СТАТИЧЕСКИЕ СМЕШИВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА И СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА
STATIC MIXING DEVICES AND METHOD OF PRODUCTION

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
Настоящая заявка испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/555,875, поданной 8 сентября 2017 г., содержание которой включено в настоящий документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение в целом относится к смешиванию текучих сред и, более конкретно, к неподвижным или статическим смешивающим устройствам для смешивания текучих сред и способу производства статического смешивающего устройства.
[0002] Статические смешивающие устройства широко используются в различных применениях для перемешивания или перевода в текучую среду многокомпонентных смесей, а также для способствования химической реакции, теплопередаче и/или массообмену потоков текучих сред. Ряд статических смешивающих устройств, как правило, располагают конец-к-концу в пределах трубы или другого канала, по которому текут многокомпонентные смеси или потоки текучих сред, при этом смежные статические смешивающие устройства повернуты друг относительно друга на заранее выбранный угол вокруг продольной оси канала.
[0003] В одном распространенном типе статического смешивающего устройства используются две или более решеток из перекрещивающихся элементов наподобие лопастей, которые расположены так, чтобы пересекаться друг с другом под заранее выбранным углом, а также чтобы располагаться под углом к продольной оси канала. Перекрещивающиеся элементы в каждой решетке находятся друг от друга на расстоянии, соответствующем ширине перекрещивающихся элементов пересекающейся решетки, так что перекрещивающиеся элементы пересекающихся решеток чередуются друге другом и находятся в боковом контакте друг с другом в точках пересечения. Эти контактирующие перекрещивающиеся элементы, как правило, представляют собой индивидуальные элементы, которые должны удерживаться на месте, а затем сварены вместе в точках пересечения для их скрепления между собой.
[0004] Создание пересекающихся решеток статических смешивающих устройств путем сваривания индивидуальных контактирующих перекрещивающихся элементов между собой является затратным по времени и трудоемким процессом. Более того, в применениях, таких как смешивание полимеров, где статическое смешивающее устройство подвергается сильным падениям давления, эти сварные соединения на боковых кромках перекрещивающихся элементов подвергаются высоким нагрузкам, которые могут вызывать разрушение сварных соединений с течением времени. В патенте США №5,435,061 раскрыт один подход по упрощению процесса создания путем использования процесса литья металла для формирования частей или подузлов статического смешивающего устройства. Подузлы затем соединяют между собой для формирования статического смешивающего устройства. Несмотря на то, что в этом процессе уменьшено количество сварных соединений, необходимых для создания статического смешивающего устройства, остается потребность в процессе создания статических смешивающих устройств, который повысил бы прочность статических смешивающих устройств за счет уменьшения количества сварных соединений, но также не требовал бы литья подузлов.
РАСКРЫТИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0005] В одном аспекте настоящее изобретение направлено на подузел статического смешивающего устройства, указанный подузел содержит: первую решетку, образованную первым набором находящихся на расстоянии и параллельно проходящих отклоняющих лопастей; второй набор находящихся на расстоянии и параллельно проходящих отклоняющих лопастей, которые чередуются со и перекрещиваются со вторым набором отклоняющих лопастей под заранее выбранным углом, каждая из смежных чередующихся отклоняющих лопастей в первом и втором наборах имеет противоположные концы и боковые кромки, боковые кромки имеют неразрезанные части, которые соединяют смежные чередующиеся отклоняющие лопасти вдоль поперечной полосы, где перекрещиваются отклоняющие лопасти, и разрезанные части, которые проходят от неразрезанных частей к противоположным концам отклоняющих лопастей, каждая отклоняющая лопасть во второй решетке имеет изогнутую часть, которая располагает сегменты отклоняющей лопасти на противоположных сторонах неразрезанной части в смещенных плоскостях; третью решетку, образованную третьим набором находящихся на расстоянии и параллельно проходящих отклоняющих лопастей; и четвертый набор находящихся на расстоянии и параллельно проходящих отклоняющих лопастей, которые чередуются с и перекрещиваются с третьим набором отклоняющих лопастей под заранее выбранным углом, каждая из смежных чередующихся отклоняющих лопастей в третьем и четвертом наборах имеет противоположные концы и боковые кромки, боковые кромки имеют неразрезанные части, которые соединяют смежные чередующиеся отклоняющие лопасти вдоль поперечной полосы, где перекрещиваются отклоняющие лопасти, и разрезанные части, которые проходят от неразрезанных частей к противоположным концам отклоняющих лопастей, каждая отклоняющая лопасть в четвертой решетке имеет изогнутую часть, которая располагает сегменты отклоняющей лопасти на противоположных сторонах неразрезанной части в смещенных плоскостях. Один из концов по меньшей мере некоторых из отклоняющих лопастей в первом наборе является неразрезанным и соединен с неразрезанным концом отклоняющих лопастей в третьем наборе вдоль обратного изгиба, который выравнивает первую и вторую решетки отклоняющих лопастей с третьей и четвертой решетками отклоняющих лопастей.
