росту времени и энергозатрат.

Гидромеханические процессы диспергирования гетерогенных систем лежат в основе многих технологий и производств самых различных отраслей промышленности: химической, нефтехимической, угольной (угледобывающей), горнорудной, микробиологической, пищевой, фармацевтической, парфюмерной, лакокрасочной, машиностроительной и многих других [ 1 ].

Особое место среди них занимают процессы диспергирования систем "жидкость - жидкость" и "жидкость - твердое тело".

В процессах диспергирования реализуются различные режимы течения обрабатываемой среды - от ламинарного до турбулентного, от стационарного до нестационарного. Существует большое число процессов, которые в значительной степени интенсифицируются лишь благодаря нестационарности потока обрабатываемой среды.

Гидромеханическое диспергирование наиболее эффективно осуществляется в аппаратах с периодическим прерыванием потока обрабатываемой среды, которые разделяются на два вида: статические аппараты, прерывание потока в которых осуществляется за счет конструктивных особенностей, и динамические (роторные) аппараты, в которых прерывание потока происходит из-за вращения ротора, размещенного коаксиально статору; в рабочих поверхностях ротора и статора выполнены каналы для протекания обрабатываемой среды.

Наиболее эффективными гидромеханическими диспергаторами являются роторные аппараты (РИА) с периодическим прерыванием потока обрабатываемой среды - роторно-импульсные аппараты, в процессе работы которых проявляется влияние множества физических факторов (см. рис 1) [1].

При диспергировании жидких гетерогенных сред основным интенсифицирующим фактором массообменных процессов и процессов диспергирования в РИА является кавитация. Кавитационный режим диспергирования наиболее энергетически выгоден, поскольку кавитация позволяет трансформировать монотонные потоки энергии в "игольчатые" не только во времени, но и в пространстве.

Кавитация - разрыв сплошности капельной жидкости, образование в ней полостей (кавитационных пузырьков), заполненных смесью газа и пара. Кавитация возникает в тех местах жидкости, где давление ниже определенного критического значения.

Известны два вида кавитации - гидродинамическая, когда сплошность жидкости нарушается при понижении давления по линии движения пузырька; и акустическая, возникающая вследствие воздействия акустических волн высокой интенсивности.

Кавитация является сложным, недостаточно изученным нестационарным гидромеханическим процессом, сопровождаемым физико-химическими процессами, такими как люминесценция; ценообразование; ударные волны давления, скорости и температуры; микропотоки и кумулятивные микроструйки; нагревание и ионизация газа в кавита-ционном пузырьке. Такое обилие вторичных факторов позволяет эффективно использовать кавитацию в технологических процессах.

Бурение нефтяных и газовых скважин

Рис. 1. Структура нестационарных потоков обрабатываемых сред при диспергировании в роторных гидромеханических диспергаторах

В роторно-импульсном аппарате кавитация развивается вследствие периодического прерывания потока обрабатываемой среды. Прерывистый характер течения обрабатываемой среды вызывает повышение или понижение давления в ней. При достаточной величине разрежения в обрабатываемой среде возникает гидродинамическая кавитация, акустические же колебания генерируются при любой интенсивности прерывистого нестационарного потока. Следовательно, в аппарате реализуется гидродинамический и акустический способы воздействия на ход технологического процесса.

\сг

Рис. 2. Условное схематическое изображение процесса диспергирования: Я0 - начальный размер кластера (диспергируемой частицы); с1тт - наименьший линейный размер (приведенный диаметр) диспергированной частицы

Кавитационные импульсы давления, генерируемые при коллапсе кавитационных пузырьков (в любой реальной жидкости имеется достаточное количество нерастворенного газа в виде мельчайших пузырьков размером 10 7— 10 s м и объемной концентрацией 10~|3-1СИ), вызывают нерегулярное хаотическое деформационное движение объемов жидкости, которое предшествуют разрешению этих объемов. Интенсивность процесса разрушения (диспергирования) определяется интенсивностью этих импульсов давления.

