Способ перемешивания твердых и жидких веществ (варианты) и устройство для его осуществления - RU2079353C1

Чертежи

Описание

Изобретение относится к способу и устройству для непрерывного перемешивания твердых частиц с жидким составом и в особенности для непрерывного перемешивания цементных частиц с водой или смешивающей жидкостью в нефтяной, газовой или геотермической промышленности для цементирования пробуренных скважин.

Способы перемешивания веществ долгое время подразделялись на два основных класса. В первом из них способе порционного смешивания необходимые количества компонентов смеси размещаются в сосуде. Компоненты взбалтываются или циркулируют в сосуде с тем, чтобы получился необходимый объем смеси. В соответствии со вторым основным классом способов смешивания, способов непрерывного смешивания, определенные количества необходимых компонентов смеси дозируются в область смешивания.

Здесь они перемешиваются, а получившаяся смесь выходит со скоростью, равной объемному расходу входящих компонентов. Область смешивания обычно состоит из простого взбалтываемого сосуда, но также хорошо известны различные формы выталкивателей, струйных смесителей и т.п. в которых смешивание производится с помощью стока.

Необходимость и преимущества непрерывных способов смешивания по сравнению по способам порционного смешивания на сегодняшний день во многих случаях известны. Среди преимуществ способность непрерывно изменять определенные пропорции смеси в процессе перемешивания; исключение оборудования или хранилища для перемешанного вещества перед переходом к следующим стадиям последовательного процесса и возможность подводить большое количество энергии к небольшому объему смешивания, тем самым обеспечивая более эффективное перемешивание компонентов.

Основной недостаток способа непрерывного перемешивания также давно известен в технике. Традиционные способы непрерывного перемешивания требуют одновременного регулирования входящего потока жидкого компонента, выходящего потока полученной смеси и пропорций соответствующих компонентов. Например, если зафиксировано изменение пропорции двух компонентов, не будет эффективным изменение скорости подачи в миксер только одного из них для изменения характеристики. В это же время должна быть изменена выходная скорость смеси. Если этого не будет сделано, область перемешивания будет переполняться или опустошаться, а процесс непрерывного смешивания остановится. Если последующие стадии последовательного процесса требуют, чтобы смесь подавалась с определенной скоростью, что является частным случаем, когда способы непрерывного перемешивания оказываются предпочтительнее, необходимо одновременно изменять скорости входящих потоков каждого компонента для получения как заданных пропорций, так и заданной выходной скорости из смесителя. Требование одновременного управления множеством переменных приводит к сложным системам управления пропорционированием, в которых преимущества непрерывных способов перевешиваются такими недостатками, как высокая цена и низкая надежность.

Зингг и Штоскопф в [1] раскрывают способ, с помощью которого сохраняются многие преимущества способов непрерывного смешивания и с помощью которого может быть преодолен недостаток, описанный выше. Способ основывается на принципе баланса давлений. Жидкость поступает под давлением в область смешивания и закручивается так, что открывается просвет в атмосферу в центре области смешивания. Вращение кольцевого тела жидкости устанавливает давление на периферии тела жидкости, которое уравновешивает давление подаваемой жидкости. Жидкость не может заливаться в просвет и выливаться из области смешивания. Когда определенное количество вещества (обычно выбираемого более плотным, чем жидкость) дозируется в просвет, оно перемещается вращением в жидкость под давлением, смешивается с жидкостью, а получившаяся смесь выходит под давлением из области смешивания.

В типичных примерах осуществления способа, описанного Зинггом и Штоскопфом, жидкость, подаваемая в камеру смешивания, сжимается с помощью крыльчатки центробежного насоса. Эти примеры составляют один класс непрерывных смесителей "постоянного объема". Если требуется изменение пропорций компонентов, необходимо изменить скорость подачи компонента в просвет области смешивания. Изменение в скорости подачи вещества в просвет приводит к сетчатому изменению давления в области смешивания. Это изменение давления вызовет обратное (объемное) изменение давления в потоке жидкости, подаваемой крыльчаткой центробежного насоса, с тем чтобы установить баланс давлений в области смешивания. Следовательно, управление пропорциями компонентов смеси, упрощается. Зингг и Штоскопф не увидели, что эта простота в управлении может стать принципиальным преимуществом в одном из воплощений их способа. Его принципиальная значимость была отмечена только в последующей практике и дальнейшем развитии их способа.

Последующая практика и дальнейшее развитие способа смешивания вещества, представленного в виде частиц и сжимаемой жидкости, открытого Зинггом и Штоскопфом, показали, что он не может эффективно применяться при многих условиях, представляющих практический интерес сегодня. При повышении объемного соотношения между твердыми частицами и жидкостью, применение способа Зингга и Штоскопфа постепенно приводит к менее приемлемой смеси или строительному раствору. Продукт становится воздушной суспензией агломерированных частиц. Эта агломерированная смесь не применима в том виде, для которого предназначен способ. Кроме того, включения воздуха приводят к существенной потере давления в области смешивания, а эффективность применения способа становится минимальной.

Потенциально слабая характеристика способа Зингга и Штоскопфа не была отмечена во время его открытия. Их способ в оригинале предназначался для применения в производстве строительного раствора из песка или частиц подобных песку и гелевого состава, которые применяются для работ, направленных на увеличение эффективности производства земляных скважин. Во времена открытия способа типичное объемное соотношение частиц к жидкости составляло 1:10. Также применялись такие высокие соотношения, как 1:4, но они представляли исключительно высокую загрузку твердого вещества и предназначались для испытания работы в предельных условиях существовавшей тогда практики. Более полное понимание процессов, связанных с работой земляных скважин, улучшения в гелевых составах и соответствующего оборудования, привели к использованию строительных растворов с объемным соотношением, превышающим 1:1, для современных работ. При таких высоких объемных соотношениях применение способа Зингга и Штоскопфа часто приводит к производству строительного раствора с воздушными включениями, непригодного для использования.