[0006] В другом аспекте изобретение направлено на подузел статического смешивающего устройства, указанный подузел содержит: первую решетку, образованную первым набором находящихся на расстоянии параллельно проходящих плоских отклоняющих лопастей; второй набор находящихся на расстоянии параллельно проходящих плоских отклоняющих лопастей, которые чередуются со и перекрещиваются со вторым набором отклоняющих лопастей под внутренним углом в пределах диапазона от 45 до 135 градусов, каждая из смежных чередующихся отклоняющих лопастей в первом и втором наборах имеет противоположные концы и линейные боковые кромки, боковые кромки имеют неразрезанные части, которые соединяют смежные чередующиеся отклоняющие лопасти вдоль поперечной полосы, где перекрещиваются отклоняющие лопасти, и разрезанные части, которые проходят от неразрезанных частей к противоположным концам отклоняющих лопастей, каждая отклоняющая лопасть во второй решетке имеет изогнутую часть, которая располагает сегменты отклоняющей лопасти на противоположных сторонах неразрезанной части в смещенных плоскостях; третью решетку, образованную третьим набором находящихся на расстоянии параллельно проходящих плоских отклоняющих лопастей; и четвертый набор находящихся на расстоянии параллельно проходящих плоских отклоняющих лопастей, которые чередуются с и перекрещиваются с третьим набором отклоняющих лопастей под внутренним углом в пределах диапазона от 45 до 135 градусов, каждая из смежных чередующихся отклоняющих лопастей в третьем и четвертом наборах имеет противоположные концы и линейные боковые кромки, боковые кромки имеют неразрезанные части, которые соединяют смежные чередующиеся отклоняющие лопасти вдоль поперечной полосы, где перекрещиваются отклоняющие лопасти, и разрезанные части, которые проходят от неразрезанных частей к противоположным концам отклоняющих лопастей, каждая отклоняющая лопасть в четвертой решетке имеет изогнутую часть, которая располагает сегменты отклоняющей лопасти на противоположных сторонах неразрезанной части в смещенных плоскостях, которые параллельны друг другу. Один из концов по меньшей мере некоторых из отклоняющих лопастей в первом наборе является неразрезанным и соединен с неразрезанным концом отклоняющих лопастей в третьем наборе вдоль обратного изгиба, который выравнивает первую и вторую решетки отклоняющих лопастей с третьей и четвертой решетками отклоняющих лопастей. Один из концов каждой из отклоняющих лопастей во втором наборе находится на расстоянии от и выровнен с одним из концов каждой из отклоняющих лопастей в четвертом наборе. Первая, вторая, третья и четвертая решетки имеют по меньшей мере одну сторону, которая имеет такую форму, чтобы соответствовать изогнутой продольной плоскости.
