ДОЗАТОР ДЛЯ ЖИДКИХ РЕАГЕНТОВ Российский патент 2005 года по МПК G01F11/00 F17D3/12 

Область техники

Изобретение относится к области химической технологии, а более конкретно - к устройствам для дозирования жидких реагентов, и может найти применение, например, в системах водоподготовки, в химической и нефтехимической промышленностях, а также при добыче и транспортировке нефти и газа.

Уровень техники

Известен самотечный дозатор жидкости [1], который состоит из замкнутой емкости, заполненной дозируемой жидкостью, впускного и выпускного патрубков, сообщающих емкость со средой, причем выходные концы патрубков смещены по вертикали, один из патрубков выполнен с насадкой с калиброванным отверстием, а выходной конец впускного патрубка соединен с зоной скопления поступающей в емкость среды пленочным рукавом. Дозатор работает независимо от взаимной смешиваемости дозируемой жидкости среды, а также при любом соотношении плотностей дозируемой жидкости и среды. К недостаткам описанной конструкции дозатора относится ее непригодность для дозирования жидкости в среды, перемещаемые по трубопроводам под давлением, так как дозатор работает самотеком. Также недостатком является невозможность точного поддержания постоянного соотношения между подачей дозируемой жидкости и среды при изменении расхода среды. Кроме того, соотношение между подачей дозируемой жидкости и среды можно регулировать только изменением диаметра калиброванного отверстия, следовательно, регулирование соотношения трудоемко, а плавное регулирование в процессе работы дозатора невозможно.

Известно устройство для дозированной подачи реагента в нефтепровод [2], которое включает контейнер с реагентом, верхняя часть которого сообщена с газосборником на нефтепроводе посредством газопровода, нижняя же часть контейнера связана с нефтепроводом посредством трубки, снабженной регулирующим клапаном. Дозированная подача реагента в нефтепровод осуществляется за счет давления высоты столба реагента в контейнере при выравнивании давления в контейнер и нефтепроводе.

К недостаткам описанной конструкции дозатора относится невозможность точного поддержания постоянного соотношения между подачей дозируемого реагента и нефти при изменении расхода нефти в нефтепроводе, так как дозированная подача реагента в нефтепровод осуществляется только за счет давления высоты столба реагента в контейнере и никак не связана с расходом нефти. В процессе дозирования подача дозируемого реагента изменяется от наибольшей величины до нуля из-за изменения высоты столба реагента в контейнере. Кроме того, для регулировки соотношения между подачей реагента и расходом нефти необходимо использовать регулирующий клапан, следовательно, плавное регулирование в процессе работы дозатора трудоемко.

Наиболее близким по своей сущности и достигаемому техническому результату к заявляемому техническому решению является дозатор для жидких реагентов [3], который содержит контейнер для реагента и устройство для отбора динамического напора, расположенное в магистральном потоке. При этом устройство для отбора динамического напора включает два трубопровода, расположенные в различных положениях по отношению к направлению магистрального потока. В частном случае устройство для отбора динамического напора выполнено с возможностью поворота относительно магистрального потока. К недостаткам данной конструкции относится конструктивная сложность устройства для отбора динамического напора, которое включает два трубопровода, и сложность регулировки отношения подачи реагента к расходу среды в магистральном потоке. Точное изготовление устройства для отбора динамического напора, которое содержит два трубопровода, является сложным. Из-за этого при изготовлении дозатора сложно добиться плавной регулировки отношения подачи реагента к расходу среды в магистральном потоке. При изменении расхода среды в магистральном потоке на краях трубопроводов возникают завихрения, характер которых трудно предугадать. Эти завихрения приводят к нарушению точности дозирования реагента.

Сущность изобретения

Целью заявляемого изобретения является создание простой и надежной конструкции дозатора и повышение точности дозирования реагента. Техническим результатом, который достигается посредством заявляемой конструкции, является упрощение и удешевление конструкции дозатора, повышение его надежности, повышение точности регулирования дозирования реагента при изменении расхода среды в магистральном потоке в широких пределах.

Технический результат достигается тем, что дозатор для жидких реагентов содержит контейнер для реагента и устройство для отбора динамического напора, расположенное в магистральном потоке. При этом устройство для отбора динамического напора выполнено в виде шара с двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок, шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара.

Дозатор работает следующим образом. При обтекании шара магистральным потоком вокруг шара возникает определенное поле скоростей (см. [4], т. 5, стр. 251), а так как по закону Бернулли (см. [4], т. 7, стр. 240) скорость и давление в потоке жидкости взаимосвязаны, то вокруг шара возникает определенный перепад давлений между двумя отверстиями, зависящий от расположения осей этих отверстий. Следовательно, между двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу, возникает перепад давлений, который непосредственно связан с расходом среды в магистральном потоке. За счет этого перепада давлений реагент из контейнера, с которым отверстия сообщаются посредством двух соединительных трубок, поступает в магистральный поток через отверстие с меньшим давлением. Через отверстие с большим давлением среда из магистрального потока поступает в контейнер и замещает реагент в контейнере.