Раствор портландцемента является вторым примером системы жидкость - частицы, для которого применение способа не приводит к производству подходящего продукта. Сжимаемые растворы портландцемента вводятся в земляные скважины с тем, чтобы защитить трубу или кожух от грубой облицовки отверстия скважины. Эти растворы часто имеют объемные соотношения частиц к жидкости, превышающие 1:1. Применение способа Зингга и Штоскопфа приводит к производству высокоагломерированного раствора с воздушными включениями очень низкого качества. Другие примеры систем, которые требуют высоких объемных соотношений частиц к жидкости, будут очевидны для тех, кто знаком с современным уровнем техники.

Способ Зингга и Штоскопфа является ущербным, т.к. не содержит никаких средств для регулирования пропорций поступающих материалов в точке их контакта. В то время как общее соотношение частиц и жидкости может регулироваться, их соотношение, когда они предварительно смешиваются, не может. Способ Зингга и Штоскопфа предусматривает подачу частиц в жидкость с неконтролируемым объемным соотношением, которое всегда выше, чем соотношение, предусмотренное для рабочей смеси. Результатом является паста или масса со включениями воздуха, состоящие из скоплений, которые не могут быть легко растворены в стандартном растворе приемлемого качества. Причина, по которой этот результат является обязательным следствием применения их способа, и причина, по которой этот способ обладает непреодолимым недостатком, лучше всего могут быть обнаружены при рассмотрении различных агрегатов, которые использовались для осуществления их способа.

Смесительный агрегат, описанный Зинггом и Штоскопфом в [2] в практической работе был заменен на агрегат, впервые описанный Олтхаузом в патенте США N 4453820 [3] Оба представляют собой смесители непрерывной работы, в которых жидкие и твердые вещества подаются с относительно высокой скоростью через относительно небольшие объемы смешивания. Объем смешивания поддерживается почти постоянным с помощью гидродинамических градиентов, получающихся благодаря приборам,т.е. в соответствии со способом, описанным Зинггом и Штоскопфом,один вращающийся элемент работает как крыльчатка центробежного насоса и вызывает поток жидкости и раствора через кожух. Второй вращающийся элемент, обычно называемый отражателем, применяется для открытия просвета в атмосферу в верхней части смесителя, куда напрямую направляются твердые вещества. Эти два вращающихся элемента устанавливают гидравлический баланс между собой, такой, что любое изменение потока твердых веществ через отражатель динамически компенсируется изменением потока жидкости, подаваемого крыльчаткой. Следовательно, объем смешивания, хотя и невелик по сравнению со скоростью прохождения веществ через смеситель, практически остается постоянным. Посторонние средства регулирования объема или потока жидкости не применяются.

Значительные недостатки подобных машин, описанных Олтхаузом и Зинггом и Штоскопфом, обсуждались в литературе. Улучшенные версии конфигураций, основанные на принципе баланса отражателя крыльчатки, описаны Макинтаером в патентах [4] и [5] В них Макинтаер описывает средства, позволяющие выпускать воздух из кожухов машин этого типа. Его улучшение было подтверждено наблюдением того, что машины этого типа обладали ограниченной скоростью потоков твердых веществ. При достижении определенной величины скорости потока, которая представляет собой функцию от размера отражателя, его крыльчатка теряет работоспособность и препятствует его работе в качестве эффективного центробежного насоса. Кожух переполняется твердыми веществами, а процесс перемешивания должен быть остановлен. Для обычного применения непрерывного смесителя в нефтяной промышленности непредвиденная остановка может привести к дорогостоящим восстановительным работам и часто представляет собой серьезную опасность для жизни и здоровья персонала.

МакИнтаер [4] и [5] объясняет ограничение по скорости наличием воздуха, заключенного во входящем потоке твердого вещества, который выносится в кожух центробежными силами. Этот воздух может проникнуть на всас крыльчатки, приводя к потере условий наполнения. Крыльчатка больше не может подавать жидкость под давлением в область смешивания, а процесс должен быть остановлен. Он описывает средства, позволяющие этому воздуху проходить обратно в атмосферу перед тем, как он достигнет зоны всаса крыльчатки.

В реальности устройство МакИнтаера не включает в себя никаких средств, позволяющих сбрасывать поток воздуха иначе чем с помощью радиального градиента давления, появляющегося в его кожухе. Если включенный воздух достаточно хорошо растворен, а смесь в кожухе обладает достаточной вязкостью, воздух можно подавать на всас крыльчатки, не предусматривая продувки. Эти условия на практике являются общими и углубляются соотношением твердых и жидких веществ в смеси.

Различные средства, позволяющие воздуху проходить на продувку вместо всаса крыльчатки, могут быть легко представлены теми, кто знаком с этой областью техники. Простым решением является установка крыльчатки центробежного насоса в отдельном кожухе, как описано в выбранном Зинггом и Штоскопфом исполнении их устройства. Однако ни одно из этих средств не позволяет преодолеть дальнейшей трудности, которая состоит в том, чтобы свободно сбросить заключенный воздух из смесителя. Смесители этого типа обычно используются для подачи строительного раствора под давлением к плунжерным насосам. Строительный раствор со включениями воздуха относительно упруг, а его сжатие приводит к значительному ухудшению характеристики плунжерных насосов. Кроме того, поток твердых веществ в смеситель обычно управляется обратной связью от прибора или измерителя плотности, используемого для измерения плотности строительного раствора на выходе из смесителя. Плотность строительного раствора с включениями воздуха не может быть взята за точку настройки или желательную плотность любым подходящим способом. Система управления этого типа всегда будет более или менее неточна.

Проблема с включениями воздуха при высоких скоростях потока твердых веществ является результатом недоработок в концепции машин, основанных на способе, открытом Зинггом и Штоскопфом Объяснение МакИнтаером происхождения трудности неполно, а его улучшение только выделяет симптом реальной проблемы. Все машины, использующие принцип баланса отражателя крыльчатки, впервые открытый Зинггом и Штоскопфом, вводят твердые частицы в контакт с жидкими составами в последовательности, которая известна как одна из наименее эффективных.