[0007] Еще в одном аспекте изобретение направлено на статическое смешивающее устройство, содержащее подузлы статического смешивающего устройства, в котором соединенные между собой неразрезанные концы отклоняющих лопастей в первом и третьем наборах в одном из статических смешивающих подузлов соединены с указанными находящимися на расстоянии и выровненными концами отклоняющих лопастей во втором и четвертом наборах в смежном статическом смешивающем подузле.
[0008] Еще в одном дополнительном аспекте изобретение направлено на способ производства статического смешивающего устройства, включающий этапы: резки и сгибания листа материала для образования множества статических смешивающих подузлов; и соединения смежных статических смешивающих подузлов между собой путем соединения неразрезанных концов отклоняющих лопастей в первом и третьем наборах в одном из смежных статических смешивающих подузлов с находящимися на расстоянии и выровненными концами отклоняющих лопастей во втором и четвертом наборах в другом из смежных статических смешивающих подузлов.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0009] На сопроводительных чертежах, которые образуют часть раскрытия и на которых подобные ссылочные обозначения используются для обозначения подобных компонентов на различных видах:
[00010] Фиг. 1 представляет собой вид сбоку в перспективе статического смешивающего устройства, созданного в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения и показанного с фрагментарной частью канала;
[00011] Фиг. 2 представляет собой вертикальный вид сбоку статического смешивающего устройства и канала, показанных на Фиг. 1;
[00012] Фиг. 3 представляет собой вид сверху статического смешивающего устройства и канала, показанных на Фиг. 1 и 2;
[00013] Фиг. 4 представляет собой вид сбоку в перспективе одного варианта реализации подузла статического смешивающего устройства;
[00014] Фиг. 5 представляет собой вид сбоку в перспективе подузла статического смешивающего устройства, взятый с противоположной стороны относительно вида, показанного на Фиг. 4;
[00015] Фиг. 6 представляет собой вертикальный вид с торца двух подузлов статических смешивающих устройств перед соединением между собой;
[00016] Фиг. 7 представляет собой вид сбоку в перспективе второго варианта реализации подузла статического смешивающего устройства, в котором предусмотрены отверстия в отклоняющих лопастях;
[00017] Фиг. 8 представляет собой вертикальный вид спереди заготовки с рядом линий сгиба и резания, которая может быть использована для формирования подузла статического смешивающего устройства; и
[00018] Фиг. 9 представляет собой вид в перспективе заготовки, показанной на Фиг. 8.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[00019] Переходя более подробно к чертежам и сначала к Фиг. 1-3, в целом, позицией 10 обозначен один вариант реализации статического смешивающего устройства, и он показан внутри цилиндрического канала 12, через который предполагается протекание и смешивание друг с другом потоков текучей среды при их прохождении через статическое смешивающее устройство 10. Статическое смешивающее устройство 10 занимает поперечное сечение канала 10. Несмотря на то, что изображено только одно статическое смешивающее устройство 10, обычно множество статических смешивающих устройств 10 расположено конец-к-концу внутри канала 12, при этом смежные статические смешивающие устройства 10 повернуты друг относительно друга вокруг продольной центральной оси канала 12.
[00020] Статическое смешивающее устройство 10 содержит пересекающиеся решетки 14 и 16, состоящие из перекрещивающихся элементов в форме находящихся на расстоянии и параллельных отклоняющих лопастей 18 и 20 соответственно. Решетки 14 и 16, а также отдельные отклоняющие лопасти 18 и 20, перекрещиваются друге другом под внутренним углом, который в одном варианте реализации может находиться в диапазоне от 45 до 135 градусов, а в другом варианте реализации может находиться в диапазоне от 60 до 120 градусов. Решетки 14 и 16, а также отклоняющие лопасти 18 и 20, также расположены под углом относительно продольной центральной оси канала 12, который, как правило, составляет половину угла между ними.
