Струйный смеситель

Полезная модель относится к смесительным устройствам для смешивания потоков жидкости и может быть использована в химической, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности.
В настоящее время для смешивания жидкостей разной плотности и склонных к расслоению состава широко используются кавитационные устройства и вихревые смесители различных конструкций.
Известны кавитационные устройства (патенты US 3743250, 4043539), имеющие множество отклоняющих поток приспособлений для образования вихревого потока с разделением его на части и последующим объединением. Для формирования кавитационных струй, например, в многокамерных устройствах предусмотрены средства для создания разных давлений в камерах, в результате чего пузырьки жидкости на выходе из одной камеры схлопываются в другой камере (US 5971601). В кавитационном устройстве RU 2202406, выполненном в виде трубы с внутренней трубчатой перегородкой, кавитаторы из пластин размещены в кольцевой полости и внутри центральной трубы, а вихревая камера установлена на входе.
Известны вихревые смесители, состоящие из двух коаксиально расположенных труб с закручивающими устройствами с противоположными направлениями закрутки во внутренней трубе и межтрубном пространстве (RU 2414283), либо снабженные закручивающим устройством и перфорированной диафрагмой (RU 2091144).
Общим недостатком указанных устройств является невысокая их эффективность и качество получаемой смеси.
Известен смеситель RU 1375305, конструктивно и функционально приближенный к заявляемому объекту, который имеет корпус с патрубками ввода смешиваемого компонента и рабочего агента и кольцевые коллекторы с тангенциально направленными отверстиями и тангенциально направленными соплами, которые ориентированы в противоположную сторону относительно отверстий.
К недостаткам известного устройства относятся невысокая степень диспергирования рабочего агента и интенсивность перемешивания жидкостей для получения однородного состава.
Наиболее близким к заявляемому устройству по технической сущности и достигаемому результату является смеситель, включающий цилиндрический корпус с входными и выходным патрубками. В корпусе последовательно по направлению движения потока соосно установлены вихревая камера смешиваемого компонента с тангенциальными каналами и вихревая камера рабочего агента с тангенциальными каналами, выполненная в виде цилиндра с цилиндрическими отверстиями или в виде гиперболоида вращения. На выходе корпуса выполнена успокоительная камера в виде набора пластин (RU 2189851, МПК B01F 3/04, опубл. 27.09.2002) - прототип.
Недостатки прототипа связаны с невысокой степенью диспергирования смешиваемого компонента и эффективностью перемешивания жидкостей для получения качественной смеси. Недостаточная интенсивность процесса перемешивания обусловлена тем, что часть энергии в прототипе затрачивается на внутреннее трение в недостаточно перемешанных потоках. В зоне контакта направленных навстречу друг другу противоположно вращающихся потоков трение оказывает тормозящее влияние на всю массу потоков жидкостей разной плотности, что снижает эффективность перемешивания. Процесс перемешивания характеризуется нестабильностью и неустойчивостью равновесия противодействующих потоков, т.к. при разностях скоростей один поток отжимает другой от выхода, а продукты химической реакции смешиваемых жидкостей, например растворов смол и кислот, вступающих в реакцию полимеризации, залипают на внутренней поверхности корпуса.
Задача, положенная в основу полезной модели, заключается в создании устройства, обеспечивающего повышение производительности и эффективности перемешивания.
Технический результат заключается в увеличении интенсивности диспергирования взаимодействующих фаз и равномерности их распределения с получением гомогенной структуры смеси без дополнительных энергозатрат.
Технический результат достигается тем, что в струйном смесителе, включающем цилиндрический корпус, в котором входной патрубок воды установлен перпендикулярно входному патрубку нефти и выходному патрубку смеси, расположенных на центральной оси корпуса, последовательно по направлению движения потока установленные соосно вихревая камера смешиваемого компонента - нефти, вихревая камера рабочего агента - воды, выполненные с тангенциальными каналами, и успокоительная камера в виде радиальных колец, согласно предлагаемому техническому решению вихревая камера нефти представляет собой параболоид вращения, вихревая камера воды выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения более вытянутой формы, чем параболоидная вихревая камера нефти, тангенциальные каналы выполнены спиралевидными и имеют одинаковое направление закрутки потока, вихревая камера нефти снабжена конусообразной перегородкой, вершина которой направлена навстречу потоку нефти, и направляющими  поток перегородками спиралевидной формы. Кроме того, вихревая камера смешиваемого реагента - нефти имеет четыре канала спиралевидной формы.
