CC BY
46
СЕМИНАР 16
ДОКЛАД НА СИМПОЗИУМЕ "НЕДЕЛЯ ГОРНЯКА -2001"
МОСКВА, МГГУ, 29 января - 2 февраля 2001 г.
К
© В.И. Салохин, А.С. Хрулев,
Д.В.Каналин,2001
УДК 622.363
В.И. Салохин, А.С. Хрулев, Д.В. Каналин
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА КОНВЕКТИВНОГО СМЕШЕНИЯ ВОДЫ И РАССОЛА В КАМЕРАХ ПОДЗЕМНОГО РАСТВОРЕНИЯ КАМЕННОЙ СОЛИ
счет свободноконвективного опускного движения вблизи реакционной поверхности, вызванного растворением соли и образованием более тяжелого, по сравнению с окружающей средой, рассола, а с другой — за счет вынужденноконвективного движения в центральной зоне, вызванного подачей воды в скважину и отводом образующегося рассола. Взаимодействие этих потоков вызывает конвективное смешение воды и рассола. Область и характер смешения зависят от размеров выработки, способов подачи воды, этапов строительства. Цель исследования — определение поля скоростей жидкости в подземной выработке при ее создании.
В качестве метода исследования принято физическое моделирование на объемной модели подземного резервуара с визуальным наблюдением движения жидкости.
Опыты проводились на прозрачной шаровой модели с внутренним диаметром Dсф= 450 мм. На поверхности сферы был закреплен оголовок, через который соосно проходили трубки диаметром 8 и 10 мм. Трубки моделировали рабочие колонны труб, используемые при создании подземной выработки. Перед началом экспериментов трубки устанавливались на требуемую глубину с соответствующим разносом. В качестве рабочей жидкости использовалась
аменная соль из-за особенностей генезиса может содержать включения нерастворимых пород. При создании подземных выработок геотехнологическим методом содержащиеся в каменной соли включения выпадают на стенки, блокируют реакционную поверхность и влияют на формообразование. Движение нерастворимых частиц определяется движением жидкости в камере подземного растворения.
Согласно уравнению Шукаре-ва-Нойеса-Уитни [1] скорость подвижки поверхности растворения пропорциональна концентрационному напору:
АУ k
— = — (сн - с), С1)
Ркт Рс
где Av - объем растворенной соли; к - коэффициент скорости растворения; F - поверхность растворения; Ат - время растворения; Сн
- концентрация насыщенного рассола; С - концентрация рассола в выработке; рс - плотность соли.
Распределение концентрации рассола определяется гидродинамической обстановкой в выработке. Таким образом, форма выработки тесно связана с гидродинамикой в камере растворения.
Поле скоростей в выработке формируется с одной стороны за
вода или хлоридонатриевый рассол. Сфера наполнялась жидкостью так, чтобы в верхней части оставался воздух, имитирующий нерастворитель. В одном случае модель заполнялась рассолом, в который подавалась пресная вода (рассольная модель), в другом — модель заполнялась холодной водой, в которую подавалась горячая вода (тепловая модель). В каждом опыте температура воды поддерживалась при помощи термостатов.
Для наглядности происходящего внутри модели конвективного смешения в определенные моменты времени в подаваемую жидкость вводился краситель. Движение подкрашенной жидкости фиксировалось при помощи видеокамеры и фотоаппарата.
Опыты на двух моделях вызваны необходимостью моделирования всех потоков, имеющих место в реальных выработках. В рассольной модели моделировалось вынужденноконвективное движение при подаче воды в выработку и был охвачен практически весь, имеющий место в реальных условиях, диапазон разности плотностей среды от 0,0 до 0,2 г/см3. Однако в этой модели не моделировался массообмен между растворяемой поверхностью и растворителем и связанное с ним свободноконвективное движение жидкости вдоль стенок. В тепловой модели это движение формировалось за счет наружного охлаждения сферы. По условиям опытов диапазон разности плотностей среды не превышал 0,04 г/см3. Однако эти результаты также представляют интерес, так как отвечают случаю высокой концентрации рассола в выработке, что характерно для заключительных этапов строительства.
