سیالات حفاری

معماری فرهنگ قوم لر حفاری وسیالات حفاری تمدن لرستان

 
اصول کار با سنتریفیوژ
نویسنده : رضا سپهوند - ساعت ۳:٢٢ ‎ب.ظ روز ۱۳٩٤/۸/۱٩
 

اصول کار با سنتریفیوژ
هر ذره ای درون مایع همواره یک جور رفتار می کند، اقدام مداوم به ته نشین شدن.
در این قسمت شما قانون فیزیکی ای که این موضوع را توضیح می دهد را یاد خواهید گرفت، )قانون
استوک(، همچنین چگونگی استفاده از سنتریفیوژ برای دستکاری کردن این پدیده به منظور خارج
کردن موثر و قابل پیش بینی ذرات از درون مایع را فرا خواهید گرفت.
𝑉=𝐷2 (𝑃𝑝−𝑃𝐼) 𝑔𝜇
در این فرمول داریم
V = سرعت ته نشین شدن ذره درون مایع
D = قطر ذره بر حسب میکرون ) 0.001mm )
Pp = وزن مخصوص ذره درون مایع
PI = وزن مخصوص مایع )وزن گل(
نیروی جاذبه زمین =ɡ
ویسکوزیته مایع =μ
قطر ذره: قطر ذره بر حسب میکرون اندازه گیری می شود که در اینجا یک میکرون معادل یک هزارم
میلی متر می باشد پس بنا بر این هر اینچ معادل 25400 میکرون است. بر طبق فرمول بالا چنانچه
وزن مخصوص ذرات با هم برابر باشند سرعت ته نشین شدن ذره ای بیشتر است که قطر بیشتری
داشته باشد.

وزن مخصوص ذره: همانطور که می دانید وزن مخصوص عبارت است از وزن حجم مشخصی از یک
جسم. چنانچه اندازه ذرات برابر باشند، سرعت ته نشین شدن ذره ای بیشتر است که وزن مخصوص
بیشتری داشته باشد.
وزن مخصوص مایع: هرچه وزن مخصوص مایع )وزن گل( بیشتر باشد سرعت ته نشین شدن ذرات
درون مایع کمتر خواهد بود.
نیروی جاذبه زمین: که با 1ɡ نمایش داده می شود. نیروئی است که به ذرات وارد می شود و آنها را
به سمت زمین می کشد.
ویسکوزیته یا گران روی مایع: غلظت مایع را بیان می کند. سرعت ته نشین شدن ذرات با میزان
گران روی مایع نسبت معکوس دارد. هرچه میزان گران روی یا همان ویسکوزیته مایع بیشتر باشد
سرعت ته نشین شدن ذرات درون مایه کمتر است.
را از طریق بالا ɡ قوانین فیزیک رفتار ذرات را درون مایع پیش بینی می کنند، اما اگر ما نیروی
بردن سرعت گریز از مرکز افزایش دهیم چه اتفاقی برای ذرات خواهد افتاد. دستگاه گریز از مرکز یا
همان سنتریفیوژ می تواند با بالا بردن نیروی جی سرعت جدا سازی ذرات را از مایع بیشتر نماید،
فرایند سنتریفیوژ میتواند عمل جدا سازی ذرات جامد را از مایع تا 2000 برابر سریعتر از فرایند ته
نشینی انجام دهد.
وقتی جسمی در حال گردش حول محوری باشد نیروی کشش آن از میزان یک جی در مرکز گردش
به حداکثر نیروی جی جسم مورد نظر در محیط مسیر گردش خواهد رسید. پس هرچه شعاع و قطر
مسیر گردش بیشتر باشد مقدار نیروی جی بیشتر خواهد بود، همچنین مقدار نیروی جی وارد شده
به جسم تابعی از مجذور عده دوران می باشد. لذا داریم.

