Статический смеситель с профильными слоями

 

Изобретение относится к статическому смесителю и может использоваться для смешения фаз с различной плотностью. Смеситель содержит профильные слои, расположенные в кольцевом пространстве и включающие взаимно пересекающиеся наклонные каналы. На участках поверхности, образующих канал, между наружным и внутренним краем гофры выполнены диагональные сгибы. Текучая смесь транспортируется в осевом направлении при осуществлении смешивания. Каждый слой расположен вдоль поверхности, которая образует замкнутую периферию, расположенную поперечно оси. Каждый слой содержит каналы, которые расположены с внутренней или наружной стороны слоя на одинаковом по длине расстоянии от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каждый канал накладывает азимутальный скоростной компонент на текучую смесь, проходящую по ним, который имеет одинаковое значение для всех эквивалентных каналов. Технический результат состоит в улучшении смешивания текучей смеси, состоящей из фаз с различной плотностью. 10 з.п. ф-лы, 10 ил.

Изобретение относится к статическому смесителю с профильными слоями и к использованию смесителя такого типа.

В статических смесителях жидкости, проходящие через стационарные установки, гомогенизируют с помощью этих установок. Существует большое количество разнообразных конструктивных форм. В большинстве статических смесителей установки встроены в форме одинаковых элементов, размещенных в трубе или канале. При этом они расположены таким образом, что гомогенизация компонентов, которые должны быть смешаны, осуществляется по всему поперечному сечению трубы. Известны также статические смесители, в которых установки в каждом случае выполнены в кольцевом пространстве между двумя концентричными стенками. В обзорной статье "Статические смесители и их применение" (М.Н. Пауль, Е. Мушелькнаус; Хим.-Инж.-Техн., 52 (1980), 4, стр. 285-291) описан смеситель такого типа (фиг.1е), в котором в каждом случае группы из четырех скрученных дефлекторных тарелок закреплены попеременно слева и справа на цилиндрическом внутреннем корпусе.

Известен (см. европейскую публикацию патент ЕР-А 0697374 (=Р.6642) статический смеситель с кольцевым пространством, в котором гофрированные слои образуют структуру перекрещивающихся каналов с наклонными открыто перекрещивающимися каналами для потоков. Слои плоские и расположены параллельно направлению основного потока.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является статический смеситель с профильными слоями, расположенными в кольцевом пространстве и содержащими взаимно пересекающиеся каналы, наклоненные относительно центральной оси, по которым проходит текучая смесь в осевом направлении при смешивании, причем каждый слой расположен вдоль поверхности, которая образует по существу замкнутую окружность, расположенную поперек центральной оси, и каждый слой содержит подобные каналы, которые расположены на внутренней или наружной стороне слоя на приблизительно одинаковом расстоянии от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каждый канал накладывает азимутальный скоростной компонент на жидкую смесь, проходящую по нему, который имеет по существу одинаковое значение для всех подобных каналов (SU 1212533 А, кл. В 01 F 5, 23.02.86).

Существуют проблемы, связанные с гомогенизацией жидкостей, для устранения которых смесители с кольцевым пространством особенно пригодны. Например, при бурении нефтяной скважины и/или скважины для добычи природного газа выполняют канал в виде кольцевого пространства, который остается открытым между обсадной трубой и буровой штангой. Материал, который высвобождается буровой головкой и который может содержать текучую смесь из жидкостей (воды, нефти) и газов, поступает в осевом направлении через кольцевое пространство. На глубине и на расстоянии по вертикали от залежей множество скважин такого типа как правило отклоняются от вертикального направления и в направление, в котором скважина проходит горизонтально в экстремальном случае. Как правило, скважины такого типа бурят так, чтобы они отклонялись от центральной скважины в сторону периферии зоны месторождения, из которой ведут добычу природного газа и/или нефти. При транспортировке добываемого материала из отдельных скважин обычно поступают смеси материалов различного качества. Для наблюдения за качеством предусмотрены устройства мониторинга, которые можно размещать в скважинах внизу на глубине залежей. С помощью датчиков в устройствах мониторинга можно определять соотношение фаз (нефти, воды и/или газа) текучей смеси.