Параметры моделирования принимались на основе теории подобия. Движение жидкости в выработке определяется соотношением сил инерции, вязкости и плаву-
чести, которые характеризуются критерием Рейнольдса Re и плот-ностным критерием Фруда Fr [2]. В турбулентных потоках со свободными границами течение почти не зависит от числа Рейнольдса. Поэтому для рассольной модели параметры определялись через критерий Фруда. Его значение на выходе из водоподающей колонны труб равно
рг = (роэ - р0) • g • ^ (2)
р0и0
где р0 - плотность подаваемой воды; рда - плотность окружающего рассола; d0 - внутренний диаметр трубы; и0 - скорость истечения из трубы.
Из критерия Фруда определялось соотношение между масштабом скорости аи и линейным масштабом модели а<1.
аи =^о~, (3)
Для тепловой модели параметры устанавливались с учетом зависимости не только плотности, но и вязкости воды от температуры. При этом в тепловой модели также выдерживалось соотношение (3).
Эксперименты проводились для трех схем подачи растворителя и отбора рассола, применяемых при строительстве подземных резервуаров: противоточной, прямоточной и заглубленной подачи воды. Для схемы заглубленной подачи было рассмотрено два варианта — вниз из кольцевого меж-трубного пространства и вверх через кольцевую насадку.
В опытах фиксировались:
• глубина проникновения воды в находящуюся в модели жидкость;
• средний диаметр восходящего потока растворителя;
• скорость восходящего потока растворителя;
• скорость движения растворителя в радиальном направлении;
• скорость опускного движения жидкости в центральной зоне и вдоль стенок.
В прямоточной схеме (рис. 1) вода в виде осесимметричной струи выходит из водоподающей колонны труб и движется вниз под действием сил инерции, взаимодействует с дном выработки и далее движется радиально вдоль дна до места отрыва из-за положительной плавучести. Затем поднимается вверх, расширяясь по мере подъема. Часть всплывающей жидкости вытесняется по меж-трубному пространству на поверхность, а остальная часть движется радиально к стенкам выработки. За счет насыщения растворяемой солью и замещения части рассола, эжектируемого восходящим потоком, жидкость опускается вдоль стенок и смешивается с восходящим потоком растворителя, повышая его концентрацию.
Прямоточная схема характеризуется интенсивным смешением восходящего потока растворителя с рассолом, находящимся в выработке. Этому способствует взаимодействие потока с дном выработки и движение жидкости в горизонтальном направлении. В поток растворителя вовлекается придонный рассол, имеющий наибольшую концентрацию. Из-за горизонтального перемещения значительно возрастает диаметр восходящего потока. Происходит выравнивание концентрации рассола по высоте камеры, что способствует развитию цилиндрической формы. Поток растворителя переносит частицы нерастворимых включений от оси скважины на периферию и способствует устойчивой работе при большом количестве осевших частиц.
В противоточной схеме (рис. 3) вода в виде осесимметричной струи движется вниз вдоль оси скважины под действием сил инерции и постепенно тормозится за счет положительной плавучести потока воды в более плотном рас-
соле. По достижении определенной глубины, определяемой начальными параметрами потока и плотностью окружающего рассола, направление движения меняется на противоположное. Растворитель поднимается вверх и в районе потолочины движется радиально к стенкам камеры. Затем из-за увеличения плотности при растворении соли он опускается вдоль стенок в виде тонкого слоя и удаляется на поверхность по рассолоподъемной колонне.
Моделирование показало, что за исключением зоны всплытия растворителя, рассол равномерно перемещается сверху вниз по всему объему выработки. Следовательно, при данной схеме подачи воды концентрация рассола равномерно возрастает по глубине выработки. В верхней части выработки, высота которой определяется глубиной проникновения растворителя в рассол, также преобладает движение жидкости вниз. Однако здесь на распределение концентрации влияние оказывает восходящий поток растворителя. Это влияние тем больше, чем больше расход подаваемой воды и меньше диаметр подземной выработки.
При заглубленной подаче воды вниз движение жидкости в выработке подобно движению при про-тивоточной схеме (рис. 2, 3). За счет заглубления увеличивается высота зоны всплытия. В опытах были выявлены горизонтальные токи от стенок камеры в сторону восходящего потока, что обусловлено его эжектирующим воздействием (рис. 5а). При этом расход подсасываемого рассола превышает расход рассола, вытесняемого через рассолоподъемную колонну.