Физические свойства смесей твердых частиц и жидкостей сильно зависят от их соотношения в смеси. Приближенный способ учит, что твердая составляющая должна всегда вводиться в желаемое количество жидкости так, чтобы концентрация твердых веществ доводилась до желаемого уровня постепенным добавлением твердых веществ и никогда наоборот. Доводы против этого правила заключаются в том, что реальная вязкость строительного раствора частиц в жидкости медленно увеличивается с добавлением частиц до тех пор, пока не будет достигнута критическая величина, при которой смесь превращается из жидкости в пасту или массу частично смоченных скоплений. Для превращения плавающих частиц в раствор требуется затратить на несколько порядков меньше энергии, чем на растворение пасты в жидкость. Величина соответствующих затрат энергии при том же соотношении твердых и жидких веществ сильно зависит от размера частиц. Крупный песок при относительно низкой концентрации не образует стабильных скоплений. Очень мелкие частицы, такие как частицы портландцемента, легко образуют пасту, трудно поддающуюся обработке. Таким образом, при смешивании в противоположность правилами качество смешанного продукта будет сильно зависеть от физических свойств и соотношения компонентов смеси.

В смесителях, основанных на способе, открытом Зинггом и Штоскопфом, твердые вещества всегда поступали в частично или полностью готовый строительный раствор для создания пасты со слишком высокой плотностью и слишком большим количеством включенного воздуха. В случае нормальной работы смеситель находится в стабильных условиях. Его выходная скорость устанавливается с помощью подходящего внешнего органа управления, обычно с помощью установки скорости плунжерных насосов, поставляемых со смесителем. Плотность и равномерность выходящего строительного раствора управляется скоростью входящего потока твердых веществ и фиксируется подобным образом с помощью автоматического регулятора с обратной связью от ареометра. Часть строительного раствора, находящегося в кожухе, обязательно должна обладать той же плотностью и равномерностью, что и выходящий строительный раствор. Твердые вещества постоянно подаются в этот строительный раствор в отражатель, в котором формируется локальный объем строительного раствора,более тяжелого, чем это необходимо, или пасты. Жидкость постоянно поступает к крыльчатке, где образуется локальный объем строительного раствора, более легкого, чем это необходимо. Эти два строительных раствора соответственно подаются в рециркулирующий строительный раствор в кожухе, перемешиваются до желательной плотности и продолжают рециркулировать дальше. Строительный раствор более тяжелый, чем это необходимо, полученный в отражателе, обладает свойствами, которые ухудшают работу всей системы.

Скопившаяся паста должна быть растворена в предварительно перемешанном строительном растворе и полученной жидкости с тем, чтобы образовалась смесь необходимой плотности и состава перед ее выходом из кожуха. Затраты энергии, требующиеся для ее растворения, на несколько порядков выше, чем затраты энергии, требующиеся для растворения твердых частиц в свежей жидкости в желаемом соотношении, т.к. подача энергии к смесителю относительно постоянна, качество продукта стремительно падает при увеличении соотношения твердых и жидких веществ.

При высоких скоростях потока твердых частиц растворение происходит по всему смесителю, а не только в зоне отражателя так, что воздух, заключенный в скоплениях, может достигнуть всаса крыльчатки. При сохранении высоких скоростей потока твердых частиц смеситель будет испытывать нехватку энергии для полного растворения этих скоплений и они будут поступать на выход, что приведет к получению неравномерного строительного раствора с включенным воздухом очень низкого качества.

Вторым важным недостатком смесителей, основанных на принципе баланса отражатель крыльчатка, является то, что они переполняются воздухом при высоких расходах. Размер атмосферного просвета в отражателе определяется балансом давления всасывания отражателя и давлением нагнетания, что было объяснено Олтхаузом [3] в приведенном выше патенте. При увеличении мощности смесителя давление нагнетания крыльчатки падает по двум причинам. Во-первых, жидкость через центробежную крыльчатку приводит к появлению отрицательной сетчатой скорости потока по отношению к той тангенциальной скорости жидкости, которая определяет давление нагнетания в кожуха. Во-вторых, при увеличении мощности возрастают потери от жидкостного трения в подводящих трубопроводах. Потери приводят к уменьшению абсолютного давления в кожухе. Именно абсолютное давление в кожухе уравновешивается отражателем и удерживается для образования просвета, в который подаются твердые вещества. При увеличении мощности смесителя атмосферный просвет отражателя также увеличивается.

В идеальной машине радиус просвета не может превышать радиуса отражателя до тех пор, пока давление в области смешивания больше, чем атмосферное давление. В реальных машинах, сконструированных в соответствии с Зинггом и Штоскопфом давление подачи жидкости превышает атмосферное. Так что, в принципе, воздуха не должен поступать в область смешивания. На практике может происходить иначе. Причиной является следующее.

Причины увеличения просвета, описанные выше, обычно проявляются одновременно и дополнительно взаимодействуют. При высоких скоростях просвет становится настолько большим, что кольцевое тело вращающейся жидкости и поступающие частицы становятся очень мелкими. В дополнение к этому участок потока с выходными твердыми частицами проходит по траектории вдоль направляющих кромок лопаток отражателя. Стенка, которая предотвращает проникновения воздуха в область смешивания, становится нестабильной, а просвет нерегулярным. Атмосферный воздух выходит за пределы периметра отражателя и наполняет кожух. В результате смеситель катастрофически теряет работоспособность и ломается.

При обычном применении смесителя рабочая жидкость поступает из питательного резервуара. При падении уровня в резервуаре во время прохождения процесса непрерывного смешивания гидростатический напор к входу жидкости в крыльчатку падает. Таким образом, атмосферный просвет продолжает увеличиваться благодаря эффективному падению абсолютного давления в кожухе смесителя. Зингг и Штоскопф описали питательный резервуар постоянного уровня для сдерживания этого нежелательного поведения, но их решение требует дополнительного оборудования и никогда широко не применялось. На практике падение качества продукции и риск потери работоспособности увеличиваются благодаря чувствительности смесителей, основанных на принципе баланса отражатель - крыльчатка к абсолютному давлению на входе.

Устройство, описанное МакИнтаером [4] [5] с предусмотренной продувкой воздуха фактически увеличивает риск наполнения кожуха воздухом. Существует граница раздела между строительным раствором и атмосферным воздухом по или около контура продувочного отверстия во время работы смесителя. Можно сказать, что продувочный клапан служит для открытия атмосферного просвета, очень похожего на просвет, отрываемый отражателем. Размер этого продувочного отверстия подчиняется тем же правилам, что и отражатель. Так при падении давления в кожухе граница раздела с атмосферой у продувочного отверстия увеличивается радиально. При высоких скоростях смесителя эта граница будет увеличиваться вплоть до величины диаметра крыльчатки, а воздух будет затекать через край отражателя из продувочного отверстия. Смеситель сразу же и катастрофически начинает терять работоспособность, будет переполняться твердыми веществами и сломается.