Для того чтобы обеспечить репрезентативные показания измерений, необходимо, чтобы при наблюдении за качеством различные фазы текучей смеси, имеющие различную плотность, проходили через зоны измерения, где размещены датчики, при одинаковом их распределении. Таким образом, элементы статического смесителя должны быть встроены в зону гомогенизации, которая расположена перед устройством мониторинга. Так как фазы с различной плотностью разделены в горизонтальной или наклонной трубе, то статический смеситель должен быть выполнен таким образом, чтобы в существенной степени обеспечить разделение такого типа или, если он уже установлен, изменить распределение на противоположное. Такую способность в основном не имеют известные смесители с кольцевым пространством.

Задачей изобретения является создание статического смесителя для текучей смеси, которая состоит из фаз с различной плотностью и которую нужно транспортировать в осевом направлении через кольцевое пространство, причем смеситель должен быть таким, чтобы ось кольцевого пространства была расположена горизонтально или наклонно.

Технический результат достигается посредством создания статического смесителя с профильными слоями, расположенными в кольцевом пространстве и содержащими взаимно пересекающиеся каналы, наклоненные относительно центральной оси, по которым проходит текучая смесь в осевом направлении при смешивании, причем каждый слой расположен вдоль поверхности, которая образует по существу замкнутую окружность, расположенную поперек центральной оси, и каждый слой содержит подобные каналы, которые расположены на внутренней или наружной стороне слоя на приблизительно одинаковом расстоянии от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каждый канал накладывает азимутальный скоростной компонент на жидкую смесь, проходящую по нему, который имеет по существу одинаковое значение для всех подобных каналов, при этом каждый участок поверхности слоя, расположенный между наружным и внутренним сгибом гофры и имеющий форму, приближенную к параллелограмму, выполнен со сгибом по диагональной линии.

Предпочтительно кольцевое пространство может быть ограничено по крайней мере одной кольцевой цилиндрической поверхностью. Кольцевое пространство может быть также ограничено по крайней мере одной внутренней поверхностью обсадной трубы и наружной поверхностью внутренней трубы.

В указанном статическом смесителе слои могут быть расположены в множестве смесительных элементов, установленных один за другим в осевом направлении, а зазоры, свободные от элементов, расположены между всеми или отдельными смесительными элементами при длине зазора предпочтительно меньшей пятикратной ширины кольцевого пространства в радиальном направлении.

Слои могут быть выполнены путем гофрирования полос металла, и каждая гофрированная полоса выполнена в форме цилиндра, причем гофрирование предпочтительно выполнено таким образом, чтобы стенки каналов прилегали одна к другой по краям полос, которые расположены в осевом направлении. При этом каждый слой занимает приблизительно одинаковую площадь, а количество слоев равно двум.

Предпочтительно статический смеситель может включать дополнительные смесительные элементы, имеющие радиальные профильные слои, расположенные между всеми или отдельными смесительными элементами. При этом по крайней мере два элемента смесителя расположены один за другим, смещены один относительно другого в азимутальном направлении так, что имеются проходы из внутренних к наружным каналам или наоборот, из наружных к внутренним каналам соответственно, в точке соединения смесительных элементов между слоями, которые расположены рядом в осевом направлении.

Предпочтительно текучая смесь может состоять из фаз с различной плотностью, при этом может быть предусмотрена одна или более групп смесительных элементов, которые содержат в каждом случае множество одинаковых смесительных элементов, расположенных один за другим последовательно, а центральная ось смесителя образует угол наклона с соответствующей горизонтальной плоскостью, который меньше 90^o и который в экстремальном случае составляет 0^o.

Статический смеситель может быть выполнен с возможностью установки в скважине для добычи нефти и/или природного газа, в которой кольцевое пространство снабжено установками из статического смесителя и устройством мониторинга текучей смеси, которая проходит по кольцевому пространству, при этом оно снабжено средствами для измерения фазовых компонентов текучей смеси.

Далее изобретение будет описано со ссылками на чертежи, на которых изображено: на фиг. 1 - два концентричных слоя смесителя в соответствии с изобретением, которые образуют структуру пересекающихся каналов; на фиг.2 - часть поперечного сечения смесителя, выполненного в соответствии с изобретением; на фиг.3 - часть гофрированной фольги, используемой для образования слоя смесителя, выполненного в соответствии с изобретением; на фиг. 4 - вид фольги, показанной на фиг.3, перед гофрированием, на котором изображены линии сгиба; на фиг. 5 - конфигурация с множеством смесительных элементов, которые образуют смеситель, выполненный в соответствии с изобретением; на фиг.6 - смесительный элемент, выполненный в соответствии с известным техническим решением, который содержит радиальные слои структуры пересекающихся каналов; на фиг.7 - очень упрощенный вид конфигурации, представленной на фиг.5; на фиг.8 - 10 - дополнительные конфигурации.