В отдельном случае осуществления заявляемого изобретения дозатор содержит дополнительно устройство для калибровки расхода реагента, расположенное на одной из соединительных трубок между контейнером для реагента и устройством для отбора динамического напора.

По сравнению с прототипом то, что устройство для отбора динамического напора выполнено в виде шара с двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок, шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара, является новым во всех случаях осуществления заявляемого изобретения. Выполнение устройства для отбора динамического напора в виде шара с двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок, причем шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара, позволяет простыми техническими средствами создать перепад давлений, непосредственно связанный с расходом среды в магистральном потоке, обеспечить упрощение и удешевление конструкции дозатора, повышение его надежности и повышение точности регулирования дозирования реагента при изменении расхода среды в магистральном потоке в широких пределах. Тем самым достигается технический результат.

На чертеже изображена схема, иллюстрирующая возможность осуществления заявляемого изобретения. На схеме применены следующие обозначения:

1 - контейнер для реагента;

2 - устройство для отбора динамического напора;

3 и 4 - отверстия, расположенные под углом друг к другу;

5 и 6 - соединительные трубки;

7 - устройство для калибровки расхода реагента.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

Дозатор для жидких реагентов содержит контейнер для реагента 1 и устройство для отбора динамического напора 2, которое выполнено в виде шара с двумя отверстиями 3 и 4, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок 5 и 6. Между контейнером для реагента и устройством для отбора динамического напора на одной из соединительных трубок расположено устройство для калибровки расхода реагента 7. Шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока. Ось отверстия 4 совпадает с осью вращения шара.

Дозатор для жидких реагентов работает следующим образом. Если устройство для отбора динамического напора 2 расположено так, как показано на чертеже, то при обтекании шара магистральным потоком скорость магистрального потока возле отверстия 3 минимальна, а скорость магистрального потока возле отверстия 4 максимальна. В соответствии с законом Бернулли давление среды в магистральном потоке возле отверстия 3 максимально, а возле отверстия 4 минимально. За счет этого перепада давлений реагент из контейнера 1, через устройство для калибровки расхода реагента 7, соединительную трубку 6 и отверстие 4 поступает в магистральный поток. Среда из магистрального потока через отверстие 3 и соединительную трубку 5 поступает в контейнер 1 и замещает реагент в контейнере. Перепад давлений АР между отверстиями 3 и 4 будет пропорциональным квадрату скорости магистрального потока w_{магистр:}

где k₁ - коэффициент пропорциональности. Устройство для калибровки расхода реагента 7 пропускает реагент в количестве q_{реагент}, пропорциональном корню квадратному из перепада давлений ΔР:

где k₂ - коэффициент пропорциональности. Следовательно, количество дозируемого реагента

прямо пропорционально скорости магистрального потока, или расходу среды в магистральном потоке. Если повернуть устройство для отбора динамического напора 2 на 90° в любую сторону относительно положения, показанного на фигуре, то оси обоих отверстий будут составлять с направлением магистрального потока одинаковые углы, равные 90°. Поэтому при обтекании шара магистральным потоком вокруг шара скорость магистрального потока возле отверстия 3 будет равна скорости магистрального потока возле отверстия 4. Следовательно, давление среды в магистральном потоке возле отверстия 3 будет равно давлению возле отверстия 4, и перепад давлений будет равен нулю. Поэтому при таком повороте устройства для отбора динамического напора реагент не будет поступать в поток при любой скорости магистрального потока w_{магистр}. При промежуточных углах поворота устройства для отбора динамического напора количество дозируемого реагента будет плавно изменяться в зависимости от угла поворота шара, но всегда будет прямо пропорционально расходу среды в магистральном потоке.

Приведенные выкладки подтверждаются следующими экспериментальными данными. По схеме, показанной на чертеже, был изготовлен дозатор для жидких реагентов с объемом контейнера для реагента, равным 0,05 м³. Устройство для отбора динамического напора, выполненное в виде шара с двумя отверстиями, было размещено с возможностью поворота в трубопроводе с внутренним диаметром 0,200±0,003 м, по которому проходил магистральный поток воды. Ось вращения шара с точностью ±0,5° перпендикулярна оси трубопровода, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара. Отверстия сообщаются с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок. На одной из соединительных трубок между контейнером для реагента и устройством для отбора динамического напора установлено устройство для калибровки расхода реагента в виде шайбы с внутренним диаметром (3±0,1)-10^-3 м. Расход воды в магистральном потоке измеряли расходомером индукционным РИ-4. Этот расход изменяли от 20 до 200 м³/ч (от 0,0056 до 0,056 м³/c), что соответствует скорости магистрального потока от 0,18 до 1,78 м/с. Опыты проводили при положении устройства для отбора динамического напора, изображенном на чертеже, а также при повороте на угол 45° и 90° относительно указанного положения. В качестве жидкого реагента использовали 10%-ный водный раствор ингибитора коррозии (натриевой соли цинкового комплекса оксиэтилидендифосфоновой кислоты), подкрашенный красителем “кристаллический фиолетовый”. За расходом жидкого реагента наблюдали через корпус устройства для калибровки расхода реагента, который был выполнен прозрачным. Расход жидкого реагента определяли по времени истечения 0,05 м³ раствора. Результаты опытов приведены в таблице.

