СМЕСИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО (ВАРИАНТЫ)
MIXER (VERSIONS)

Устройство относится к нефтяной, нефтеперерабатывающей, нефтехимической и другим отраслям промышленности и может быть использовано для равномерного смешивания взаиморастворяющихся компонентов при их транспортировке по магистральным трубопроводам.
Например, при добыче нефти и газа на объектах их подготовки образуется нестабильный конденсат - широкая фракция легких углеводородов (ШФЛУ). В настоящее время разработана технология и устройство для рационального разделения ШФЛУ на объектах их подготовки на газовую и жидкую фазы. При этом полученная жидкая фаза добавляется в товарную нефть, повышая тем самым содержание бензиновых фракций в нефти, снижая ее вязкость с сохранением давления насыщенных паров в полученной смеси нефти с жидкой фазой ШФЛУ в пределах установленных норм. Однако в реальных условиях количество подаваемой ШФЛУ непрерывно меняется, меняется скорость ее подачи в поток нефти.
При осуществлении операции введения жидкой фазы ШФЛУ непосредственно в трубопровод с товарной нефтью и смешения этих жидких компонентов для получения однородного состава смеси по всему сечению трубопровода при непостоянстве количества подаваемой ШФЛУ, необходимо установить в этом трубопроводе смесительное устройство. Конструкция и расположение такого устройства должны обеспечивать выполнение задачи при любом соотношении смешиваемых компонентов и скоростях их потоков.
Известно устройство для смешивания ньютоновских и неньютоновских жидкостей или сред (патент RU №2375109, кл. B01F 5/06, опубл. 10.12.2009 г., бюл. №34), включающее корпус, патрубки для подачи одной из смешиваемых жидкостей или сред и отвода их смеси, патрубок с перфорацией для подачи второй из смешиваемых жидкостей или сред, при этом патрубки для подачи смешиваемых жидкостей или сред имеют продолжение внутри корпуса и размещаются друг в друге концентрично с помощью центрирующего элемента, образуя смесительную камеру. При этом внутренний патрубок выполнен с заглушенным концом и имеет перфорированный участок, отверстия на перфорированном участке расположены в шахматном порядке, а лепестки центрирующего элемента размещены вне перфорированного участка под углом к вертикальной оси, образуя многозаходную винтовую линию.
Недостаток устройства заключается в том, что его эффективная эксплуатация возможна только при малом зазоре между патрубками смесительной камеры, что приводит к большим потерям энергии, а при больших расходах компонентов смеси потребуется камера с чрезвычайно большими габаритами.
Известно устройство для смешивания двух газов (патент US №5356213, кл. B01F 5/04, от 11.02.1993 г., опубл. 18.10.1994 г.), в полости которого коаксиально его оси установлено сопло с радиальными каналами на цилиндрической части и розетками с лопатками, закрученными в радиальном направлении.
Однако данное устройство применимо только при стабильно большом давлении компонента, подаваемого по внутреннему патрубку. При смешивании вязких жидкостей, таких как, например, нефть и жидкая фаза ШФЛУ, оно не обеспечит их качественное перемешивание при низких давлениях подачи последней.
Известен аппарат для перемешивания жидкостей (патент US №4519423, кл. F16K 19/00, от 08.07.1983 г., опубл. 28.05.1985 г., фиг.2С), включающий корпус для подач одной среды, в полости которого по всей его длине и соосно с ним установлен патрубок с овальными отверстиями для подачи другой среды.
Недостаток тот же, что и у предыдущего устройства.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому решению является смеситель (а.с. SU №1817353, кл. В01F 5/04, от 19.03.1991 г., опубл. 20.03.1996 г.), содержащий корпус, имеющий вход для первой среды, сопло в корпусе для подвода второй среды, выполненное в виде конфузора, сопряженного на выходе с цилиндрическим участком и отверстиями в цилиндрическом участке для подсоса среды из корпуса, и выход для смеси, при этом отверстия для подсоса первой среды из корпуса в сопло выполнены на всей поверхности цилиндрического участка, а конфузор выполнен с отверстиями для выхода второй среды из сопла в корпус смесителя в зону подсоса первой среды из корпуса в сопло.
Недостатком этого смесителя является то, что при такой его конструкции для получения качественного перемешивания жидкостей в периферийной части корпуса смесителя необходимо увеличить длину струи второй жидкости, увеличив скорость ее истечения, что при уменьшении ее расхода приведет к снижению однородности смеси по всему сечению потока.