На фиг.1 и 2 показан наклонный вид слоев и поперечное сечение, относящиеся к смесителю, выполненному в соответствии с изобретением, с двумя концентричными слоями 1 и 2. Два слоя 1 и 2, которые образуют смесительный элемент 30, если их брать вместе, расположены в кольцевом пространстве 3 между обсадной трубой 10 и внутренней трубой 20. На фиг.1 показаны центральная ось z и угол ϕ (азимут). На фиг.2 показана ширина слоев 1 и 2, обозначенных буквами "а" и "b" соответственно, а кольцевые поверхности - буквами "А" и "В" соответственно. Слои 1, 2 образуют структуру пересекающихся каналов с открытыми пересекающимися каналами 14 и 24 для потоков, в которых происходит смешивание. Каналы 14' и 24', которые расположены снаружи, накладывают азимутальную переориентацию. Каждый слой 1, 2 расположен по поверхности, которая образует замкнутую окружность, расположенную поперечно к оси z. Каналы 14, 14', 24 и 24' соответственно образуют в каждом случае подобные каналы. Они расположены с внутренней или наружной стороны слоя 1, 2 вдоль одинаковых по длине расстояний от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каналы накладывают азимутальные скоростные компоненты 40 и 41 соответственно на текучую смесь, проходящую по ним, которые являются по существу одинаковыми по величине для всех подобных каналов. Когда центральная ось z направлена горизонтально, смесь газа и жидкости входит в виде частично разделенных фаз в смесительный элемент 30. Благодаря компонентам 40 и 41 азимутальной скорости газовая фаза направляется вниз, жидкая фаза - вверх так, что происходит смешивание двух фаз. Неоднородность сильно снижается благодаря компонентам 40 и 41 азимутальной скорости.

Слои 1, 2 не обязательно должны быть полностью замкнутыми вдоль их окружности. Достаточно, чтобы слои были выполнены из полос, которые имеют форму цилиндров, и чтобы края полос, которые расположены в осевом направлении, в каждом случае образовывали соединение. Вместо соединения может быть зазор или нахлест. Листовой материал может быть также уложен между слоями 1, 2 так, чтобы каналы 14, 24 не пересекались открыто. В этом случае текучая смесь разделяется каналами на различно направленные частичные потоки; смешивание происходит после выхода из смесительного элемента 30.

Слои 1, 2 могут быть выполнены путем гофрирования полос материала. При этом каждой такой гофрированной полосе придают форму цилиндра, который полностью или почти полностью, но исключая узкую открытую полосу, замкнут у бокового соединения, которое расположено в осевом направлении. Профили слоев 1, 2 могут быть выполнены таким образом, чтобы стенки каналов прилегали друг к другу около бокового соединения.

На фиг.3 показан отрезок гофрированной фольги Г, который является частью слоя 1 смесителя, выполненного в соответствии с изобретением. Эта же фольга (1') в негофрированном виде показана на фиг.4. Между наружным краем 11 гофры (показанным двумя линиями) и внутренним краем 12 гофры (показанным двумя линиями) расположен участок поверхности 16, имеющий приблизительно форму параллелограмма, у которого боковые стороны, образованные краями 11 и 12 гофры, только приблизительно параллельны друг другу. Диагональная линия сгиба 6 (показана одиночной линией) выполнена на этом участке поверхности 16. Линия сгиба 6 делит участок поверхности 16 на два треугольника 16а и 16b, которые расположены между краями 11 и 6 или 12 и 6 соответственно. Благодаря диагональной линии сгиба 6 два треугольника 16а и 16b выполнены плоскими. Другая диагональ участка поверхности 16 может также быть выбрана в качестве линии сгиба.

При правильном выборе размеров, которые могут быть вычислены или определены с использованием методов начертательной геометрии, полоса 1' на фиг.4 может быть изогнута таким образом, чтобы края 12 контактировали с цилиндрической поверхностью 5 (например, поверхностью внутренней стенки 20 на фиг. 2) на окружности 50 в точках 15. Каждый край 12 пересекается с окружностью 50 под одинаковым углом. Свободные края 13 слоя 1 и окружность 50 лежат в параллельных плоскостях (не показано), относительно которых ось z расположена перпендикулярно. В негофрированном виде (см. фиг.4) свободные края 13 образуют зигзагообразную линию.