Способ и устройство, раскрытые здесь, не имеют недостатков, содержащихся в принципах и практике способов и устройств известного уровня техники, но включают в себя компоненты простой, непрерывной системы смешивания постоянного объема. Способ основан на изобретении средств, с помощью которых твердые частицы могут подаваться во входящий поток свежей жидкости перед тем, как эта жидкость будет рециркулирована в строительный раствор желательной плотности в кожухе. Гидравлический баланс устанавливается исходя из принципа, отличного от принципа, применявшегося в известном уровне техники. Способ и устройство также обладают преимуществами по сравнению с применяющимися на практике.

В соответствии с этим первостепенной целью изобретения является обеспечение улучшенного способа смешивания и устройство для непрерывного и быстрого перемешивания жидкости и раздробленных твердых веществ, в особенности при высоких концентрациях твердых веществ и в особенности в тех случаях, когда вещества состоят из мелких частиц.

Следующей целью изобретения является обеспечение улучшенного смесителя, который может работать в широком диапазоне динамики потока твердых веществ и жидкостей, в то же время сводя к минимуму риск нежелательных остановок и нежелательных отклонений качества смеси.

Следующей целью изобретения является обеспечение улучшенного смесителя, в котором содержится небольшое количество узлов и в котором быстрые изменения могут отражаться на объеме материалов, смешиваемых во время задания предварительно определенных пропорций компонентов.

Следующей целью изобретения является обеспечение улучшенного смесителя, который устанавливает положительное давление потока смешанного строительного раствора, необходимое для транспортировки строительного раствора к другому оборудованию, не требующей насоса и т.п.

Следующей целью изобретения является обеспечение улучшенного непрерывного смесителя, в котором механизм может продолжать работу, даже если линия подачи от смесителя закрыта или отключена другим способом.

Следующей целью изобретения является обеспечение улучшенного смесителя, который будет непрерывно производить смесь твердых и жидких веществ, обладающую заданной плотностью.

Следующей целью является обеспечение улучшенного смесителя, в особенности для смешивания цементных частиц и воды в нефтепромысловой промышленности с отсутствием или минимальным количеством воздуха в цементном растворе, допускающем точное измерение плотности.

Поставленная цель достигается тем, что по первому варианту в способе перемешивания твердых и жидких веществ, перекачиваемых насосом, включающем закрывание массы жидкости вокруг оси для образования просвета или вихря, граница раздела которого между жидкостью и атмосферой по существу соосна с осью вращения массы жидкости, увеличивающийся радиальный градиент давления устанавливают от границы раздела радиуса окружности массы жидкости, осуществляют подачу сыпучего материала в просвет и разбрасывание частиц по границе раздела в массу жидкости, где происходит перемешивание и слив смеси, давление подаваемой жидкости регулируют так, чтобы оно превышало минимальное давление и было бы меньше, чем максимальное давление вращающейся массы жидкости, а поток жидкости подают во вращающуюся массу жидкости в направлении, перпендикулярном его кольцевому сечению с внутренним радиусом, большим радиуса просвета, и внешним радиусом, меньшим, чем внешний радиус вращающейся массы жидкости, при этом слив смеси осуществляют по радиусу, большему, чем радиус вращающейся массы жидкости.

При этом давление вращающейся массы жидкости регулируют посредством вращения турбины. Кроме того, свежую жидкость подают под абсолютным давлением в пределах между давлением паров жидкости и абсолютным давлением, составляющим 1,5 от атмосферного.

В качестве сыпучего вещества можно использовать цемент, а в качестве жидкости водный состав. Можно также использовать в качестве сыпучего вещества подпорное вещество земляного происхождения, а в качестве жидкости - гельный состав. Возможен также вариант использования в качестве сыпучего вещества растворимого полимера, а в качестве жидкости водного состава.

Во втором варианте способа перемешивания твердых и жидких веществ, включающем закручивание массы жидкости вокруг оси посредством подведения к турбине питания для образования вихря, граница раздела которого между жидкостью и атмосферой, по существу, соосна с осью вращения турбины, устанавливают увеличивающийся радиальный градиент давления от границы раздела до радиуса турбины, подачу сыпучего материала в вихрь и разбрасывание частиц по границе раздела в массу жидкости, где происходит перемешивание, вывод смеси из кожуха турбины и подачу свежей жидкости в массу жидкости к турбине из всасывающего жидкостного патрубка, дополнительно закручивают массу жидкости противоположной стороной турбины при уменьшающемся радиальном градиенте давления от радиуса, большего радиуса вихря, до радиуса, большего одной десятой радиуса вихря, а вращающийся поток жидкости подают во вращающуюся массу жидкости в направлении, перпендикулярном входному кольцевому сечению с внутренним радиусом, большим радиусом вихря, и внешними радиусом, меньшим радиуса турбины.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для осуществления способа, содержащем кожух или закрытую обечайку с крышкой, дном и кольцевой стенкой, соединенной со средствами вывода смеси, входной канал для сыпучего вещества, расположенный в крышке, средство для ввода жидкости, турбину, соединенную со средствами вращения, установленную внутри кожуха соосно ему на расстоянии от его кольцевой стенки, турбина выполнена с открытой центральной частью, обращенной к отверстию входного канала для сыпучего вещества, и кольцевой открытой частью, обращенной к средству для ввода жидкости, выполненному кольцевым, при этом турбина снабжена лопатками, размещенными в кольцевом средстве для ввода жидкости, а средство для ввода жидкости снабжено статорными лопатками, кроме того, в качестве турбины использована турбина радиального потока или фасонная турбина или турбина смешанного потока. Турбина может быть снабжена верхней стенкой с лопатками обратного нагнетания. Турбина может быть выполнена вихревого типа или типа уменьшенной крыльчатки. Обечайка может быть выполнена закрученной в осевом направлении.