Целью изобретения является создание устройства для смешения жидких вязких компонентов в потоке, обеспечивающего равномерное распределение вводимого в поток второго жидкого компонента по сечению корпуса смесительного устройства при любом соотношении компонентов смеси.
Поставленная цель достигается тем, что в смесительном устройстве, содержащем корпус, имеющий патрубок для подачи первого жидкого компонента и патрубок для подачи второго жидкого компонента, на котором смонтировано устройство для подачи второго жидкого компонента в корпус смесительного устройства, выполненное с отверстиями на цилиндрическом участке, согласно изобретению по первому варианту устройство для подачи второго жидкого компонента, представляет собой трубу с изогнутым (например, под 90°) концом, к которому крепится распределительная головка, например, с помощью резьбового соединения. Распределительная головка состоит из несущей трубы с одним заглушенным концом и многолучевых, например трех-, четырех-, пяти- и т.д. лучевых дисков, закрепленных на несущей трубе, при этом внутренний диаметр несущей трубы равен внутреннему диаметру подающей трубы. Несущая труба и диски имеют радиальные отверстия, через которые второй жидкий компонент подается на смешение с первым. Диаметр и количество дисков и диаметр отверстий в дисках и в несущей трубе определяются расчетом. Обычно суммарная площадь сечений отверстий больше в 1,2…1,3 и более раз площади проходного сечения подающей трубы, в зависимости от реологических свойств подаваемых жидких компонентов для покрытия разницы суммарных гидравлических сопротивлений на подающих отверстиях.
Диски выполнены разного диаметра с тем, чтобы обеспечить равномерное перемешивание жидких компонентов по всему поперечному сечению корпуса, включая его периферийную часть. С этой же целью лучи каждого последующего диска равномерно смещены относительно лучей предыдущего диска на угол, перекрывающий осевой просвет, что создает многократно повторяющееся изменение направления потока компонентов, последовательно обтекающего лучи дисков с разных сторон. Лучи дисков могут быть установлены как перпендикулярно продольной оси корпуса смесительного устройства, так и под углом до 45° к ней (предпочтительно перпендикулярно). Для исключения поворота дисков относительно несущей трубы может использоваться любой известный способ, например шпоночное или шлицевое соединение, сварка и т.п.; осевого перемещения можно избежать, например, с помощью торцевой прижимной шайбы, гайки с контргайкой и т.п.
По второму варианту устройство для подачи второго жидкого компонента представляет собой трубу с изогнутым (например, под 90°) концом, к которому крепится распределительная головка, например, с помощью резьбового соединения. Распределительная головка состоит из несущей трубы с одним заглушенным концом и с внутренним диаметром, равным внутреннему диаметру подающей трубы, на которой в несколько рядов закреплены сопла, имеющие осевые отверстия, через которые второй жидкий компонент подается на смешение с первым. Количество сопел и диаметр отверстий в них определяются расчетом (аналогично первому варианту). Сопла выполнены разной длины с тем, чтобы обеспечить равномерную подачу второго жидкого компонента и равномерное перемешивание компонентов по всему поперечному сечению корпуса, включая его периферийную часть. Крепление сопел к несущей трубе осуществляется перпендикулярно продольной оси корпуса смесительного устройства либо под углом до 45° к ней любым известным способом, например сваркой, пайкой, на резьбе и т.п. Ряды сопел одинаковой длины смещены относительно предыдущих рядов так, что перекрывают образовавшийся просвет в продольном направлении по всему сечению корпуса, что создает многократно повторяющееся изменение направления потока компонентов, последовательно обтекающего сопла с разных сторон.
При любом варианте исполнения смесительного устройства крепление распределительной головки к подающей трубе консольное, поэтому для исключения ее вибрации и радиального смещения относительно оси корпуса смесительного устройства необходима фиксация ее к корпусу любым доступным способом, например с помощью распорного кольца. Распорное кольцо имеет окна, площадь сечения которых должна быть больше или равна площади поперечного сечения корпуса.
Проходное сечение корпуса (с вычетом площади его перекрытия устройством для подачи второй среды) должно быть больше или равно проходному сечению трубопровода. Таким образом, внутренний диаметр корпуса должен быть больше внутреннего диаметра трубопровода. Соединение корпуса с трубопроводом осуществляется любым известным способом, например с помощью фланцевых соединений, сваркой с применением конических переходов и т.п. Внутренний диаметр патрубка, в котором монтируется устройство для подачи второй жидкости, должен быть достаточным для возможности монтажа подающей трубы.