В гофрированном виде имеется зазор у края 13 между краями 12 гофр и цилиндрической поверхностью 5, ширина которого, измеренная перпендикулярно цилиндрической поверхности 5, обозначена буквой "с" на фиг.3. Чем меньше высота h слоя 1, тем меньше зазор с. Высоту h нужно выбирать такой большой, чтобы края 11 и 12 гофр слоев 1 и 2 соответственно пересекались по крайней мере дважды, чтобы слои 1, 2 можно было соединить друг с другом в точках пересечения. Упомянутый зазор, имеющий ширину "с", должен быть как можно меньше, и, как следствие, высота h должна быть небольшой. В варианте выполнения на фиг. 1 это не этот случай. Благодаря этому сужение слоя 1 очень заметно. Сужение практически всегда имеет место, однако оно должно быть менее отчетливым, чем на фиг. 1. При соответствующем выборе ширины "а" слоя и угла наклона краев 11, 12 гофр может быть определена идеальная высота h.

Для достижения эффективного смешивания большое количество смесительных элементов 31, 32, 33, которые имеют небольшую высоту h, расположены один за другим в осевом направлении (см. фиг.5). Для того чтобы было также возможно смешивание в радиальном направлении, могут быть вставлены смесительные элементы 7, которые содержат радиальные слои 71, 72, подобным же образом образующие структуру пересекающихся каналов (см. фиг.6). Смесительные элементы 7 такого типа уже известны.

Если смеситель, выполненный в соответствии с изобретением, содержит по крайней мере два смесительных элемента 31, 32, которые расположены один за другим, то они могут быть расположены со смещением по азимуту относительно друг друга. В месте соединения 80 (см. фиг.5) смесительных элементов 31, 32 имеются проходы из внутренних в наружные каналы или наоборот из наружных во внутренние каналы соответственно между слоями 1, которые расположены рядом в осевом направлении. В конструкции такого типа жидкость проходит из наружных во внутренние каналы и наоборот.

На фиг.7-10 показаны внешние виды четырех различных конфигураций, причем конфигурация на фиг.7 соответствует конфигурации, представленной на фиг.5. На фиг.8 показана конфигурация, в которой зазоры 8 между соседними смесительными элементами 31-33 оставлены открытыми. В этих зазорах 8 может происходить смешивание в радиальном направлении. Предпочтительно, чтобы длина зазора 8 была в пять раз меньше, чем радиальная ширина кольцевого пространства 3.

На фиг. 9 представлена конфигурация, в которой дополнительно размещены смесительные элементы 7, выполненные в соответствии с фиг.6. На фиг.10 показана конфигурация 10, в которой соседние смесительные элементы 31, 32' или 32', 33 в каждом случае имеют наклон каналов в противоположном направлении в соответствующих слоях 1 или 2 (сравните фиг.1, 5).

Очевидно, что более двух слоев 1, 2 может быть расположено в смесительном элементе 30. Их количество предпочтительно должно быть одинаковым, особенно тогда, когда желательно, чтобы общий угловой момент транспортируемой текучей среды был по существу равен нулю. Чтобы этот суммарный угловой момент в большой степени исчезал, требуется, чтобы было равное количество слоев, чтобы слои занимали подповерхности в поперечном сечении кольцевого пространства, которые имели по крайней мере приблизительно одинаково большие области для каждого слоя. В примере на фиг.2 ширины "а" и "b" слоев должны быть выбраны так, чтобы кольцевые поверхности А и В имели равные размеры.

В примерных вариантах исполнения, представленных на фигурах, показаны статические смесители с каналами, поперечное сечение которых имеет треугольную форму. Профили слоев могут также быть волнообразными или могут иметь другую форму, например поперечное сечение каналов может быть трапецеидальным.

Смеситель согласно изобретению может быть использован при осевом транспортировании текучей смеси по кольцевому пространству 3, если текучая смесь 4, которую нужно транспортировать, состоит из фаз с различной плотностью. В смесителе может быть установлена одна или больше групп смесительных элементов, которые содержат в каждом случае множество одинаковых элементов смесителя, расположенных один за другим. Центральная ось z может быть расположена под углом относительно горизонтальной плоскости, меньшим 90^o, и в экстремальном случае равным даже 0^o.