[00021] Отклоняющие лопасти 18 в каждой из решеток 14 чередуются с и перекрещиваются с отклоняющими лопастями 16 в каждой из связанных пересекающихся решеток 16. Отклоняющие лопасти 18 и 20 могут быть выполнены в форме прямоугольных полос за исключением того, что отклоняющие лопасти 18 и 20, которые расположены наиболее близко ко внутренней поверхности канала 12, имеют такую форму, чтобы соответствовать форме внутренней поверхности канала 12. Отклоняющие лопасти 18 могут быть плоскими, а отклоняющие лопасти 20 могут иметь два плоских сегмента 20а и 20b, которые расположены в смещенных плоскостях за счет изогнутой части 20с. Смещенные плоскости могут быть параллельны друг другу.
[00022] Отклоняющие лопасти 18 в пределах каждой решетки 14 имеют противоположные концы 22 и 24, а также противоположные боковые кромки 26 и 28. Подобным образом, отклоняющие лопасти 20 в пределах каждой решетки 16 имеют противоположные концы 30 и 32, а также противоположные боковые кромки 34 и 36. Боковые кромки 26, 28 и 34, 36 отклоняющих лопастей 18 и 20 соответственно включают неразрезанные части, которые соединяют смежные чередующиеся отклоняющие лопасти 18 и 20 вдоль поперечной полосы 38, где отклоняющие лопасти 18 и 20 перекрещиваются друг с другом. Эта поперечная полоса 38 создает крепкое цельное соединение между смежными отклоняющими лопастями 18 и 20, которое проходит по всей ширине каждой решетки 14 и 16, а также исключает необходимость в расположении и последующей сварки или ином соединении отдельных отклоняющих лопастей 18 и 20 между собой. Боковые кромки 26, 28 и 34, 36 включают разрезанные части, которые проходят от неразрезанных частей к противоположным концам 22, 24 и 30, 32 отклоняющих лопастей 18 и 20 соответственно.
[00023] Изогнутая часть 20с, которая располагает сегменты 20а, 20b отклоняющей лопасти 20 в смещенных плоскостях, может иметь форму S-образного изгиба 40, который включает в себя поперечную полосу 38. Как можно увидеть на Фиг. 3, S-образный изгиб 40 сокращает продольную длину отклоняющих лопастей 20 относительно продольной длины отклоняющих лопастей 18, тем самым создавая щелевидные отверстия 42 между концами 30, 32 смежных отклоняющих лопастей 18 в осевой проекции сплошной поверхности статического смешивающего устройства 10. Подразумевается, что эти отверстия 42 и S-образный изгиб 40 в отклоняющих лопастях 20 способствуют смешиванию потоков текучей среды, когда они текут через статическое смешивающее устройство 10.
[00024] В каждой паре пересекающихся решеток 14 и 16 конец 24 каждой отклоняющей лопасти 18 является неразрезанным и соединен с подобным неразрезанным концом 22 одной из отклоняющих лопастей 18 в другой из пересекающихся пар решеток 14 и 16 вдоль обратного изгиба 44, который выравнивает одну из пар пересекающихся решеток 14 и 16 с другой из пар пересекающихся решеток 14 и 16 для формирования подузла 46 статического смешивающего устройства, как показано на Фиг. 4 и 5. В другом варианте реализации конец 24 лишь некоторых из отклоняющих лопастей 18 является неразрезанным и соединен с подобным неразрезанным концом 22 одной из отклоняющих лопастей 18 в другой из пересекающихся пар решеток 14 и 16 вдоль обратного изгиба 44 для формирования подузла 46 статического смешивающего устройства.
[00025] Соединенные между собой неразрезанные концы 24 и 22 отклоняющих лопастей 18 создают крепкое цельное соединение, которое исключает необходимость в расположении и последующей сварке концов 24 и 22 отдельных отклоняющих лопастей 18 между собой. Каждая отклоняющая лопасть 18 показана как имеющая один разрезанный конец 22 или 24. В другом варианте реализации разрезанный конец 22 или 24 заменен неразрезанным концом 22 или 24, который затем соединяется с неразрезанным концом 22 или 24 отклоняющих лопастей 18 в еще одной из пересекающихся пар решеток 14 и 16 вдоль другого из обратных изгибов 44, так что три пересекающиеся пары решеток 14 и 16 выровнены между собой. Дополнительные пересекающиеся пары решеток 14 и 16 могут быть соединены таким образом.