"G" Force=Diameter × RPM2 ×0.0000142
در این فرمول قطر مسیر گردش که در سنتریفیوژ همان قطر باول یا استوانه است بر حسب اینچ
منظور می گردد.
مثال: اگر قطر باول سنتریفیوژی 41 اینچ باشد و عده دوران آن 0523 دور بر دقیقه باشد.
"G" Force = 14 × (3250)2×0.0000142=2100
ماگزیمم نیروی جی که تولید می شود 5433 جی خواهد بود.
در این حالت اگر ذره ای برای جدا شدن از مایع با روش ته نشین شدن به 02 ساعت زمان نیاز
داشته باشد، در سنتریفیوژی با شرایط بالا ظرف زمان فقط یک دقیقه از مایع مذکور جدا خواهد
شد. به عبارت دیگر اگر ذره فوق یک دقیقه تحت تاثیر نیروی 5433 جی قرار بگیرد از مایع جدا
خواهد شد.
چنانچه نیروی جی بیشتری در دسترس باشد به زمان کمتری برای جدا سازی ذره از مایع نیاز می
باشد. لذا نتیجه می گیریم که دو عامل در فرایند جدا سازی با سنتریفیوژ تاثیر بسزایی دارند، افزایش
نیروی جی و زمان ماندن تحت تاثیر این نیرو که از این ببعد به نام زمان نگهداری یا زمان ماندگاری
از آن یاد خواهد شد.

قطر باول و سرعت گردش باول دو عامل موثر بر میزان نیروی جی هستند. هرچه قطر باول زیادتر
باشد میزان نیروی جی بر روی محیط باول بیشتر است. و هرچه سرعت یا عده دوران باول بیشتر
باشد میزان نیروی جی بیشتر خواهد بود.

حجم استخر و نرخ فرایند نیز دو عامل تاثیر گذار بر روی زمان ماندگاری می باشند که لازم است
در رابطه با آنها توضیحاتی ارائه شود.
حجم استخر در واقع حجم قسمتی از باول سنتریفیوژ است که می تواند مقداری مایع را درون خود
نگه دارد یا به عبارت دیگر مقدار مایعی است که در هر لحظه درون باول می باشد و واحد اندازه
گیری آن گالن می باشد. چنانچه حجم استخر زیاد باشد زمان بین لحظه ورود مقدار مشخصی از
مایع به درون استخر و لحظه خروج همان قسمت از مایع از درون استخر زیادتر خواهد شد. پس در
واقع حجم استخر با زمان نگهداری نسبت مستقیم دارد

نرخ فرایند به معنی مقدار مایعی است که در واحد زمان از درون سنتریفیوژ و در واقع از درون
حوضچه تحت تاثیر نیروی جی عبور می کند و واحد آن گالن بر دقیقه GPM است. هرچه این نرخ
بیشتر باشد میزان مایعی که از درون حوضچه تحت تاثیر نیروی جی عبور میکند بیشتر می باشد و
در نتیجه مایع زمان کمتری تحت تاثیر نیروی گریز از مرکز قرار می گیرد، یعنی زمان ماندگاری
کمتر خواهد شد. پس در واقع نرخ فرایند با زمان نگهداری نسبت غیر مستقیم دارد.

نیروی جی و زمان نگهداری قابل تنظیم می باشند و ذراتی که از مایع جدا می شوند بسته به اندازه
ای که دارند متاثر از آنها می باشند.
در واقع نیروی جی بیشترین تاثیر را بر ذراتی دارد که دارای وزن مخصوص بیشتری باشند و در
مرحله بعد در بین ذراتی با وزن مخصوص یکسان بیشترین تاثیر را بر ذراتی دارد که از همه بزرگتر
باشند.

