Устройство смешения жидкости и газа
LIQUID AND GAS MIXING DEVICE

Изобретение относится к нефте-газодобывающей и перерабатывающей промышленности, в частности к системам, в которых происходит смешение жидких и газообразных потоков.
Устройство смешения по своему назначению призвано решать две базовые задачи: смешение в заданных пропорциях и смешение с максимальным перемешиванием (гомогенизацией) потоков.
Задача смешения в заданных пропорциях решается путем управления параметрами подачи потоков: сечение подводящих трубок, давление подачи потоков, в частности, при помощи регулирующих клапанов.
Проблема максимального перемешивания, диспергации и гомогенизации смеси решается при помощи сложной геометрии пространства области смешения и максимального использования турбулентного характера течения смеси.
Наиболее ярко проблема смешения в заданной пропорции и гомогенизации потока представлена для сред с большим контрастом плотности, вязкости и большим значением поверхностного натяжения на границах. В частности, потоки в жидком и газообразном фазовых состояниях испытывают естественную сегрегацию в гравитационном поле Земли на характерных коротких временах, сопоставимых с общим временем перемешивания. Характерное время расслоения потоков падает степенным образом в зависимости от среднего диаметра пузырьков, глобул, порождаемых в процессе смешения.
Известно классическое устройство смешения типа тройника. На его вход поступают смешиваемые потоки, и в зависимости от диаметра подводящих трубопроводов и давлений потоков на выходе устройства получают компаундированный поток с различной парциальной долей. Данный тип устройств решает одну из задач смешения, а именно получение смесей в заданных пропорциях.
h
Как известно, наиболее эффективным механизмом диспергации/перемешивания является гидродинамическая турбулентность скоростных потоков. Базовым безразмерным параметром, характеризующим степень турбулентности, является число Рейнольдса, . Так, при протекании в трубах переход в турбулентный режим происходит при характерных числах Рейнольдса более 2000. При заданном расходе потока число Рейнольдса, а с ним и турбулентность, изменяется обратно пропорционально характерному гидравлическому диаметру D. При этом средняя скорость потока растет как , а характерный размер диспергации пузырьков/глобул в потоке согласно Левичу (Физико-химическая гидродинамика, стр 452, Физматлит, Москва, 1959 г.) прямо пропорционален поверхностному натяжению на границе фаз и обратно пропорционален квадрату скорости потока  Таким образом, при прочих равных условиях, уменьшение диаметра сечения, например в 4 раза, приводит к повышению средней дисперсности смешиваемых сред в 256 раз. В практическом плане это равносильно переходу от характерных линейных размеров пузырьков/глобул порядка нескольких миллиметров к масштабу микрометров. При должной степени гомогенности подобные смеси являются, зачастую, метастабильными и демонстрируют аномально высокие времена расслоения - порядка часов или суток, что заметно превышает характерные времена технологических процессов, частью которых является процесс образования смеси.
Принцип смешения на основе скоростных потоков плохо приспособлен для сред с высокой эффективной вязкостью. К таким, в частности, могут относиться сыпучие твердые материалы, включая бытовые отходы, поступающие на переработку. Стандартным решением проблемы перемешивания/смешения в данном случае являются устройства со сложной (лабиринтной) геометрией движения потока(ов). Кроме того, наличие в распределенной гидравлической сети смешения потоков источников значительной вариации противодавлений, приводящих к пульсациям расходов, способно заметно снизить стабильность работы устройства смешения. Эффект изменения внешних технологических параметров потоков может быть в значительной степени компенсирован при помощи автоматической системы регулирования потоков. Однако поведение системы для части технологических режимов, включая переходные и пограничные, в значительной степени будет зависеть от внутренних характеристик и конструктивных особенностей устройства смешения. В данном случае различные комбинации струйного принципа и принципа функциональной геометрии могут приводить к принципиально различным по своим характеристикам, но внешне весьма похожим устройствам.
Из уровня техники известен смеситель жидкостей и газов (патент РФ №2333789, МПК B01F3/04, опубликовано 20.09.2008 г.), содержащий торообразную камеру смешения, входные и выходной патрубки, подсоединенные к камере смешения по касательной. Подачу продуктов по входным патрубкам производят по одному направлению относительно вращения часовой стрелки, а выход смеси по выходному патрубку производят в противоположном направлении относительно вращения часовой стрелки. Скоростной закрученный характер течения в тороидальной камере смешения обеспечивает естественный механизм перемешивания входящих потоков.