Схема заглубленной подачи воды вверх (рис. 4) позволяет уменьшить влияние восходящего потока растворителя на распределение концентрации рассола по высоте выработки. Диаметр восхо-
дящего потока и толщина радиального потока у потолочины существенно меньше, чем при других схемах подачи (рис. 5б).
В таблице представлены результаты обобщения на реальные условия данных моделирования движения растворителя в выработке при средней разности между плотностями рассола и подаваемой воды рда — р0 = 0,03 г/см3 и расходе воды 100 м3/ч.
Наибольшая скорость всплытия и наименьший диаметр восходящего потока получены для схемы с заглубленной подачей воды вверх. В данном случае восходящий поток минимально взаимодействует с находящимся в камере рассолом и концентрация рассола более интенсивно возрастает по глубине выработки, что позволяет получить насыщенный рассол на уровне башмака рассолоподъемной трубы в более короткие сроки, чем при других схемах. Всплывающий растворитель из-за меньшей концентрации соли остается более активным, что усиливает растворение верхней части выработки.
На рис. 6 приведены зависимости скорости всплытия и диаметра восходящего потока растворителя от разности плотностей рассола и воды, пересчитанные на реальные условия.
Глубина проникновения нисходящего потока растворителя зависит от плотности рассола (рис.
7). При малом разносе труб, возможно попадание части растворителя обратно в рассолоподъемную трубу, что снижает эффективность растворения. Этого можно избежать, изменив направление выхода растворителя вверх или вбок, что увеличит циркуляцию жидкости вдоль растворяемых поверхностей. Тем самым повысится эффективность солесъема на начальных этапах строительства.
Подача воды вверх позволяет получить не только активный растворитель с низкой степенью подсасывания рассола, но и более интенсивное нарастание концентрации по высоте выработки. При этом скорость опускного движения растворителя вдоль боковых стенок выработки уменьшается.
С увеличением насыщения рассола уменьшается не только диаметр восходящего потока растворителя, но и его толщина у потолочины. Одновременно возрастает радиальная скорость движения растворителя от скважины к стенкам выработки. Это должно приводить к выносу осаждающихся нерастворимых включений от стенок выработки и более интенсивному растворению соли в этой зоне.
Скорость движения растворителя вниз под воздействием вынужденной конвекции и диффузии (0,09 мм/с) существенно ниже скорости движения вдоль охлаж-
дающей поверхности под воздействием теплообмена (0,8-1,57
мм/с). Толщина пограничного слоя у охлаждаемой поверхности мала, и движение этого слоя не оказывает существенного воздействия на движение основного объема жидкости, находящейся в выработке. Однако скорости движения в пограничном слое у поверхности достаточно для удаления частиц крупностью меньше 0,05 мм.
Анализ зон движения растворителя и значений скоростей потоков показывает, что, за счет восходящего движения растворителя, из зоны у скважины будет удаляться в зависимости от крупности до 50 % нерастворимых включений. При этом вынос их радиальным потоком у потолочины выработки будет уменьшаться от центральной части к периферии от 50 до 10 %. Нисходящий поток у стенок выработки будет способствовать осаждению и накоплению нерастворимых включений на дне выработки.
Схема подачи растворителя влияет на распределение концентрации по высоте камеры, и следовательно, на ее формирование. Наибольшее усреднение концентрации рассола по высоте камеры достигается при прямоточной схеме, а наиболее интенсивно концентрация возрастает по высоте камеры при использовании схемы заглубленной подачи воды вверх.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Фурман А.А., Бельды М.П., Соколов И.Д. Поварен- 2. Гебхарт Б., Джалурия Й., Махаджан Р., Саммакия
ная соль. Производство и применение в химической про- Б. Свободноконвективные течения, тепло - и массообмен, мышленности. М., «Химия»,1989, 272с. М.: Мир, 1991, в 2-х книгах.
Таблица 1
Схема подачи растворителя Коэффициент подсасывания Диаметр восходящего потока, м Скорость всплытия, м/с
Прямоток 70,7 4,7 0,11
Противоток 49,6 3,0 0,20
Заглубленная подача вниз 56,7 2,7 0,28
Заглубленная подача вверх 5,9 0,8 0,34
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Рис. 5 Движение растворителя при заглубленной подаче воды: вниз (А) и вверх (Б)