مقدار نیروی جی با زمان لازم برای ته نشین شدن ذرات نسبت معکوس دارد یعنی چنانچه نیروی
جی افزایش یابد زمان لازم برای ته نشین شدن کاهش می یابد و در صورت کاهش نیروی جی زمان
لازم برای ته نشین شدن افزایش می یابد. همانطور که با توجه به نقاط برخورد نمودار زمان ماندگاری
و زمان ته نشین شدن مشخص است با افزایش نیروی جی نقطه برخورد قرمز رنگ به سمت چپ
انتقال پیدا می کند که بیان کننده کمتر شدن اندازه ذرات می باشد یعنی با نیروی جی افزایش
یافته می توان ذراتی با اندازه های کوچک تر را از مایع جدا نمود. و چنانچه این نیرو کاهش یابد
نقطه قرمز رنگ به سمت راست انتقال می یابد که بیان کننده افزایش اندازه ذرات می باشد یعنی با
کاهش نیروی جی دیگر نمی توان ذرات ریزتر را جدا سازی نمود.

تنظیمات گوناگونی برای تغییر مقدار نیروی جی و زمان ماندگاری به منظور به حد اکثر رساندن
راندمان جدا سازی ذرات جامد از مایع در دسترس است.
با توجه به اینکه قطر باول سنتریفیوژ را نمی توان تغییر داد لازم است قبل از تهیه سنتریفیوژ به
این موضوع توجه کرد و با توجه به این پارامتر نسبت به تهیه سنتریفیوژ اقدام نمود.
با افزایش سرعت چرخش باول می توان نیروی جی را افزایش داد.
در رابطه با روش های تغییر زمان ماندگاری ابتدا باید وارد مبحثی تحت عنوان اختلاف دور بین باول
و کانویور شد که از این به بعد از آن به عنوان دیفرنشیال یاد خواهد شد.

وقتی گل وارد باول سنتریفیوژ می شود بر اثر نیروی گریز از مرکز به جدارۀ داخلی باول می چسبد
و در همین هنگام ذرات ریز معلق در گل که دارای وزن مخصوص بیشتری نسبت به دیگر اجزای
تشکیل دهنده گل دارند بر اثر نیروی گریز از مرکز یا همان نیروی جی مصنوعی تولید شده توسط
سنتریفیوژ از دیگر اجزای تشکیل دهنده گل جدا شده و به جدارۀ داخلی باول می چسبد و تشکیل
یک لایۀ جامد بر روی جدارۀ داخلی باول می دهد و فاز مایع باقی مانده از گل در فاصله ای نزدیک
تر از مرکز باول قرار می گیرد، با سپری شدن زمان ضخامت لایه چسبیده به جداره داخلی باول
بیشتر می شود.
تا اینجا عمل جدا سازی ذرات جامد از فاز مایع انجام شد. حال بایست لایه چسبیده به جداره را از
طرفی و فاز مایع را از طرفی دیگر خارج نمود تا ضمن جلو گیری از افزایش ضخامت لایه تشکیل
شده و تراکم بیش از حد آن که میتواند فشار بسیار زیادی را به سنتریفیوژ تحمیل نماید، بتوان کار
سنتریفیوژ را تداوم بخشید.
برای عملی شدن این مهم، قطعه بزرگ مارپیچی درون باول تعبیه شده که به آن کانویور
که به معنی انتقال دهنده است می گویند. وظیفۀ این مارپیج یا کانویور همانطور که Conveyor
از اسمش بر می آید انتقال لایه جامد چسبیده به جداره داخلی باول به یک طرف و به منظور هدایت
آن به بیرون است. خود باول از دو قسمت عمده تشکیل شده که یکی کاملا استوانه ای و دیگری به
صورت مخروطی شکل می باشد. کانویور ذرات جامد چسبیده به جداره داخلی باول را به سمت
قسمت مخروطی هدایت می نماید تا در انتهای این قسمت از روزنه هایی که در اطراف باول تعبیه
شده به بیرون پرتاب شود. مایع نیز به طرف انتهای قسمت استوانه ای باول رفته تا از روزنه های
قابل تنظیمی که بر روی پیشانی باول قرار گرفته اند خارج شود.