При положении устройства для отбора динамического напора, изображенном на чертеже (опыты №№1-5), при изменении расхода воды в магистральном потоке расход жидкого реагента изменяется пропорционально расходу воды в магистральном потоке. Следовательно, отношение подачи реагента к расходу среды в магистральном потоке (0,00010-0,00013) автоматически поддерживается постоянным (с приемлемой в инженерной практике погрешностью). Незначительные отклонения можно отнести на счет возникновения завихрений в магистральном потоке.

При повороте устройства для отбора динамического напора на угол 45° относительно положения, изображенного на чертеже (опыты №№6-10), при изменении расхода воды в магистральном потоке отношение подачи реагента к расходу среды в магистральном потоке (0,00005-0,00006) также автоматически поддерживается постоянным (с приемлемой в инженерной практике погрешностью), но примерно в 2 раза меньше, чем в опытах №№1-5.

При повороте устройства для отбора динамического напора на угол 90° относительно положения, изображенного на чертеже (опыты №№11-15), подача реагента оказывается близкой к нулю при всех значениях расхода воды в магистральном потоке. Соответственно, отношение подачи реагента к расходу среды в магистральном потоке также постоянно и близко к 0,00000.

Приведенные сведения подтверждают возможность осуществления заявляемой конструкции дозатора для жидких реагентов. При этом заявляемая конструкция дозатора является простой, дешевой и надежной, а также обеспечивает повышение точности регулирования дозирования реагента при изменении расхода среды в магистральном потоке в широких пределах.

Промышленная применимость

Дозатор для жидких реагентов может быть применен в промышленности. Заявляемая конструкция проста, дешева, надежна и при этом обеспечивает точность регулирования дозирования реагента при изменении расхода среды в магистральном потоке в широких пределах. Эти качества делают использование заявляемой конструкции возможным и целесообразным, например, в системах водоподготовки, в химической и нефтехимической промышленностях, а также при добыче и транспортировке нефти и газа. Для осуществления заявляемого изобретения не требуется сложных технических средств. Изготовление дозатора для жидких реагентов описанной конструкции возможно известными и широко распространенными в промышленности методами на оборудовании, традиционно применяемом в химическом и нефтегазовом машиностроении.

Источники информации

1. Патент РФ №2045748, МПК G 01 F 11/00, опубл. 10.10.1995 г. Самотечный дозатор жидкости / Даутов Ф.И.

2. Патент РФ №2133913, МПК F 17 D 3/12, опубл. 27.07.1999 г. Устройство для дозированной подачи реагента в нефтепровод /Хазиев Н.П., Голубев В.Ф., Газизов М.Г.

3. Свидетельство на полезную модель РФ №22714, МПК G 05 D 11/03, Е 21 В 37/06, опубл. 20.04.2002 г. Дозатор для жидких реагентов /Чаусов Ф.Ф., Бартенев О.А., Плетнев М.А., Раевская Г.А. (прототип).

4. Фейнман Р., Лейтон Р., Сэндс М. Фейнмановские лекции по физике. М.: Мир, 1977.

Изобретение относится к средствам дозирования и может найти применение, например, в системах водоподготовки, в химической и нефтехимической промышленности, а также при добыче и транспортировке нефти и газа. Изобретение направлено на создание простой и надежной конструкции дозатора и повышение точности дозирования реагента. Дозатор для жидких реагентов содержит контейнер для реагента и устройство для отбора динамического напора, расположенное в магистральном потоке. Устройство для отбора динамического напора выполнено в виде шара с двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок, шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара. Дозатор может содержать дополнительно устройство для калибровки расхода реагента, расположенное на одной из соединительных трубок между контейнером для реагента и устройством для отбора динамического напора. При обтекании шара магистральным потоком между двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу, возникает перепад давлений, который непосредственно связан с расходом среды в магистральном потоке. За счет этого перепада давлений реагент из контейнера, с которым отверстия сообщаются посредством двух соединительных трубок, поступает в магистральный поток через отверстие с меньшим давлением. Через отверстие с большим давлением среда из магистрального потока поступает в контейнер и замещает реагент в контейнере. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 ил.

1. Дозатор для жидких реагентов, содержащий контейнер для реагента и устройство для отбора динамического напора, расположенное в магистральном потоке, отличающийся тем, что устройство для отбора динамического напора выполнено в виде шара с двумя отверстиями, расположенными под углом друг к другу и сообщающимися с контейнером для реагента посредством двух соединительных трубок, шар выполнен с возможностью поворота вокруг оси, перпендикулярной направлению магистрального потока, а ось одного из отверстий совпадает с осью вращения шара.2. Дозатор по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит устройство для калибровки расхода реагента, расположенное на одной из соединительных трубок между контейнером для реагента и устройством для отбора динамического напора.