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 вертикальный разрез устройства согласно изобретению; на фиг. 2 увеличенный вид сверху; на фиг. 3 вертикальный разрез турбины, применяемой в варианте осуществления данного изобретения; на фиг. 4 и фиг. 5 вертикальные разрезы двух устройств в соответствии с изобретением, предпочтительных для применения в нефтепромыслах.

Внутренний радиус вращающегося тела жидкости определяет просвет. Кожух связан с атмосферой через кольцевое сечение просвета и таким образом давление по внутреннему радиусу вращающейся массы устанавливается по атмосферному. Подаваемая жидкость входит по радиусу большему, чем радиус просвета, и под давлением немного большим атмосферного. Таким образом, градиент давления во вращающемся теле жидкости не меняется и система остается стабильной. Подаваемая жидкость не может заливаться в просвет и вытекать из кожуха в атмосферу, так же как атмосферный воздух не может проникнуть в источник подачи жидкости и не может попасть в смесь.

Твердые частицы и прочее могут подаваться в просвет, где они контактируют с входящим потоком жидкости, подаваемым поперек кольцевого сечения. Активное перемешивание происходит во вращающейся массе жидкости, в которой твердые вещества и входящий поток жидкости приводятся в непосредственный контакт.

Входящий поток твердых частиц и жидкости непрерывно контактируют друг с другом в необходимых пропорциях или определенном соотношении компонентов смеси. Твердые вещества не рециркулируют в уже готовый строительный раствор и тем самым предотвращается образование скоплений.

Жидкость или строительный раствор сливаются из кожуха под давлением, полученным в результате вращения массы смеси в турбине. Таким образом, требуются только средства для вращения массы жидкости, для подачи твердых веществ в подаваемую жидкость, для смешивания компонентов друг с другом и для сжатия получающегося строительного раствора, выдавливания из кожуха.

Рассматривая фиг. 1, устройства смешивания данного изобретения обозначаются буквой М. В верхней части устройства расположен бункер или силос 10. Бункер служит в качестве емкости для твердых частиц в оборудован средствами регулировки потока твердых частиц (клапан У 2) 12, которые управляют потоком твердых веществ во входной канал 16 для сыпучего вещества в виде конуса.

Приводной вал 18 расположен внутри входного канала 16 для твердых веществ так, чтобы нижняя часть приводного вала проходила через входное отверстие для твердых веществ 17 смесителя в кожух 20. Приводной вал 18 соединен с вращающимися приводными средствами (не показаны), которые могут опираться или не опираться на элемент смесителя, как это требуется по условиям монтажа. Сжимающим и смешивающим элементом смесителя является турбина 22, которая закреплена у основания приводного вала 18 с помощью гайки 24.

Турбина 22 расположена внутри кожуха 20, имеющего крышку 21, дно 23 и кольцевую стенку 24 соосно с продольной осью кожуха. На турбине имеется втулка 26, к которой прикрепляются многочисленные лопатки 28. Эти лопатки располагаются вовнутрь по радиусу вдоль вершины втулки 26 до радиуса, приблизительно равного или немного меньшего, чем радиус 30 (фиг. 2) атмосферного просвета смесителя при номинальных условиях, которые определены ниже. Атмосферный просвет в общем случае представляет собой цилиндрический объем, определяемый поверхностью раздела 32 атмосферного воздуха и жидкостным составом в смесителе. Поверхность раздела, изображенная на фиг. 2 в виде волнистой линии, нарисована так с тем, чтобы показать, что она никогда на практике не бывает достаточно гладкой или цилиндрической. В предпочтительном варианте осуществления изобретения лопатки не полностью находятся в просвете, с тем чтобы избежать взаимодействия с потоком твердых веществ в турбину.

Лопатки 28 также направлены вовнутрь в радиальном направлении вдоль основания втулки 26 к внутреннему радиусу, который должен определяться следующим образом.

Выбрать номинальный диаметр просвета с такой площадью поперечного сечения, чтобы обеспечить максимальный поток твердых веществ, определенный для нормальной работы.

Выбрать диаметр турбины и рабочую скорость такими, чтобы создавалось расчетное давление выхода, принимая давление по радиусу просвета атмосферным. Наружный радиус турбины обычно должен быть равен приблизительно двум величинам номинального радиуса просвета.

Давление по краям втулки турбины 36 не должно быть меньше атмосферного, в противном случае воздух проникает во всасывающую зону турбины. Это неблагоприятное условие предотвращается путем установки радиуса внутреннего края лопаток 34 на всасе меньшим, чем величина радиуса края втулки 36. Для определения точного соотношения необходимо рассчитать минимально допустимую высоту столба жидкости над всасывающим патрубком (ДВСЖВП). Давление, возникающее в закрученной массе жидкости между радиусом 34 и радиусом 36 при расчетной скорости вращения турбины, должно быть больше разности между атмосферным давлением и минимумом ожидаемого ДВСЖВП.

Затем необходимо рассчитать максимальный ДВСЖВП. При работе устройства при этом условии абсолютное давление по периметру втулки 36 составляет максимальный ДВСЖВП плюс разность между атмосферным давлением и минимумом ДВСЖВП. Это давление будет уравновешено давлением, возникающим в закрученной массе жидкости между действительным радиусом просвета и кромкой втулки 36 и атмосферным давлением. В этой зависимости необходимо применять номинальный радиус просвета для определения радиуса втулки. Затем определить внутренний радиус краев всасывающей лопатки. Если они выполнены с некоторым шагом, как показано на фиг. 1, применять усредренные гидравлические коэффициенты. Необходимо также отметить, что если радиус втулки превышает радиус турбины более чем на 75% может возникнуть необходимость отрегулировать некоторые технические данные.

Все, кто знаком с известным уровнем техники, также увидят, что соответствующие факторы безопасности должны быть учтены во всех вычислениях. Они также отметят, что вычисления точных размеров могут быть в дальнейшем уточнены в зависимости от конкретного типа или вида турбины, выбранной для конкретного применения.