لازم به ذکر است که کانویور به همراه باول و در جهت گردش آن می چرخد ولی سرعت گردش آن
با سرعت گردش باول اختلاف دارد. بدیهی است چنانچه این اختلاف وجود نداشته باشد داخل باول
با ذرات جامد انباشته شده و سنتریفیوژ سریعا پلاگ می شود لذا وجود اختلاف بین سرعت باول و
کانویور اجتناب ناپذیر است. این اختلاف را که در سنتریفیوژ بسیار حائز اهمیت است دیفرنشیال
می نمامند. Differential
در اکثر سنتریفیوژها سرعت گردش کانویور از باول کمتر است و جهت گردش تیغه کانویور به دور
محور آن به گونه ای است که به علت کمتر بودن سرعت گردش کانویور از باول باعث هدایت ذرات
جامد به سمت انتهای قسمت مخروطی باول می شود.
دور باول و دیفرنشیال در بعضی از سنتریفیوژها ثابت بوده و در بعضی دیگر قابل تنظیم می باشند
مدل اخیر سنتریفیوژها برای بیرون راندن ذرات بسیار ریز از درون گل کارایی دارند و سنتریفیوژهایی
که دارای دور و دیفرنشیال ثابتی هستند بیشتر برای بیرون راندن ذراتی از گل استفاده می شوند
که دارای وزن مخصوصی مشخص و معمولا زیادی باشند، مثل باریت.

یکی از راه های تغییر زمان ماندگاری، تغییر
دادن مقدار دیفرنشیال می باشد که این امر فقط در سنتریفیوژهایی قابل اجرا می باشد که دارای
دور و دیفرنشیال قابل تغییر باشند

در واقع با تغییر دیفرنشیال سرعت خروج جامدات از درون باول به بیرون تغییر می کند. با کم کردن
دیفرنشیال سرعت خروج جامدات از درون باول به بیرون کمتر می شود و این بدان معنا است که
جامدات زمان بیشتری را درون باول و تحت تاثیر نیروی جی می مانند و این موضوع باعث متراکم
شدن جامدات می شود. در چنین شرایطی ذرات جامد دفع شده از سنتریفیوژ خشک تر می شوند
و این یعنی بالا رفتن راندمان سنتریفیوژ.
راه دیگر تغییر دادن زمان ماندگاری یا زمان نگهداری تغییر عمق استخر باول می باشد یعنی پوشاندن
روزنه های پیشانی باول که مخصوص خروج مایع از درون باول به بیرون می باشند بوسیله قطعاتی
که معمولا شرکت های سازنده همراه با سنتریفیوژ به مشتری تحویل می دهند و در ابعاد و اندازه
های مختلفی ارائه می شوند. این قطعات را با نام هایی از قبیل "دم" Dam یا "نیمه ماه" Half moon می شناسند.

باول سنتریفیوژ به همراه چهار عدد روزنه مخصوص خروج
مایع که نزدیک به محیط باول تعبیه شده اند نمایان است. استخر این باول به علت اینکه نیمه ماه
یا دم بر روی روزنه هایش نصب نشده است فاقد عمق می باشد و توانایی نگهداری مایع را در درون
خود ندارد در حالی که در تصویر سمت راست روزنه ها دارای نیمه ماه هستند لذا استخر این باول

