Самотечный дозатор жидкости

 

Изобретение относится к устройствам для дозированного ввода жидкостей в жидкие и газообразные среды. Дозатор содержит емкость для дозируемой в среду жидкости, снабженную впускным и выпускным патрубками. Выпускной патрубок выполнен в виде цилиндрической калиброванной насадки, а выходной конец впускного патрубка соединен пленочным рукавом с зоной накопления поступающей в емкость среды. Дозатор снабжен средством преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента и калиброванным стержнем, один конец которого соединен с исполнительным элементом, а другой входит в насадку. Средство преобразования теплового расширения рабочего тела выполнено в виде заполненного рабочей жидкостью контейнера, сообщающегося с гидроцилиндром, в котором размещен поршень, соединенный с калиброванным по диаметру стержнем. В качестве рабочей используют незамерзающую жидкость, коэффициент объемного расширения которой незначительно зависит от температуры, например трансформаторное масло. Кроме того, на выходной конец выпускного патрубка насажен стакан с возможностью вертикального перемещения. Технический результат: обеспечение постоянства подачи дозатора при сезонных или иных изменениях температуры дозируемой жидкости. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для дозированного ввода жидкостей в жидкие и газообразные среды и найдет применение во многих отраслях промышленности и сельского хозяйства.

Известны устройства для дозирования жидкостей, содержащие емкость для дозируемой жидкости и дозировочный насос, приводимый в действие электродвигателем (см., например, книгу Ибрагимова Г.З. и Хисамутдинова Н.И. Справочное пособие по применению химических реагентов в добыче нефти. - М.: Недра, 1983, стр. 31-32).

Недостатком этих устройств является необходимость источника внешней энергии.

Известен дозатор реагента, содержащий трубчатый контейнер с реагентом с отверстиями для входа среды, в которую дозируется реагент, и выхода реагента в среду и поршень, размещенный в контейнере над отверстием для выхода реагента. Поршень под действием собственного веса давит на реагент, находящийся под ним, и вытесняет его в среду (а.с. СССР №1364700, кл. Е 21 В 43/00, опубл. 07.01.88 г., Бюл. №1).

Недостатком этого устройства является низкая точность и неравномерность дозирования, обусловленные тем, что перепад давления на выходном отверстии контейнера зависит не только от веса поршня, но и от высоты столбов реагента и среды, находящейся над поршнем, которые с течением времени изменяются, приводя к увеличению или уменьшению указанного перепада в зависимости от соотношения плотностей реагента и среды.

Известен самотечный дозатор реагента, содержащей трубчатый контейнер, заполненный реагентом, плотность которого меньше плотности среды, выходное калиброванное сопло, размещенное в верхней части контейнера, и входной патрубок, сообщающий среду с нижней частью контейнера. Среда за счет разности плотностей поступает через входной патрубок в низ контейнера и вытесняет реагент. Расход реагента определяется размерами сопла и перепадом давления, зависящим от уровня поверхности раздела между средой и реагентом в контейнере (см. Труды Гипровостокнефть, вып. ХХХП, 1978, с.84-88).

Недостатком дозатора является неравномерность подачи реагента в среду вследствие того, что в процессе работы уровень раздела двух сред в контейнере повышается, что ведет к снижению перепада давления на сопло.

Известен также самотечный дозатор реагента, содержащий трубчатую емкость для реагента, выпускной патрубок с калиброванной диафрагмой и впускной патрубок с гидрозатвором, исключающим выход реагента через впускной патрубок. Выходное отверстие выпускного патрубка находится выше выходного отверстия впускного патрубка, что обуславливает постоянный перепад давления на диафрагме и равномерную во времени подачу реагента в окружающую среду, плотность которого ниже плотности среды, пока уровень раздела сред в емкости не дойдет до впускного патрубка (см. Дозатор реагента погружной. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. 5680-000Т0. ТатНИПИнефть, 1980).

Недостатком этого дозатора является невозможность его использования при дозировании смешивающихся со средой жидкостей. Это обусловлено тем, что поступающая в емкость дозатора среда смешивается (растворяется) с реагентом в верхней части емкости, что изменяет плотность реагента. Непрерывное изменение во времени плотности дозируемой жидкости ведет к изменению перепада давления на диафрагме и, следовательно, расхода подаваемого реагента. Кроме того, смешивание реагента со средой ведет к непрерывному снижению концентрации реагента в верхней части емкости, что также снижает подачу чистого реагента. Более того, при смешивании двух жидкостей меняется вязкость реагента, особенно в случае образования дисперсии (например, эмульсии), что также вызывает неравномерность подачи.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому (прототипом) является самотечный дозатор жидкости, содержащий емкость для дозируемой в среду жидкости, снабженную впускным и выпускным патрубками, выходные концы которых смещены по вертикали, причем один из патрубков выполнен с цилиндрической калиброванной насадкой, а выходной конец впускного патрубка соединен пленочным рукавом с зоной накопления поступающей в емкость среды (пат. РФ №2045748, кл. G 01 F 11/00, опубл. 10.10.95 г., Бюл. №28).