Для обеспечения равномерности потока вылеты кожуха 20 и втулки 26 спрофилированы таким образом, чтобы организовать между ними концевое средство для ввода жидкости в турбину. Площадь поперечного сечения этого отверстия должна быть выбрана такой, чтобы жидкость не ускорялась на всасе в соответствии с хорошим гидравлическим расчетом. Средство ввода 40 в турбину соединено напрямую и гладко со входным патрубком всасывания жидкости 42, также образующимся между втулкой 26 и внутренней стенкой кожуха. Статорные лопатки 44, которые предотвращают предварительное вращение жидкости и делают работу смесителя более предсказуемой, должны быть установлены на всасе жидкости путем прикрепления к внутренней стенке кожуха. Кольцевое всасывающее отверстие 46 мягко переходит в кольцевую секцию на входе жидкости в смеситель. Коллектор или трубопровод подачи жидкости 48 предназначен для подачи жидкости из жидкостного резервуара 49.

Лопатки турбины 28 вытянуты наружу по радиусу к кромке турбины и спрофилированы в соответствии с принципами хорошей конструкции турбомашины. В показанном предпочтительном варианте осуществления изобретения верхняя стенка 50 установлена на турбине между внутренним краем лопаток 38 для твердых веществ и кромкой турбины. Стенка 50 служит для ограничения множества поточных каналов 52 между лопатками и предотвращает проникновение твердых веществ через разъединенные верхние края лопаток и противоположную внутреннюю стенку кожуха 20. Глубина этих каналов должна быть постоянной,так чтобы входящий поток смеси в турбину тормозился в радиальном направлении. Замедление служит для минимизации эжекторных эффектов, которые могут способствовать проникновению воздуха. Множество лопаток обратного нагнетания 54 в соответствии с существующей практикой применяются для предотвращения обратного потока веществ в зазор между стенкой и внутренней стенкой кожуха, в то время как зазор служит также в качестве средства сброса воздуха.

Турбина 22 нагнетает в направлении перпендикулярном своей окружности в приемный отсек 55, определяемый вылетом кожуха 20. В предпочтительном варианте осуществления изобретения приемный отсек кожуха 55 представляет собой "полу-улитку". Площадь поперечного сечения этого отсека, рассматриваемая в качестве нормали к тангенциальному потоку смеси в кожухе, увеличивается начиная от перегородки 56 (фиг. 2) и далее в направлении средства вывода смеси выходного отверстия 58. Закон возрастания взят из гидравлической практики и должен быть просчитан на расстоянии вокруг окружности смесителя до выходного отверстия. Однако полная площадь поперечного сечения всегда выполняется значительно большей, чем приемный отсек кожуха 55 допускает для рециркуляции смеси. Это свойство служит для снижения любых неровностей потока твердых веществ в смеситель, обеспечивая более точное управление качеством смеси. В общем, площадь поперечного сечения не должна быть ни в какой точке меньше, чем площадь поперечного сечения выходного отверстия 58, которая определяется стандартной гидравлической практикой.

В показанном варианте осуществления изобретения кожух закручен вдоль продольной оси. Эта конфигурация предпочтительна по сравнению со стандартным методом радиальной закрутки по двум причинам. Во-первых, скорость, а следовательно, и давление со стороны, противоположной выходу из турбины, поддерживаются относительно постоянными. Так, просвет остается симметричным относительно входа твердых веществ, избегая опасности впрыскивания жидкости поперек сегмента этого входа. Во-вторых, он позволяет сконструировать устройство с меньшим общим диаметром, что более удобно и экономично.

С целью обеспечения дополнительной амортизации и лучшего управления, где это необходимо, некоторая часть выходящей смеси может быть возвращена в цикл или рециркулирована из выходного отверстия 58 назад в трубопровод подачи жидкости 48 с помощью трубопровода рециркуляции 60. Степень рециркуляции пропорциональна размеру, выбранному для этого трубопровода, и может определяться по правилам и принципам, хорошо известным тем, кто знаком с этой техникой. Клапан (клапан У 2) 62 установлен так, чтобы смеситель мог работать как в рециркуляционном, так и в прямом режиме в зависимости от обстоятельств, здесь описанных.

Точная конфигурация турбины 22 зависит от желательных характеристик предпочитаемого варианта осуществления изобретения.

На фиг. 1 и 2 показана турбина радиального потока, которая частично приспособлена для работы при низких расчетных скоростях. Ее следует выбрать в случае, если требуется относительно высокое давление выхода в соответствии с расходом. При более высоких расчетных скоростях, когда расход более важен, чем выходное давление, необходимо применять специальную конфигурацию. Турбина вихревого типа показана на фиг. 3, на которой сохранены наименования и позиции деталей. Эта конфигурация должна быть рассчитана, например, в тех случаях, когда обрабатываются высокоабразивные твердые вещества, а малые зазоры в твердых веществах или в поточных канавках строительного раствора в особенности нежелательны.

Выпуск лопаток в кольцевую зону всасывания с целью регулирования давления подаваемой жидкости использован в предпочитаемом варианте осуществления изобретения из-за своей простоты. Те, кто знаком с данной областью техники, также увидят, что различные общеизвестные средства регулирования давления подаваемой жидкости могут быть также использованы. Например, может быть установлен регулируемый вспомогательный насос низкого давления на линии между жидкостным резервуаром 49 и трубопроводом подачи жидкости 48. Могут быть выбраны эти средства и другие подобного типа в соответствии со способом настоящего изобретения.

Изобретение может быть проиллюстрировано описанием типичной работы, в которой порошок портландцемента смешивается с водой для получения цементного строительного раствора, годящегося для закачки в скважину с целью обеспечения гидроуплотнения между кожухом и горными образованиями с противоположной стороны кожуха.

В начале работы приводные средства вращают приводной вал 18 и турбину 22. Как только турбина приводится в действие, вода подается в коллектор 48. Вода течет к турбине через входной патрубок 46, патрубок всасывания жидкости 42 и кольцевое средство 40 ввода жидкости. Вода вращается турбиной, и по мере ее перетекания в приемный отсек 55 кожуха, ей сообщаются скорость и давление. Воздух в смесителе сбрасывается через зазор между верхней стенкой турбины и находящейся напротив крышкой кожуха 20. Так, смеситель может быть залит, даже если выходное отверстие 58 удобно держать заблокированным. Как только смеситель будет залит в этой последовательности и будет качать, он будет оставаться в залитом состоянии, даже если абсолютное давление вдоль канала входного отверстия упадет ниже атмосферного.