Основным фактором, приводящим к перемешиванию первого и второго жидкого компонента, поданного в заданных точках корпуса в первый жидкий компонент, является турбулентная диффузия в потоке и искусственно создаваемое перемешивание, образованное лучами и соплами при подаче второго жидкого компонента.
На фиг.1 изображен общий вид смесительного устройства, совмещенный с продольным разрезом, по первому варианту, при этом лучи дисков установлены перпендикулярно продольной оси корпуса смесительного устройства; на фиг.2 - поперечное сечение несущей трубы с дисками и вид на распорное кольцо с торца; на фиг.3 - общий вид смесительного устройства, совмещенный с продольным разрезом, по второму варианту, при этом ряды сопел одинаковой длины установлены под прямым углом к продольной оси корпуса смесительного устройства; на фиг.4 - поперечные сечения несущей трубы с рядам сопел и вид с торца на распорное кольцо; на фиг.5 - развертка наружной поверхности несущей трубы с соплами.
По первому варианту смесительное устройство включает в себя корпус 1 с патрубком 2, врезанный в трубопровод 3, устройство для подачи второго жидкого компонента, состоящее из подающей трубы 4 и распределительной головки, включающей несущую трубу 5, с одним заглушенным концом, и диски 6, закрепленные на несущей трубе 5 при помощи шпонки 7 и торцевой шайбы 8, обеспечивающих заданное положение дисков 6. Торцевая шайба 8 крепится к заглушенному концу несущей трубы 5. К торцевой шайбе 8 прикреплено распорное кольцо 9, фиксирующее распределительную головку относительно корпуса 1. В несущей трубе 5 и в лучах дисков 6 выполнены радиальные отверстия 10, через которые второй жидкий компонент подается на смешение с первым.
По второму варианту смесительное устройство включает в себя корпус 11 с патрубком 12, врезанный в магистральный трубопровод 13, устройство для подачи второго жидкого компонента, состоящее из подающей трубы 14 и распределительной головки, состоящей из несущей трубы 15 с одним заглушенным концом, на которой закреплены сопла 16 с осевыми отверстиями 17, через которые второй жидкий компонент подается на смешение с первым. Распорное кольцо 18 крепится непосредственно к заглушенному концу несущей трубы 15.
По первому варианту смесительное устройство работает следующим образом. В корпус смесительного устройства 1 из трубопровода 3 подают поток первого (транспортирующего) компонента. Через подающую трубу 4, несущую трубу 5 и диски 6 подают в корпус 1 второй жидкий компонент, предназначенный для смешения. При выходе из отверстий 10 дисков 6 второго жидкого компонента происходит переход частиц из одного слоя первого жидкого компонента в другой и интенсивное вихреобразование, что приводит к их смешению. Последовательное увеличение диаметров дисков 6 обеспечивает вихреобразование на разных уровнях, вовлекая в процесс смешения заторможенные частицы первого жидкого компонента в тонком пограничном слое у стенок корпуса 1, а смещение лучей каждого последующего диска относительно предыдущего создает условия для многократно повторяющегося изменения направления движения потока компонентов, последовательно обтекающего лучи дисков с разных сторон, что способствует равномерному смешению компонентов по всему поперечному сечению корпуса 1, даже при уменьшении расхода второго жидкого компонента.
По второму варианту смесительное устройство работает следующим образом. В корпус смесительного устройства 11 из трубопровода 13 подают поток первого (транспортирующего) компонента. Через подающую трубу 14, несущую трубу 15 и сопла 16 подают в корпус 11 второй жидкий компонент, предназначенный для смешения. При выходе из отверстий 17 сопел 16 второго жидкого компонента происходит переход частиц из одного слоя первого жидкого компонента в другой и интенсивное вихреобразование, что приводит к их смешению. Последовательное увеличение длины сопел 16 обеспечивает вихреобразование на разных уровнях, вовлекая в процесс смешения заторможенные частицы первого жидкого компонента в тонком пограничном слое у стенок корпуса 11, а смещение сопел каждого последующего ряда относительно предыдущего создает условия для многократно повторяющегося изменения направления движения потока компонентов, последовательно обтекающего сопла с разных сторон, что способствует равномерному смешению компонентов по всему поперечному сечению корпуса 11, даже при уменьшении расхода второго жидкого компонента.
Использование предлагаемого технического решения упростит и ускорит качественное смешение взаиморастворяемых жидких компонентов и при неравномерной подаче одного из них.