Недостатком этого дозатора является зависимость подачи жидкости от ее температуры, что требует ручного изменения параметров насадки (длины и/или диаметра).

Цель изобретения - обеспечение постоянства подачи дозатора при сезонных или иных изменениях температуры дозируемой жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что самотечный дозатор жидкости, содержащий емкость для дозируемой в среду жидкости, снабженную впускным и выпускным патрубками, выходные концы которых смещены по вертикали, причем один из патрубков выполнен с цилиндрической калиброванной насадкой, а выходной конец впускного патрубка соединен пленочным рукавом с зоной накопления поступающей в емкость среды, согласно изобретению, снабжен средством преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента и калиброванным стержнем, один конец которого соединен с исполнительным элементом, а другой входит в насадку.

Средство преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента может быть выполнено в виде заполненного рабочей жидкостью контейнера, сообщающегося с гидроцилиндром, в котором размещен поршень, соединенный с калиброванным стержнем. В качестве рабочей жидкости рекомендуется использовать незамерзающую жидкость, коэффициент объемного расширения которой незначительно зависит от температуры, например трансформаторное масло.

Кроме того, на выходной конец выпускного патрубка насажен стакан с возможностью вертикального перемещения.

На чертеже изображен схематический вертикальный разрез дозатора для подачи жидкого реагента (например, ингибитора коррозии) в нефтедобывающую скважину.

Дозатор состоит из емкости 1 с горловиной 2 для заправки реагентом 3, впускного патрубка 4, на который надет пленочный рукав 5, верхняя часть которого зафиксирована в горловине 2 с помощью вставленного в конец рукава патрубка 6 и хомута 7, прикрепленного к стенке горловины, выпускного патрубка, выполненного в виде цилиндрической насадки 8 с калиброванным внутренним отверстием. В емкости 1 размещен контейнер 9, заполненный рабочей жидкостью (трансформаторным маслом) 10, соединенный с гидроцилиндром 11, продолжением которого является насадка 8. В нижней части гидроцилиндра имеется отверстие 12 для поступления реагента 3. В гидроцилиндре размещен поршень 13 с калиброванным по диаметру стержнем 14, нижний конец которого входит в насадку 8. На выходной конец насадки надет стакан 15 со штоком 16, с помощью которого можно перемещать стакан 15 в вертикальном направлении. Ручка штока защищена от случайного воздействия колпаком 17. Входной конец впускного патрубка 4 и выходной конец выпускного патрубка-насадки 8 заключены в промежуточную емкость 18, прикрепленную к емкости 1 с помощью фланцевого соединения и сообщающуюся посредством трубки 19 с межтрубным пространством между эксплуатационной 20 и насосно-компрессорной 21 колоннами нефтедобывающей скважины, которое обычно в верхней части заполнено нефтяным газом 22.

Дозатор работает следующим образом.

Нефтяной газ 22 из скважины поступает в промежуточную емкость 18, оттуда по впускному патрубку 4 и пленочному рукаву 5 - в верхнюю часть емкости 1 и вытесняет из нее реагент 3 через насадку 8. Реагент заполняет стакан 15, переливается из него каплями, создает небольшой слой на дне промежуточной емкости 18 и по трубке 19 попадает в межтрубное пространство скважины. В зависимости от назначения реагент защищает скважинное оборудование от коррозии, разрушает водонефтяную эмульсию или предотвращает отложения парафина или солей.

Расход реагента зависит от величины смещения по вертикали выходных концов впускного и выпускного патрубков h, геометрических размеров насадки с входящим в нее стержнем 1, соотношения удельных весов дозируемой жидкости и среды и вязкости дозируемой жидкости и рассчитывается по формуле:

где g - ускорение свободного падения;

γ, γ_с - удельные веса жидкости и среды;

d_н, d_с - соответственно диаметры насадки и стержня;

ν - кинематическая вязкость дозируемой жидкости;

l - глубина вхождения стержня в насадку.

Как видно из формулы, расход реагента и его вязкость связаны обратно пропорциональной зависимостью. Для того, чтобы устранить (или свести к минимуму) эту зависимость, необходимо таким образом изменить величину погружения стержня в насадку l, чтобы соблюдалось условие ν·l=const. Эта задача удовлетворительно решается с помощью средства преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента, связанного со стержнем. В описанном примере таким средством является контейнер 9 с рабочим телом - трансформаторным маслом 10, сообщающийся с гидроцилиндром 11 с поршнем 13, соединенным со стержнем 14. При увеличении температуры окружающей емкость 1 среды (например, воздуха) увеличивается температура дозируемого реагента 3 и трансформаторного масла 10. Объем масла увеличивается, поршень 13 гидроцилиндра опускается вниз, увеличивая погружение стержня в насадку, т.е. снижение вязкости реагента, обусловленное увеличением его температуры, сопровождается одновременным увеличением погружения стержня в насадку, что ведет к увеличению гидравлического сопротивления насадки. Можно подобрать параметры вышеупомянутого средства такими, чтобы изменение вязкости достаточно точно компенсировалось соответствующим изменением глубины вхождения стержня в насадку. Авторами получены математические формулы для расчета этих параметров, вывод которых приводится ниже.