После того как смеситель залит, цементный порошок дозируется в турбину вдоль канала входного отверстия для твердых веществ, определяемого посредством регулятора потока 12, входным конусом для твердых веществ 16, входным отверстием для твердых веществ 17 и границей раздела воздух жидкость. В этой точке вода и частицы цемента контактируют. Затем они проходят через каналы 52 в турбине 22, где они перемешиваются и сжимаются в качестве строительного раствора. При этих условиях смеситель работает в рециркуляторном режиме с открытым клапаном 62. Когда плотность строительного раствора достигает желаемой величины, определяемой с помощью средств измерения, выходное отверстие открывается и строительный раствор подается под давлением к насосу высокого давления, который закачивает его в скважину.

Как только начинается закачка, цементный порошок продолжает подаваться вдоль входного канала твердых веществ. Вода подается в смеситель через входные каналы на основании объемного баланса, который говорит, что расход подаваемой воды равняется расходу выдаваемого строительного раствора минус расход подаваемого цементного порошка. Таким образом, плотность строительного раствора может управляться регулированием потока цементного порошка в смеситель или регулированием потока строительного раствора из смесителя вместе или по отдельности. Многочисленные действия регулирования не требуются. Как только смеситель достигнет стабильного состояния, клапан рециркуляции можно будет закрыть. Эта операции желательна в случае, если смеситель используется для работы при максимальной конструктивной мощности, а потери потока могут быть уменьшены. При более низкой мощности клапан необходимо оставить открытым для того, чтобы установить более точное управление плотностью строительного раствора.

Модифицированная версия смесителя в соответствии с изобретением, в особенности приспособленного для непрерывного приготовления строительных растворов для нефтяной, газовой или геотермической промышленности, а именно для цементирования пробуренных скважин, представлена на фиг. 4 и 5.

На фиг. 1-5 одинаковые позиции соответствуют одинаковому наименованию.

Как показано на фиг. 4, кожух 20 смесителя М содержит турбину 22 с лопатками 28. Цементные частицы поступают от бункера во входной канал 16 и отверстие 17 для твердых частиц. Вода или жидкость на основе воды с обычными для нефтепромыслов цементирующими добавками проходит через входные отверстия 46 и коллектор 48 из атмосферного жидкостного резервуара или с помощью силы тяжести или с помощью питающего насоса.

Статор 80 предотвращает вращение входящей жидкости, позволяя установиться в отсеке 82 постоянному давлению сразу под низом турбины 22.

Наиболее предпочтительным будет ограничение приемного отсека 55 по внешней стороне, например цилиндрической стенкой 81, а размещение выходного отверстия строительного раствора 58 будет предпочтительным позади указанной стенки, как показано на фиг. 4 и 5.

Над турбиной 22 предусмотрен горизонтальный диск 83 так, чтобы он был частично перекрыт лопатками 28, как показано на фиг. 4. Являясь необязательным для работы смесителя, этот диск предпочтителен, т.к. он предотвращает проникновение пыли твердых веществ через воздушное сбросное отверстие 84.

Как вариант, лопатки 28 могут вытягиваться вниз и образовывать впадину 85, целью которого является поддержание машины в залитом состоянии даже при низких давлениях, и в особенности когда весь смеситель M встроен в наклоненную конструкцию и необходимо "подтолкнуть" входящую жидкость вверх.

В устройствах, показанных на фиг.4 и 5, представлено преимущество стабильного просвета, что является существенным условием для достижения целей изобретений, представленных выше. В этом отношении горизонтальный диск в основании турбины определяет положение просвета или границы раздела 32 для данного давления воды или жидкости во входном отверстии 46.

Такие машины особенно полезны для непрерывного перемешивания частиц цемента с водой или жидкостью смешивания в нефтепромысловой промышленности и близких отраслях промышленности с очень точным управлением и контролем плотности производственного строительного раствора.

На фиг.5 представлена следующая версия машины, представленной на фиг.4, в которой входные патрубки коллектора 48 и отверстие 46 воды или жидкости расположены на крышке 21 кожуха 20. Вода или жидкость подается или из атмосферного резервуара 49 под действием силы тяжести, или через питающей насос.

Наиболее предпочтительно, чтобы вода проходила через верх цилиндрической камеры 90 смесителя между крышкой 21 кожуха 20 и промежуточной горизонтальной стенкой 91. Как крышка 21, так и горизонтальная стенка 91 имеет центральные отверстия, как показано на фиг.5, необходимые для обеспечения пространства для воздушника 84 и входного канала для твердых частиц.

Необходимо отметить, что горизонтальный диск 91 по внутренней части заканчивается некоторым перехлестом турбинных лопаток 28, в то время как крышка 21 по внутренней части выходит за пределы диска 91, так что просвет граница раздела воздух строительный раствор может установиться и стабилизироваться в положении, которое является промежуточным между двумя внутренними пределами соответственно крышки 21 и диска 91.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения фиксированная система лопаток, в общем представленная как 92, расположена сверху упомянутого центрального отверстия так, что входящая вода в камеру 90 защищена от закручивания.

Принципиальные задачи изобретения достигнуты, т.к. пропорции компонентов смеси никогда не будут превышать расчетных или желательных пропорций в любой точке агрегата в широком диапазоне типичных рабочих условий.

Смешивание строительного раствора портландцемента было использовано для иллюстрации работы изобретения, т.к. этот строительный раствор исключительно неудобен для смешивания в определенных пропорциях. В машинах, выполненных в соответствии с известным уровнем техники, цементный порошок должен был вводиться в строительный раствор, который уже был перемешан до желательной плотности. Но строительные цементные растворы на нефтепромыслах смешиваются до желательной плотности, так чтобы оставалось минимальным количество свободной воды. Т.е. пропорция порошка и жидкости выбирается такой, чтобы был минимум лишней воды, кроме той, которая необходима для смачивания порошка. Любое добавление цементного порошка сверх "точки свободной воды" приводит к образованию вязкой пасты или скоплениям частично смоченных и в общем с включениями воздуха твердых веществ. Их трудно уменьшить до однородного, пригодного к закачке строительного раствора без включений воздуха любыми экономичными средствами. Смеситель, представленный здесь, не подвержен этому недостатку. Цементный порошок вводится прямо в воду и перед образованием смеси сильно сжимается турбиной. Таким образом, высококачественный цементный раствор может подаваться смесителем без дальнейших стадий обработки.