Недостатком данной конструкции является сложность в изготовлении торовой камеры, в особенности с использованием потоков с высоким давлением, ограниченная управляемость процессом смешения, который регулируется только величиной напора на входе, а также низкая эффективность смешения при однопроходном проведении процесса.
Известен прямоточный вихревой смеситель (Патент РФ №2414283, МПК B01F 5/00, опубликовано 20.03.2011 г.), содержащий две коаксиально расположенные цилиндрические трубы, внутренняя из которых короче внешней, однозаходные закручивающие устройства, установленные во внутренней трубе и межтрубном пространстве, а также штуцеры для ввода компонентов и вывода смеси. Входные патрубки смешиваемых компонентов, расположенные на торцевой части внутренней трубы, и патрубок для вывода смеси из межтрубного пространства находятся с одной стороны устройства, а с другой стороны торцевая часть внешней трубы смесителя герметично закрыта. Закручивающие устройства во внутренней трубе и в межтрубном пространстве могут иметь разные направления закрутки.
Недостатком данной конструкции является сложность изготовления закручивающего устройства в межтрубном пространстве аппарата.
Известен цилиндрический смеситель (Патент JP №2003144881, МПК B01F 5/00, опубликовано 20.05.2003 г.), состоящий из цилиндрической камеры, один торец которой изолирован заглушкой, а другой оборудован присоединительным фланцем. Один из потоков поступает в смеситель через перфорации присоединительного патрубка, проходящего по оси цилиндрическую камеры. Другой поток подается через подводящий патрубок, присоединенный тангенциально к цилиндрической камере. Также тангенциально присоединен отводящий патрубок выходящей смеси. Подобная геометрия позволяет использовать принцип кручения одного из потоков и диспергацию скоростным потоком впрыска через перфорации другого потока в качестве комбинированного механизма перемешивания.
Недостатком данной конструкции является ограничение на степень диспергации потоков, связанный с тем фактом, что при повышении угловой скорости кручения потока в цилиндрической камере должен проявиться эффект центробежной сепарации. Кроме того, динамический режим смешения потоков принципиально не отличается от случая тройника-смесителя, т.е. поддержание заданного расхода потоков через устройство требует постоянного точного контроля давлений в подводящих патрубках.
Задачей изобретения является обеспечение стабильной работы системы смешения в условиях естественного уровня пульсаций давлений входящих и выходящих потоков в открытых гидравлических сетях при минимальном уровне управляющих воздействий; достижение максимальной степени диспергации выходного потока метастабильной многофазной смеси.
Техническим результатом изобретения является повышение стабильности и качества работы устройства смешения разнофазных потоков, а также повышение технологичности изготовления устройства.
Поставленная задача решается и технический результат достигается с помощью устройства смешения жидкости и газа, содержащего осевую цилиндрическую камеру смешения и расположенные концентрически вокруг нее внутренний и внешний цилиндрические корпуса, причем осевая цилиндрическая камера смешения и внутренний цилиндрический корпус скреплены между собой и с внешним цилиндрическим корпусом посредством внутренних фланцев, на одном конце внешнего цилиндрического корпуса выполнен внешний фланец для присоединения к трубопроводу подачи жидкости, а на другом его конце выполнен внешний фланец для отвода смеси, на боковой поверхности камеры смешения выполнены щелевые просечки, к внешнему цилиндрическому корпусу присоединен по касательной внешний патрубок для подачи газа, а внешний и внутренний цилиндрические корпуса соединены по касательной внутренним патрубком.
Согласно изобретению между камерой смешения и внутренним цилиндрическим корпусом размещен регулируемый клиновой затвор, выполненный в виде попарно сопряженных внутренних и внешних конических колец, прикрепленных к внешней поверхности осевой цилиндрической камеры смешения и внутренней поверхности внутреннего цилиндрического корпуса соответственно.
Согласно изобретению во внешнем патрубке для подачи газа установлена пористая керамическая мембрана.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где представлена принципиальная схема устройства смешения жидкости и газа в разрезе.
