Смешивающее устройство

Изобретение относится к смешивающим устройствам и может быть применено для смешения потоков текучей среды, в частности газов или жидкостей, в различных отраслях промышленности и преимущественно в нефтепереработке и нефтехимии, газовой и энергетической промышленности. Смешивающее устройство для потоков текучей среды содержит камеру смешения, соединенные с ней по меньшей мере две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, завихритель, установленный по меньшей мере в одной из труб, и штуцер для вывода смеси, диаметр камеры смешения более чем в 1,7 раза превышает диаметр внешней из труб, а соотношение между длиной камеры смешения и ее диаметром больше или равно 1,5. При этом завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью, определяемой из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, которое равно или больше 0,7. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности смешения подаваемых потоков текучей среды. 3 ил.

 

Изобретение относится к смешивающим устройствам и может быть применено для смешения потоков текучей среды, в частности газов или жидкостей, в различных отраслях промышленности и преимущественно в нефтепереработке и нефтехимии, газовой и энергетической промышленности.

Известен статический смеситель (патент РФ №2014879, МПК B01F 5/00), содержащий корпус с патрубками ввода компонентов и вывода смеси, две группы усеченных полых перфорированных конусов, обращенных большими основаниями к патрубкам ввода компонентов. По периферии корпуса, а также на оси установлены завихрители.

Указанный смеситель не может эффективно работать в силу конструктивного решения. Весь поток текучей среды перекрыт рядом элементов, представляющих большое гидравлическое сопротивление. Кроме того, элементы смесителя представлены достаточно сложными деталями, что также снижает эффективность применения устройства в целом.

Известен прямоточный вихревой смеситель (патент РФ №2414283, МПК B01F 5/00), содержащий две коаксиально расположенные цилиндрические трубы, однозаходные закручивающие устройства, установленные во внутренней трубе и межтрубном пространстве, а также штуцеры для ввода компонентов и вывода смеси. Работа устройства организована таким образом, что смешиваемые потоки (газы или жидкости) подаются по параллельным штуцерам в зону шнекового смесительного устройства, причем смесь компонентов проходит вначале через внутренний шнек, а затем, после поворота, через внешний.

К очевидным недостаткам смешивающего устройства следует отнести его высокую металлоемкость, трудность изготовления, и, вероятно, значительное гидравлическое сопротивление.

Смешивающие устройства других типов (Абрамович Г.Н. и др. Теория турбулентных струй. М., Наука, 1984, с. 715), основанные на распределенном вводе одного потока в другой, имеют недостаток, связанный с необходимостью помещения в поток элементов конструкции, что приводит к потерям полного давления. Кроме того, это бывает затруднительным в случае высокой температуры потока. Подача одного потока в другой струями из стенки канала не позволяет обеспечить высокую равномерность распределения концентрации подаваемой текучей среды в потоке.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является смешивающее устройство по международной заявке № WO 2011101038, МПК B01F 3/02, B01F 5/00, B01F 5/04, состоящее из двух или более соосных труб для подачи смешиваемых потоков во внутреннюю часть смесителя, закручивающего устройства и зоны смешения. В устройстве с целью регулируемого смешения периферийный поток закручивается с помощью лопатки и/или тангенциального подвода и образует вихрь, вращающийся вокруг центрального потока. Дополнительный достигаемый эффект заключается в том, что внутренняя поверхность трубы на некотором протяжении от зоны смешивания двух потоков защищена от внутреннего, более коррозионно-активного потока, внешним, инертным по отношению к материалу трубы.

Моделирование режимов течения для условий, приведенных в указанной заявке, показывает, что поток в зоне смешения, достаточно удаленный от внутреннего выходного патрубка, характеризуется значительной неоднородностью как по векторным полям скоростей - осевой и тангенциальной, так и по составу потока. На фиг. 1 приведено распределение концентраций двух перемешивающихся газов на расстоянии двух калибров от точки смешения струй в плоскости, перпендикулярной оси труб. Поток характеризуется значительной неоднородностью, и для выравнивания характеристик потока требуется существенное удлинение зоны смешения. Таким образом, это устройство не может рассматриваться как эффективный смеситель.