Полезная модель струйного смесителя поясняется на примере перемешивания нефти с водой и сопровождающими чертежами, на которых представлены фиг. 1 - общий вид струйного смесителя; фиг. 2 - расположение тангенциальных спиралевидных каналов в вихревой камере смешиваемого компонента, сечение А-А на фиг. 1; фиг. 3 - расположение тангенциальных каналов в вихревой камере рабочего агента, сечение Б-Б на фиг. 1.
Струйный смеситель состоит из цилиндрического корпуса 1, в котором последовательно по направлению движения потока установлены соосно вихревая камера 2 смешиваемого компонента - нефти, вихревая камера 3 рабочего агента - воды, и успокоительная камера 4 в виде радиальных колец. Вихревая камера 2 нефти представляет собой параболоид вращения, снабженный тангенциальными спиралевидными каналами 5. Вихревая камера 3 воды с тангенциальными каналами 6 выполнена в виде усеченного эллипсоида вращения, т.е. более вытянутой формы, чем параболоидная вихревая камера 2 нефти. Тангенциальные каналы 5 и 6 вихревых камер 2 и 3 имеют одинаковое направление закрутки потока. Вихревая камера 2 нефти снабжена конусообразной перегородкой 7, вершина которой направлена навстречу потоку нефти. Входной патрубок 8 нефти и выходной патрубок 9 смеси расположены на центральной оси корпуса 1 смесителя, а входной патрубок 10 воды - перпендикулярно ей. Внутри вихревая камера 2 нефти снабжена направляющими поток перегородками 11, имеющими спиралевидную форму. Работа струйного смесителя осуществляется следующим образом. Смешиваемый компонент - поток нефти подается в корпус 1 смесителя через патрубок 8, и за счет конусообразной перегородки 7, вершина которой направлена навстречу потоку, направляется к периферии корпуса 1. Нефть, проходя по периферийному сечению корпуса 1 смесителя за счет направляющих поток перегородок 11, получает направленное вращательное движение, затем, проходя по тангенциальным спиралевидным каналам 5, дополнительно закручивается, образуя периферийные и центральный вихри в вихревой камере 2. Направляющие поток перегородки 11 также имеют спиралевидную форму. Благодаря этому поток нефти плавно закручивается перед входом в тангенциальные спиралевидные каналы и создает минимальное сопротивление.
Рабочий агент - поток воды, подаваемый в корпус 1 смесителя через патрубок 10, проходя по тангенциальным каналам 6 в вихревую камеру 3, закручивается в том же направлении, что и поток нефти. В эллипсоидной вихревой камере 3 воды, имеющей меньший диаметр и вытянутую форму, поток воды закручивается сильнее, способствуя созданию акустического волнового поля. Активизированные потоки из вихревых камер 2 и 3 устремляются навстречу друг другу. При соударении закрученных в одну сторону и направленных друг к другу струй происходит дополнительная усиленная раскрутка двух потоков, обеспечивающая интенсификацию процесса с равномерным распределением воды в нефти и гомогенным смесеобразованием. Затем жидкость устремляется к выходу из смесителя, где, ударяясь о радиальные кольца успокоителя 4, домешивается при стабилизации потока и выводится через выходной патрубок 9.
Положительный эффект предлагаемой полезной модели струйного смесителя достигается при различном выполнении в виде тел вращения вихревых камер и направлений их тангенциальных каналов, выполнения тангенциальных каналов вихревой камеры нефти спиралевидной формы, наличия направляющий поток перегородок спиралевидной формы, т.е. в объеме первого независимого пункта формулы полезной модели, однако оптимальный результат достигается совокупностью всех указанных признаков в формуле. Увеличение количества тангенциальных каналов вихревых камер (в камере 2 для нефти - от 4 до 8, в камере 3 для воды - от 2 до 4) также способствует повышению равномерности распределения потоков в смесителе, увеличению интенсивности диспергирования взаимодействующих фаз.
Таким образом, достигается интенсивность диспергирования взаимодействующих потоков, и равномерность их распределения с получением гомогенной структуры смеси за счет части потенциальной энергии потоков в трубопроводах без дополнительных затрат.