Устройство смешения врезается в трубопровод подачи жидкости (на чертеже не обозначено) и содержит осевую цилиндрическую камеру смешения 1 и расположенные концентрически вокруг нее внутренний 2 и внешний 3 цилиндрические корпуса. Осевая цилиндрическая камера смешения 1, внутренний 2 и внешний 3 цилиндрические корпуса скреплены между собой посредством внутренних фланцев 4. На одном конце внешнего цилиндрического корпуса 3 выполнен внешний фланец 5 для присоединения к трубопроводу подачи жидкости, а на другом его конце выполнен внешний фланец 6 для отвода смеси, на боковой поверхности осевой цилиндрической камеры смешения 1 выполнены щелевые просечки 7, к внешнему цилиндрическому корпусу 3 присоединен по касательной внешний патрубок 8 для подачи газа, а внешний 3 и внутренний 2 цилиндрические корпуса соединены по касательной внутренним патрубком 9. Между камерой смешения 1 и внутренним цилиндрическим корпусом 2 размещен регулируемый клиновой затвор, выполненный в виде попарно сопряженных внутренних 10 и внешних 11 конических колец, прикрепленных к внешней поверхности камеры смешения 1 и внутренней поверхности внутреннего цилиндрического корпуса 2 соответственно.
Во внешнем входном патрубке 8 для подачи газа установлена пористая керамическая мембрана 12 для предотвращения перетекания потока жидкости в трубопровод подачи газа.
Обвязка устройства смешения (на чертеже не обозначена) включает подводящие трубопроводы потоков жидкости и газа с расходомерами потоков, манометрами, термометрами, регулировочными и обратными клапанами; а также выходной трубопровод полученной смеси с обратным клапаном. Система дополняется по контуру отсекающими задвижками и байпасными линиями для возможности ремонта и замены элементов обвязки с возможностью транспорта одного из потоков.
Устройство работает следующим образом.
Поток жидкости поступает по трубопроводу на вход устройства смешения и по осевой цилиндрической камере смешения 1 движется с высокой скоростью через зону смешения на выход устройства. Поток газа поступает по трубопроводу на вход камеры смешения 1 через внешний патрубок 8 по касательной. Далее по траектории кручения поток газа поступает через внутренний патрубок 9 во внутренний цилиндрический корпус 2 в область смешения двух потоков и далее за счет избыточного давления через щелевые просечки 7 в скоростной поток жидкости. За счет впрыска газа в поток жидкости происходит увеличение общей скорости смеси с понижением статического давления согласно закону Бернулли. Конечная скорость потока смешения на выходе из устройства, таким образом, достигает 100 м/с и обеспечивает высокую степень диспергации смеси. При этом градиент статического давления потока перераспределяет основной объем впрыска газа в направлении выходного сечения, гарантируя тем самым постепенное нарастание скорости потока смеси в области смешения и минимизацию гидравлических потерь. Геометрия кручения потока газа во внутреннем и внешнем цилиндрических корпусах создает определенный запас динамического давления, компенсирующий пульсации внешних технологических параметров. Соосная геометрия внутреннего и внешнего цилиндрических корпусов служит естественным теплообменником, позволяя тем самым выравнивать среднюю температуру потоков жидкости и газа перед зоной смешения. Парциальные доли потоков в смеси регулируются, в общем случае, за счет изменения степени открытия регулировочных клапанов в линии обвязки. Нежелательные противотоки фаз контролируются системой обратных клапанов. Клиновидный затвор служит дополнительным элементом настройки устройства смешения в случае, когда среднее давление газа более чем на 20% превышает таковое по жидкости, а постоянное использование регулировочных клапанов при большом % закрытия является нежелательным. Естественный градиент гидростатических давлений в системе газ-жидкость предполагает центральное осевое положение внешнего входного патрубка 8 и нижнее положение внутреннего патрубка 9 как при горизонтальном, так и при вертикальном подключении устройства смешения.
Предлагаемое устройство предназначено, в первую очередь, для решения проблем динамического смешения потоков в наиболее сложной ситуации, когда объемная парциальная доля потоков варьирует в интервале от 25% до 75%. В этом случае устройство реализует возможность получения однородных (гравитационно) стабильных смесей прямо в коротком процессе смешения без использования дополнительных большеобъемных процессов более длительного активного перемешивания.
Все элементы конструкции состоят из типовых отрезков труб, соединенных сваркой. Деталей, требующих вытачивания на станках с ЧПУ из цельных болванок с выбрасыванием 90% исходного материала в стружку, здесь минимальное количество.
Таким образом, использование предлагаемого изобретения обеспечивает стабильную работу устройства смешения в условиях естественного уровня пульсаций давлений входящих и выходящих потоков в открытых гидравлических сетях при минимальном уровне управляющих воздействий и достижение максимальной степени диспергации выходного потока метастабильной многофазной смеси, а также обеспечивает повышение технологичности изготовления устройства смешения.