Использование смесителя согласно изобретению особенно подходит для нефтяных и газовых скважин. При таком использовании кольцевое пространство скважины снабжают установками статических смесителей, которые размещают в установке мониторинга, причем устройство мониторинга предусмотрено для текучей смеси, которая проходит по кольцевому пространству для того, чтобы выполнять измерения фазовых компонентов текучей смеси.

Примерами дополнительных возможных применений могут быть следующие варианты: a) смешивание двух текучих сред в кольцевом пространстве, когда по крайней мере одну из текучих сред подают таким образом, что отсутствует равномерное распределение концентрации по окружности во время входа в кольцевое пространство,
b) тепловое выравнивание в газовой турбине перед подачей рабочих газов на лопатки турбины,
c) проведение химической реакции, например сгорания, на поверхности смесителя, который несет каталитически активное вещество в случае, когда реакция должна быть проведена в кольцевом пространстве.

Формула изобретения

1. Статический смеситель с профильными слоями, расположенными в кольцевом пространстве и содержащими взаимно пересекающиеся каналы, наклоненные относительно центральной оси, по которым проходит текучая смесь в осевом направлении при смешивании, причем каждый слой расположен вдоль поверхности, которая образует по существу замкнутую окружность, расположенную поперек центральной оси, и каждый слой содержит подобные каналы, которые расположены на внутренней или наружной стороне слоя на приблизительно одинаковом расстоянии от первого до второго поперечного сечения кольцевого пространства так, что каждый канал накладывает азимутальный скоростной компонент на жидкую смесь, проходящую по нему, который имеет по существу одинаковое значение для всех подобных каналов, при этом каждый участок поверхности слоя, расположенный между наружным и внутренним сгибом гофры и имеющий форму, приближенную к параллелограмму, выполнен со сгибом по диагональной линии.

2. Статический смеситель по п.1, в котором кольцевое пространство ограничено по крайней мере одной кольцевой цилиндрической поверхностью.

3. Статический смеситель по п.2, в котором кольцевое пространство ограничено по крайней мере одной внутренней поверхностью обсадной трубы и наружной поверхностью внутренней трубы.

4. Статический смеситель по п.1 или 2, в котором слои расположены в множестве смесительных элементов, установленных один за другим в осевом направлении, а зазоры, свободные от элементов, расположены между всеми или отдельными смесительными элементами при длине зазора предпочтительно меньшей пятикратной ширины кольцевого пространства в радиальном направлении.

5. Статический смеситель по п.4, который включает дополнительные смесительные элементы, имеющие радиальные профильные слои, расположенные между всеми или отдельными смесительными элементами.

6. Статический смеситель по любому из пп.1-5, в котором слои выполнены путем гофрирования полос материала и каждая гофрированная полоса выполнена в форме цилиндра, причем гофрирование предпочтительно выполнено таким образом, чтобы стенки каналов прилегали одна к другой по краям полос, которые расположены в осевом направлении.

7. Статический смеситель по любому из пп.1-6, в котором каждый слой занимает приблизительно одинаковую площадь.

8. Статический смеситель по п.7, в котором количество слоев равно двум.

9. Статический смеситель по любому из пп.1-8, в котором по крайней мере два элемента смесителя расположены один за другим, при этом они смещены один относительно другого в азимутальном направлении так, что имеются проходы из внутренних к наружным каналам или наоборот, из наружных к внутренним каналам соответственно, в точке соединения смесительных элементов между слоями, которые расположены рядом в осевом направлении.

10. Статический смеситель по любому из пп.5-9, в котором текучая смесь состоит из фаз с различной плотностью, при этом предусмотрена одна или более групп смесительных элементов, которые содержат в каждом случае множество одинаковых смесительных элементов, расположенных один за другим последовательно, а центральная ось (z) смесителя образует угол наклона с соответствующей горизонтальной плоскостью, который меньше 90° и который, в экстремальном случае, составляет 0°.

11. Статический смеситель по п.10, который выполнен с возможностью установки в скважине для добычи нефти и/или природного газа, в которой кольцевое пространство снабжено установками из статического смесителя и устройством мониторинга текучей смеси, которая проходит по кольцевому пространству, при этом оно снабжено средствами для измерения фазовых компонентов текучей смеси.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10