Технической задачей, которую решает предлагаемое смешивающее устройство, является повышение эффективности смешения подаваемых потоков текучей среды (газов или жидкостей, в том числе в виде аэрозолей, эмульсий и суспензий) за счет достижения согласованности между геометрическими размерами устройства и интенсивностью закручивания потока.

Указанная техническая задача решается тем, что в смешивающем устройстве для потоков текучей среды, которое содержит камеру смешения, соединенные с ней по меньшей мере две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, с установленным по меньшей мере в одной из них завихрителем, и штуцер для вывода смеси компонентов, диаметр камеры смешения превышает диаметр внешней трубы более чем в 1,7 раза, а отношение между длиной камеры смешения и ее диаметром больше или равно 1,5. При этом завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью закрутки, которая определяется из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, равного или большего 0,7.

Дополнительным эффектом, достигаемым в предлагаемом устройстве, является то, что в условиях, когда один из потоков текучей среды является коррозионно-активным, эффективное перемешивание потоков текучей среды в объеме камеры смешения позволяет избежать проблем с коррозией внутренних частей смешивающего устройства за счет разбавления инертным потоком. Для этого коррозионно-активный компонент подают в центральную трубу, а инертный - в кольцевое пространство между внешней и центральной трубой.

Сущность предлагаемого устройства состоит в том, что потоки текучей среды поступают в смешивающее устройство по трубам, которые расположены соосно с камерой смешения и штуцером для вывода смеси компонентов. Диаметр камеры смешения превышает диаметр внешней входной трубы. Входящие потоки (по меньшей мере один), кроме поступательной составляющей, имеют еще и вращательную составляющую, то есть закручены относительно оси трубы. После выхода из трубы в камеру смешения поток расширяется и замедляет осевую составляющую скорости. При этом расширение потока, согласно закону сохранения момента количества движения, вызывает снижение средней угловой скорости потока, с одной стороны, а за счет действия центробежных сил вызывает перераспределение массы вращающегося потока от центра к периферии. Сочетание этих движений (действий) приводит к закручиванию расширяющегося потока в осевом направлении и образованию обратного вихря, направленного от периферии потока к его оси. Взаимодействие этого вихря с набегающими потоками текучей среды приводит к их интенсивному перемешиванию.

Проведенное исследование работы предлагаемого смешивающего устройства с использованием средств вычислительной гидродинамики показало, что данный эффект возникает в том случае, если отношение диаметра камеры смешения к диаметру внешней входной трубы составляет от 1,7 до 3,4, а соотношение между длиной камеры смешения и ее диаметром находится в диапазоне от 1,5 до 3,0. При этом верхняя граница отношений определена из конструктивных и экономических соображений.

Эффект перемешивания достигается, когда поток на входе в камеру смешения закручен с определенной интенсивностью. Для характеристики интенсивности закрутки потока был выбран интегральный параметр закрутки, характеризующийся отношением момента количества движения потока М к осевому количеству движения потоков К. Как следует из научной литературы (Абрамович Г.Н. Теория турбулентных струй. М., Наука, 1984), при истечении закрученной струи в области оси возникает возвратное течение, если Utст ≥ Ux, где Utст - тангенциальная скорость на периферии, a Ux - средняя осевая скорость.

Запишем это через интегральные параметры потока. Скорость потока по сечению примем постоянной и угловую скорость со всех частиц в выходном сечении - также постоянной, т.е. текучая среда вращается, как твердое тело.

Количество движения жидкости запишется как

,

где r - текущий радиус;

ρ - плотность текучей среды.

Момент количества движения запишется как

,

где ω - угловая скорость;

rст - радиус трубы, в которой закручивается поток.

Учитывая, что ,

где Utст - тангенциальная скорость у стенки трубы.

Отсюда при равенстве получаем

как условие возникновения возвратного течения.

Применение интегрального параметра наиболее удобно ввиду того, что для основных типов закручивающих устройств выведены выражения, позволяющие, исходя из характерных конструктивных размеров, определить интегральный параметр закрутки потока, получаемый на входе в камеру смешения.