دارای عمقی به اندازه مشخص شده در تصویر می باشد. چنین باولی توانایی نگهداری مایع را در
درون خود دارد.
هرچه پهنای نیمه ماه های نصب شده بر روی روزنه ها بیشتر باشد عمق استخر بیشتر بوده و در
واقع زمان نگهداری یا ماندگاری مایع در درون باول بیشتر می باشد پس زمان ماندگاری با عمق
استخر نسبت مستقیم دارد.
روش بعدی تغییر زمان ماندگاری یا زمان نگهداری تغییر نرخ فرایند Processing rate می باشد.
یعنی تغییر مقدار گل پمپ شده در واحد زمان به سنتریفیوژ که این امر با ایجاد تغییر در سرعت
پمپ مخصوص تغذیه سنتریفیوژ میسر می باشد. هرچه پمپ مخصوص تغذیه سنتریفیوژ مقدار مایع
بیشتری به سنتریفیوژ ارسال نماید زمان ماندگاری یا زمان نگهداری کمتر بوده و هرچه پمپ فوق
مقدار مایع کمتری به سنتریفیوژ ارسال نماید زمان ماندگاری بیشتر می باشد و می توان چنین
نتیجه گرفت که زمان ماندگاری با نرخ فرایند نسبت معکوس دارد.
در واقع تنظیمات پنجگانه ای برای افزایش و یا کاهش راندمان سنتریفیوژ در دسترس است که به
قرار زیر می باشند.
اول سرعت دوران باول: با افزایش سرعت دوران یا گردش باول مقدار نیروی جی تولید شده افزایش
می یابد.
دوم مقدار دیفرنشیال: کاهش مقدار دیفرنشیال زمان ماندگاری ذرات جامد تحت تاثیر نیروی جی
را افزایش داده و باعث متراکم و خشک تر شدن ذرات جامد خارج شده از سنتریفیوژ می شود.
سوم نرخ فرایند یا مقدار مایعی که پمپ می شود که به عنوان فلو ریت پمپ Pump follow rate نیز معرفی میشود: کاهش سرعت پمپ و در واقع کاهش مقدار مایع پمپ شده به سنتریفیوژ
زمان ماندگاری و راندمان سنتریفیوژ را افزایش می دهد.
چهارم عمق استخر Pool depth : افزایش عمق استخر، زمان ماندگاری و راندمان سنتریفیوژ را در
پی خواهد داشت.

پنجم موقعیت لوله خوراک دهنده Feed tube : گل توسط یک لوله فلزی و از سمت قسمت
مخروطی وارد سنتریفیوژ می شود، )البته در بعضی سنتریفیوژها این لوله از سمت مخالف وارد شده
است که در اینجا مد نظر نمی باشد(، هرچه این لوله درون سنتریفیوژ جلوتر باشد گل در نقطه ای
دورتر از روزنه های مخصوص خروج ذرات جامد وارد باول می شود و در واقع باعث افزایش زمان
خروج ذرات جامد از درون سنتریفیوژ شده و بالا رفتن راندمان سنتریفیوژ را در پی خواهد داشت.
اما باید موارد خاصی را در نظر داشت. هرچه مکان وارد شدن گل به درون باول به محل خروج ذرات
جامد نزدیک تر باشد به همان اندازه این مکان از محل خروج مایع دورتر است. یعنی هرچه زمان
ماندگاری برای ذرات جامد جدا شده از گل کمتر باشد این زمان برای گل باقی مانده در باول بیشتر
می باشد یعنی درست است ذرات جامدی که خارج می شوند خیس بوده و مقداری مایع به همراه
جامدات خارج می شود و تنها از نقطه نظر مقدار گل بازیافتی و گل هدر رفته راندمان سنتریفیوژ
کاهش می یابد ولی از طرفی باعث افزایش مقدار ذرات جدا شده از گل می شود. ولی بطور کل از
آنجایی که جابجایی موقعیت لوله خوراک دهنده تاثیر ناچیزی دارد معمولا از جابجایی موقعیت لوله
فوق صرف نظر می شود.
مورد دیگری که باید به آن توجه نمود موضوع دیفرنشیال می باشد که با کاهش آن در واقع زمان
ماندگاری ذرات جامد زیاد می شود و این یعنی افزایش راندمان سنتریفیوژ از نقطه نظر مقدار گل
هدر رفته و یا مقدار گل بازیافت شده و تاثیری بر مقدار ذرات جدا شده از گل ندارد چرا که تاثیری
بر زمان ماندگاری گل ندارد و تنها عمق استخر و نرخ فرایند است که بر مقدار ذرات جدا شده از
گل موثر است.