Воздействие кавитационных импульсов давления подобно воздействию микровзрывов - любая несимметрия микрообъемов жидкости (вызванная анизотропностью плотности, концентрации кавитационных зародышей-пузырьков, газосодержания; несимметрией формы) вызывает образование начальной нерегулярной структуры поля скоростей. В свою очередь, как следствие, происходит разрушение кластера, отделение от него капель жидкости; внешнюю поверхность кластера покидают капли, чем усугубляют первоначальную несимметрию и ускоряют процесс его разрушения -образуются все новые свободные поверхности. Процесс диспергирования условно и схематично показан на рис. 2 [1J.

Будучи первоначально сплошным, кластер распадается на частицы, которые также подвержены разрушению на еще более мелкие частицы.

Диспергаторы различных типов (механические диспергаторы, коллоидные мельницы, гомогенизаторы, роторные аппараты с периодическим прерыванием потока обрабатываемой среды, акустические диспергаторы) отличаются по своим основным параметрам, в том числе, и по одному из самых важных - по удельному расходу энергии на производство дисперсной смеси. В табл. приведены сведения для процесса приготовления смазочно-охлаждающих жидкостей, как одного из самых распространенных [1].

Таблица. Эффективность гидромеханических диспергаторов

Тип Удельный расход энергии, кВт ч/м3 Средний диаметр частиц, мкм

Механическая мешалка 1,4-1,6 2-8

Коллоидная мельница 7,0 4-7

Гомогенизатор ОГ Б-3 5,6 1-3

Роторно-импульсный аппарат 1,0 0,8-1,2

Как видно из таблицы, роторно-импульсные аппараты являются наиболее эффективными гидромеханическими диспергаторами, применяющимися для получения высококачественных суспензий и эмульсий. Удельный расход энергии на приготовление суспензий (эмульсий) в данном аппарате наименьший, а дисперсный состав производимых суспензий (эмульсий) - наиболее удовлетворительный.

Роторно-импульсные аппараты обладают значительными преимуществами перед другими гидромеханическими аппаратами-диспергаторами. Например, отличие таких аппаратов от гомогенизаторов высокого давления заключается в том, что кавитация в рабочей камере роторно-импульсного аппарата возбуждается при значительно меньших перепадах статического давления между входом и выходом аппарата. Кроме того, импульсный характер возникновения и развития кавитации в роторно-импульсном аппарате определяет простоту и эффективность управления этим процессом. Роторно-импульсные аппараты относятся к гидромеханическим преобразователям механической энергии в акустическую, кавитационную и энергию других видов и поэтому просты по конструкции и надежны в работе.

Применение гидромеханических диспергаторов в буровой практике, по мнению автора, даст существенный экономический эффект благодаря значительной интенсификации гидромеханических процессов за счет достижения ка-витационного режима течения обрабатываемой среды, переводу на непрерывный режим эксплуатации, снижению энерго- и материалоемкости, уменьшению производственных площадей, сокращению потерь.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Балабышко A.M., Зимин А.И., Ружицкий В.П. Гидромеханическое диспергирование. - М.: Наука, 199В. - 331 с.

2. Карепанов С.К., Юдаев В.Ф. К вопросу о нестационарных гидромеханических процессах в аппаратах химической технологии // Применение физических и физико-химических методов в технологических процессах. М.: Металлургия, 1990. С. 60-66.

3. Карпачаева С.М. Интенсификация химико-технологических процессов применением птаьсационной аппаратуры // Журн. прикл. Химии. 1990. Т. 63, №8. С. 1649-1658.

УДК 622.244

USE HYDROMECHANICAL MULLING FOR INTENSIFY OF PROCESSES OCCURRING AT PREPARATION DRILLING MUDS

A.N. Spiridonov

Drilling muds, in the majority of cases are presented as clay suspensions on a water basis. The increase of such suspension quality is possible by additional mulling of clay particles. A perspective way of mulling is a hydromechanical one in rotary-pulse devices. The cavitation is basic intensifying factor off mass transfer processes and processes of mulling in devices of such a type.