В нашем случае оптимальный эффект работы смешивающего устройства был достигнут, когда отношение момента количества движения потока к осевому количеству движения потоков составляло 0,5·rст. При увеличении этого отношения эффект сохраняется, однако эффективность работы устройства падает, поскольку при увеличении отношения увеличивается доля энергии потока, которая растрачивается на его бесполезное закручивание.

Предлагаемое техническое решение будет лучше понятно при ознакомлении с нижеприведенным описанием устройства, схема которого показана на прилагаемой фиг. 2.

Смешивающее устройство содержит камеру смешения 1 с входными трубами 2, 3 и 4 и выходным патрубком 5. Потоки текучей среды поступают в смеситель через центральный канал 6 и кольцевые каналы 7 и 8. По меньшей мере один из потоков закручен с определенной интенсивностью посредством любого закручивающего устройства. На схеме (фиг. 2) в качестве примера приведено закручивающее устройство 9, которое выполнено в виде лопаток, установленных под углом к оси трубы.

Устройство работает следующим образом. Смешиваемые потоки текучей среды поступают в камеру смешения 1 через центральный канал 6 и через концентрические каналы 7 и 8. В канале 7 установлены средства закрутки потока 9. Входные потоки предварительно закручены одним из известных способов таким образом, чтобы отношение момента количества движения потока к осевому количеству движения потоков составляло 0,5·rст. Для закрутки может быть использован, например, тангенциально-лопаточный, аксиально-лопаточный или любой другой из известных способов закрутки (Аэродинамика закрученной среды. / Под ред. Р.В. Ахмедова. М., Энергия, 1977, 240 с.) Потоки текучей среды поступают в смеситель, диаметр камеры смешения которой D превышает диаметр внешнего входной трубы DСТ по меньшей мере в 1,7 раза. При этом поток текучей среды расширяется и заполняет сечение камеры смешения. В результате сложения поступательного и вращательного движений расширяющейся струи возникает мощный обратный вихрь, который обеспечивает интенсивное смешение газов. Следствием этого является высокая степень однородности струи уже на расстоянии, равном 2,6 DСТ от входа газа. Фиг. 3 иллюстрирует работу смесителя для смешивания двух газов, различающихся по составу. На чертеже представлено поле концентраций компонентов смешиваемых газов в сечении по оси предлагаемого устройства. Из чертежа видно, что на расстоянии менее чем 2,6 DСТ входного канала поток практически однородный.

Работа изобретения будет более понятна при рассмотрении примера выполнения технического устройства, схема которого представлена на фиг. 2. Устройство представляет собой смеситель, в котором требуется смешать потоки горячей и холодной воды. Горячая вода подается в центральный канал 4 диаметром d=0,01 м с температурой tГ=90°C и скоростью UГ=0,8 м/с. Холодная вода подается через периферийный канал 3 диаметром DСТ=0,05 м, в котором установлены закручивающие лопатки под углом 50° к оси установки (направлению потока), с температурой tХ=10°C и скоростью UX=1,1 м/с. Камера смешения 1 имеет диаметр D=0,076 м и длину L=0,13 м.

Соотношение размеров устройства: D/DСТ=1,51, L=1,71D.

Такое устройство обеспечивает качественное перемешивание горячей и холодной жидкостей. Покажем это при помощи оценочного расчета.

Плотность воды примем ρж=1000 кг/м3. Массовые расходы через центральный канал и внешний соответственно составят

mц = 0,063 кг/с и mп = 2,072 кг/с.

Тангенциальная скорость во внешнем канале составит

Ut=Uxtg50°=1,31 м/с.

Для оценочного расчета момента количества движения закрученного потока применим упрощенную формулу

М=Ut·mп·rcp,

где - средний радиус вращения закрученного потока.

Отсюда получаем

что больше 0,5·rст=0,0125.

Таким образом, смеситель с указанными пропорциями конструкции, в который подаются жидкости с указанными в примере параметрами, обеспечивает эффективное смешение жидкостей так, что на выходе из камеры смешения 0,13 м от входа поток будет иметь постоянную температуру 12,4°C по всему сечению смесителя.