Некоторые неожиданные преимущества присущи смесителю, основанному на методе баланса давления всасывания в одной турбине в противоположность балансу давления нагнетания между отражателем и крыльчаткой, что раскрыто в известном уровне техники. Турбина может быть сконструирована в соответствии с хорошо известными принципами конструирования для турбинного машиностроения. Лопатки могут быть отогнуты для определения наиболее эффективной точки или диапазона наиболее эффективных точек для машины. При этом значительно уменьшается эрозия, вызванная твердыми абразивными веществами.

Кроме того, за счет того, что все жидкости протекают через турбину в виде строительного раствора, годящегося для закачки, ее гидравлический коэффициент полезного действия может быть высоким настолько, насколько это позволяет современная практика проектирования турбомашин. Элемент крыльчатки, описанный в известной технике, может быть выполнен в соответствии со стандартными принципами конструирования, а его эффективность может быть достаточно высокой. Но отражатель, описанный в известной технике, служит в качестве задерживающего устройства. Он отбирает мощность двигателя, но не дает значительных преимуществ. В отношении строительного раствора в кожухе он работает в "закрытом" состоянии, при котором его гидравлический коэффициент полезного действия очень низок. Небольшой скачок давления нагнетания, отмеченный Зинггом и Штоскопфом, происходит благодаря тому фактору, что окружная скорость отражателя обязательно больше, чем скорость крыльчатки, и эта надбавка скорости может быть удалена давлением с помощью подходящего диффузора. Однако эффект будет невелик и его вклад в общий коэффициент полезного действия устройств, описанных в известной технике, по существу, пренебрежительно мал. Для отражателя необходимы затраты мощности, которые не идут ни на закалку, ни на перемешивание, но напрямую теряются на тепло. Смеситель, описанный здесь, не устанавливает неэффективного отражателя в противоположность потенциально эффективной крыльчатке. Нормальные потери давления нагнетания с увеличенным расходом становятся положительным преимуществом вместо непреодолимого недостатка. При сравнимых рабочих условиях смеситель требует примерно половину входной мощности машин, сконструированных в соответствии с известным уровнем техники.

Следующее преимущество способа состоит в том, что конфигурация турбины может быть выбрана из большей группы стандартных типов, чем это возможно в конструкциях машин, основанных на предыдущих разработках. Конфигурация турбины может быть выбрана из диапазона, пределы которого колеблются от конфигураций для "радиального потока" до конфигурации для смешанного потока. Конфигурация "вихревой" или "уменьшенной крыльчатки" может быть также выбрана в соответствии с этим изобретением.

Следующее преимущество состоит в том, что устройство, описанное в данной работе, дешевле и обладает меньшими размерами, чем машины, сконструированные в соответствии с известным уровнем техники.

Следующее преимущество состоит в том, что устройство может применяться для разнообразных работ на нефтепромыслах. Смешивание цементного порошка использовалось для иллюстрации его работы так подробно из-за того, что цементные растворы трудны для смешивания. Смесители, сконструированные в соответствии с предыдущими разработками, предназначались исключительно для смешивания песка, они не могут перемешивать цементный раствор подходящего качества по многим причинам. Цементные частицы легко образуют пасты и скопления, которые благодаря малому размеру частиц трудны для растворения в густом растворе. Смесители, сконструированные в соответствии с известным уровнем техники, не могут также как следует перемешать гельные или полимерные растворы. Полимеры, растворяемые водой, также трудны для растворения в жидкой среде. Многие из них достаточно нежелательны в среде, которая уже содержит растворенные полимеры. Следовательно, смеситель, который не приводит полимерный порошок в немедленный прямой контакт со свежей водной средой, будет производить продукт низкого качества. Смеситель, описанный в данной работе, требует контакта твердых частиц с подаваемой свежей жидкостью при надлежащих соотношениях твердых частиц и жидкости и поддерживает это соотношение во время их прохождения через агрегат. Следовательно, он будет посредственно перемешивать растворы высококачественного цемента, геля или песка.

Следующим преимуществом является то, что смеситель, описанный в данной работе, может обрабатывать большой поток твердых частиц, чья плотность значительно уступает плотности жидкости, также составляющей смесь. Машины, сконструированные в соответствии с известным уровнем техники, способны обрабатывать небольшие соотношения твердых частиц с низкой плотностью благодаря рециркуляции смеси в камерах, определяемых лопатками отражателей, но они останавливаются при более высоких соотношениях. Т.к. этот смеситель приводит в контакт входящие частицы с полным объемным потоком свежей жидкости на границе раздела воздух жидкость, то ничто не будет препятствовать перемешиванию высоких соотношений твердых веществ и жидкости с низкой плотностью частиц.

Реферат

Использование изобретения: устройство для смешивания, обеспечивающее реализацию способа, приспособлено для непрерывного смешивания твердых и жидких материалов, физические свойства которых могут изменяться в широком диапазоне величин без снижения качества продукта. Сущность изобретения: устройство состоит из вращающейся турбины 22, заключенной в кожух 20. Турбина спрофилирована таким образом, чтобы открывался просвет во вращающийся поток жидкости, в который могут проникать твердые вещества. Полученная жидкость поступает при установленном давлении в турбину через кольцевое всасывающее отверстие. Устройство выполнено таким образом, чтобы отношение твердого вещества к жидкому оставалось постоянным от момента предварительного контакта друг с другом до момента выпуска из устройства в качестве перемешанного продукта. Давление подаваемой жидкости регулируют так, чтобы оно превышало минимальное давление и было бы меньше, чем максимальное давление вращающейся массы жидкости, поток жидкости подают во вращающуюся массу жидкости в направлении, перпендикулярном его кольцевому сечению, с внутренним радиусом, большим радиуса просвета, и внешним радиусом, меньшим, чем внешний радиус вращающейся массы жидкости. 2 с. и 12 з.п. ф-лы, 5 ил.

Формула