Динамическая вязкость дозируемой жидкости μ имеет следующую температурную зависимость (см. книгу: М.М.Викторов. Методы вычисления физико-химических величин и прикладные расчеты. - Л.: Химия, 1977, стр. 260):

μ(t)-C/(1+At+Bt²),

где С, А и В - постоянные, индивидуальные для каждой жидкости.

Учитывая, что кинематическая и динамическая вязкости связаны общеизвестным соотношением ν=μ/ρ, где ρ - плотность жидкости, для рабочего интервала температур можно записать:

ν(t)=C₁/(1+At+Bt²),

где ; где - среднее значение плотности в рабочем интервале температур.

Для фиксированного интервала изменения температур последнюю зависимость можно приближенно представить в более упрощенном виде:

ν(t)=a/(1+bt),

где коэффициенты а и b для каждой жидкости определяют путем математической обработки экспериментальной зависимости ν=ν(t).

Изменение длины погружения стержня в насадку l(t) в зависимости от температурного расширения объема рабочей жидкости в контейнере можно представить в виде очевидной формулы:

где l_m - длина погружения стержня в насадку при минимальной рабочей температуре t_m; V_к - объем контейнера для рабочей жидкости; - среднее значение коэффициента объемного расширения рабочей жидкости в интервале изменения температуры; S_г - площадь поперечного сечения гидроцилиндра.

Произведение вязкости и длины входа стержня в насадку и, следовательно, расход реагента не будут зависеть от температуры, если принять λ=в;

Следовательно, из условия λ=в можно определить объем контейнера, при котором расход не зависит от температуры:

Величину l_m определяют следующим образом.

В формулу расхода q подставляют значение произведения ν·l=аε и рассчитывают ε, по величине которого определяют l_m.

Наличие стакана 15, насаженного на выходной конец выпускного патрубка 8 с возможностью вертикального перемещения, позволяет изменять величину h и, следовательно, расход дозатора в определенных пределах (от 0 до некоторого максимального значения, определяемого параметрами дозатора). Это необходимо, когда приходится оперативно изменять дозировку реагента.

Для увеличения (уменьшения) расхода реагента в соответствии с формулой для расчета расхода q необходимо пропорционально увеличить (уменьшить) величину h. Для этого необходимо переместить регулировочный стержень 16, жестко соединенный со стаканом 15, вниз (вверх). При этом расстояние h между выходным концом впускного патрубка 4 и выходным концом выпускного патрубка 8 увеличится (уменьшится). При наличии регулировочного стакана 15 выходной конец выпускного патрубка 8 совпадает с верхом стакана, т.к. столб жидкости в выпускном патрубке 8 в интервале погружения его в стакан 15 уравновешивается тем же столбом жидкости в зазоре между стаканом 15 и патрубком 8.

Следовательно, наличие стакана 15 позволяет изменить вертикальный уровень выхода реагента из патрубка 8 при неизменном уровне его нижнего конца.

Использование предложенного дозатора в нефтегазовой промышленности позволит повысить эффективность многих технологических процессов, связанных с дозированием химреагентов в скважины, трубопроводы и емкости.

Формула изобретения

1. Самотечный дозатор жидкости, содержащий емкость для дозируемой в среду жидкости, снабженную впускным и выпускным патрубками, выходные концы которых смещены по вертикали, выпускной патрубок выполнен в виде цилиндрической калиброванной насадки, а выходной конец впускного патрубка соединен пленочным рукавом с зоной накопления поступающей в емкость среды, отличающийся тем, что он снабжен средством преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента и калиброванным по диаметру стержнем, один конец которого соединен с исполнительным элементом, а другой входит в насадку.

2. Самотечный дозатор по п.1, отличающийся тем, что средство преобразования теплового расширения рабочего тела в возвратно-поступательное движение исполнительного элемента выполнено в виде заполненного рабочей жидкостью контейнера, сообщающегося с гидроцилиндром, в котором размещен поршень, соединенный с калиброванным стержнем.

3. Самотечный дозатор по п.2, отличающийся тем, что в качестве рабочей использована незамерзающая жидкость, коэффициент объемного расширения которой незначительно зависит от температуры, например трансформаторное масло.

4. Самотечный дозатор по пп.1-3, отличающийся тем, что на выходной конец выпускного патрубка насажен стакан с возможностью вертикального перемещения.

РИСУНКИ

Рисунок 1