Рассмотрим другую конструкцию смесителя для воды со следующими характеристиками: центральный канал для горячей воды температурой tГ=80°C диаметром d=0,1 м и скоростью подачи горячей воды UГ=0,8 м/с. Холодная вода подается через периферийный канал 3 диаметром DСТ=0,4 м. Скорость холодной воды UХ=1,1 м/с, температура tХ=5°C. В канале установлены закручивающие лопатки под углом 30° к оси установки (направлению потока). Соотношение размеров устройства: D/DСТ=1,51, L=1,71D, так что камера смешения 1 имеет диаметр D=0,6 м и длину L=1,03 м.

Расчет показывает, что для данного устройства отношение , в то время как 0,5·rст=0,1. Это означает, что смеситель не обеспечивает удовлетворительного смешения потоков воды и на выходе из него эпюра температуры по сечению потока будет крайне неоднородной.

При изменении угла установки закручивающих лопаток с 30 на 45° отношение , т.е. смеситель работает эффективно так, что температура воды в каждой точке выходного сечения смесителя постоянна и равна 8,5°C.

Таким образом, за счет согласованности между геометрическими размерами устройства и интенсивностью закрученного потока достигается эффективное смешение текучих сред. Дополнительным эффектом является снижение металлоемкости смесителя и простота его изготовления.

Смешивающее устройство для потоков текучей среды, содержащее камеру смешения, соединенные с ней по меньшей мере две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, завихритель, установленный по меньшей мере в одной из труб, и штуцер для вывода смеси, отличающееся тем, что диаметр камеры смешения более чем в 1,7 раза превышает диаметр внешней из труб, а соотношение между длиной камеры смешения и ее диаметром больше или равно 1,5, при этом завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью, определяемой из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, которое равно или больше 0,7.



 

Похожие патенты:

Изобретение касается смесительного устройства для смешивания агломерирующего порошка в суспензию. Смесительное устройство включает форсунку для создания струи суспензии, загрузочное устройство для ввода порошка в струю суспензии, смесительную камеру, которая устроена, чтобы смешивать частицы с порошком так, чтобы порошок налипал на частицы, и диффузор для успокоения суспензии таким образом, чтобы захваченные порошком частицы образовывали в суспензии агломераты, при этом смесительная камера в области, в которой поперечное сечение в направлении потока сужается, имеет диафрагму и/или направляющий профиль, с помощью которых может осуществляться завихрение струи суспензии с порошком.

Изобретение относится к производству наполненных полиуретанов для теплоизоляции, звукоизоляции и/или амортизирующих слоев, преимущественно, в линиях для изоляции труб в заводских условиях.

Изобретение относится к способу и реактору для примешивания одного или более потоков в поток технологической жидкости. Способ позволяет технологической жидкости протекать в проточном трубопроводе, действующем как поточный реактор с реакционной зоной.

Изобретение относится к области обеззараживания и консервации воды и предназначено для использования в установках для получения аэрозольно-газовой смеси, смешения образующейся аэрозольно-газовой смеси с водой с целью получения водных дезинфицирующих и консервирующих растворов.

Изобретение относится к струйной технике, например к инжекторам, и способам инжекции для нагрева перекачиваемой и эжектирующей сред. Струйный аппарат повторного вскипания содержит два последовательно соединенных сопла, сконфигурированных для вскипания горячего жидкостного потока в первом сопле, торможения и уменьшения газовой фазы во втором сопле с последующим разгоном и повторным вскипанием во втором сопле.

Изобретение относится к системам газификации и может быть использовано в химических реакторах и системах трубопроводов для инжекции сырья. Инжекторная система подачи сырья содержит несколько кольцевых каналов 314, 316, 318, размещенных в концентрической конфигурации вокруг продольной оси, и несколько спиральных элементов 312, проходящих в тракт для прохода текучей среды.

Изобретение относится к устройствам для смешивания порошкообразного материала и жидкости затворения растворов и может использоваться в нефтегазодобывающей промышленности при приготовлении буровых промывочных и тампонажных растворов, а также в других областях при смешивании разнофазных потоков.

Изобретение относится к устройствам для очистки загрязненного газового потока с помощью форсунки, распыляющей пароводяную смесь, и может использоваться на предприятиях, работа которых связана с загрязнением атмосферного воздуха.