[00026] В одном варианте реализации подузла 46 статического смешивающего устройства конец 32 каждой отклоняющей лопасти 20 в решетке 16 находится на расстоянии от конца 30 продольно выровненной отклоняющей лопасти 20 в смежной решетке 16 для создания зазора 48. Как изображено на Фиг. 6, зазор 48 может иметь такие размеры, чтобы принимать по меньшей мере некоторую часть обратного изгиба 44 на неразрезанных концах 22, 24 отклоняющих лопастей 18 в другом из подузлов 46 статического смешивающего устройства таким образом, что концы 32, 30 отклоняющих лопастей 20 могут быть приварены или иным образом прикреплены к неразрезанным концам 22, 24 отклоняющих лопастей 18 для соединения двух подузлов 46 статического смешивающего устройства между собой. Дополнительные подузлы 46 статического смешивающего устройства могут быть соединены между собой таким образом.
[00027] В некоторых вариантах реализации, как показано на Фиг. 7, некоторые или все отклоняющие лопасти 18 и/или некоторые или все отклоняющие лопасти 20 могут иметь отверстия 50, которые обеспечивают возможность прохождения частей потоков текучей среды через отклоняющие лопасти 18 и/или 20 для способствования смешиванию потоков текучей среды.
[00028] Переходя теперь к Фиг. 8 и 9, изображена заготовка 52 в форме плоского листа материала, такого как металл или сплав, из которой изготовлен один из подузлов 46 статического смешивающего устройства. Заготовка 52 была разрезана для формирования разрезанных концов 22, 24 и разрезанных частей сторон 26, 28 отклоняющих лопастей 18, а также разрезанных концов 30, 32 и разрезанных частей сторон 34, 36 отклоняющих лопастей 20. S-образные изгибы 40, подлежащие формированию в отклоняющих лопастях 20, и обратные изгибы 44, подлежащие формированию между концами 24 и 22 смежных в продольном направлении отклоняющих лопастей 18 обозначены пунктирными линиями. После резки плоского листа материала для формирования заготовки 52 формируют подузел 46 статического смешивающего устройства путем сгибания заготовки 52 в местах S-образных изгибов 40 и обратных изгибов 44. За счет того, что боковые смежные отклоняющие лопасти 18 и 20 соединены между собой за одно целое в неразрезанных частях своих сторон 26, 28 и 34, 36 вдоль поперечной полосы 38, и того, что смежные в продольном направлении отклоняющие лопасти 18 соединены между собой за одно целое в своих неразрезанных концах 22, 24 вдоль обратного изгиба 44, подузел 46 статического смешивающего устройства формируется в виде цельного элемента без какой-либо потребности в сварке отдельных отклоняющих лопастей между собой. Это дает высокопрочный подузел 46 статического смешивающего устройства, который может быть изготовлен более быстро и менее дорого, чем было бы необходимо в противном случае, если бы отклоняющие лопасти 18 и 20 должны были быть сварены между собой. Подобным образом, статическое смешивающее устройство 10 может быть быстро собрано из подузлов 46 статического смешивающего устройства с минимальной необходимостью в сварке.
[00029] Из вышеизложенного станет ясно, что настоящее изобретение является хорошо адаптируемым для достижения всех вышеизложенных конечных целей и задач вместе с другими преимуществами, которые присущи конструкции.
[00030] Следует понимать, что некоторые признаки и подкомбинации могут быть использованы и реализованы, не ссылаясь на другие признаки и подкомбинации. Это предусмотрено объемом изобретения и находится в его пределах.
[00031] Поскольку может быть реализовано множество возможных вариантов реализации изобретения без выхода за рамки его объема, следует понимать, что весь объект, изложенный в настоящем документе или показанный на сопроводительных чертежах, следует интерпретировать в иллюстративном, а не в ограничивающем смысле.