Изобретение относится к устройству для пропитки полимерного расплава текучей средой, которая предусмотрена в качестве вспенивающего агента или присадки, согласно ограничительной части пункта 1 формулы изобретения.

Изобретение относится к технике диспергирования газожидкостной смеси и может использоваться в различных областях техники. .

Изобретение относится к технологии получения различного рода жидких многокомпонентных смесей, суспензий и коллоидных растворов. Смеситель-реактор состоит из двух торцевых пробок 1, корпуса цилиндрической формы 2, цилиндрического вкладыша 3, составленного из набора одинаковых ячеек 4, и камеры предварительного смешивания.

Изобретение относится к кондитерской промышленности, а именно к установкам, предназначенным для получения многокомпонентных жидкообразных кондитерских сред. Установка состоит из блока механического смешивания, включающего не менее 2-х емкостей одинакового объема, соединенных между собой внутренним контуром трубопровода, и блока кавитационной обработки, имеющего реактор с ультразвуковым преобразователем.

Изобретение относится к пищевой, сельскохозяйственной, химической и другим отраслям промышленности и предназначено для смешивания вязко-пластичных и сыпучих масс, получения упорядоченного распределения исходных компонентов внутри готовой смеси, может быть использовано при производстве строительных материалов, а также для приготовления вафельного теста.

Изобретение предназначено для применения в химической промышленности, агропромышленном комплексе, производстве строительных материалов и других отраслях промышленности.

Смеситель // 2558608
Изобретение относится к области химического машиностроения, в частности устройствам для смешения и диспергирования жидких гетерогенных систем, лакокрасочных материалов, приготовления различных суспензий и эмульсий.

Область использования: изобретение относится к системам выравнивания потока текучей среды в проточной части расходомеров или в трубопроводах на входе расходомеров, предназначенных для измерений объемного расхода текучих сред.

Изобретение относится к приготовлению тонкодисперсных эмульсий в системах жидкость - жидкость. Вихревой эмульсор содержит вихревую трубу с двумя тангенциальными патрубками.

Изобретение относится к генератору микропузырьков и устройству генерирования микропузырьков. Одним из аспектов настоящего изобретения является генератор микропузырьков, в котором имеется вихревая камера, отверстие для подачи текучей среды, соединенное с вихревой камерой, при этом отверстие для подачи текучей среды предназначено для подачи текучей среды вдоль линии, касательной к внутренней поверхности вихревой камеры, и выпускную трубу, предназначенную для направления текучей среды в направлении, по существу, перпендикулярном направлению, в котором текучая среда введена.

Изобретение относится к смешивающему устройству для смешивания первого газа со вторым газом, причем этот второй газ является коррозионным по отношению к смешивающему устройству.

Изобретение предназначено для использования в дорожном строительстве при производстве асфальтобетонных смесей и устройстве дорожного покрытия. Устройство содержит смеситель, системы подачи битума и вспенивающей жидкости, снабженные запорной арматурой, и диспергирующее устройство.

Изобретение относится к машиностроению, в частности к экспериментальной гидравлике, и может быть использовано в стендах для гидравлических исследований и испытаний измерительных приборов.

Изобретение относится к смешивающим устройствам и может быть применено для смешения потоков текучей среды, в частности газов или жидкостей, в различных отраслях промышленности и преимущественно в нефтепереработке и нефтехимии, газовой и энергетической промышленности. Смешивающее устройство для потоков текучей среды содержит камеру смешения, соединенные с ней по меньшей мере две коаксиально размещенные цилиндрические трубы, по которым потоки текучей среды поступают на смешение, завихритель, установленный по меньшей мере в одной из труб, и штуцер для вывода смеси, диаметр камеры смешения более чем в 1,7 раза превышает диаметр внешней из труб, а соотношение между длиной камеры смешения и ее диаметром больше или равно 1,5. При этом завихритель установлен с возможностью подвода закрученного потока на вход камеры смешения с интенсивностью, определяемой из отношения момента количества движения потока текучей среды к осевому количеству движения потоков на входе в камеру смешения, которое равно или больше 0,7. Техническим результатом изобретения является повышение эффективности смешения подаваемых потоков текучей среды. 3 ил.

Наверх