ГИДРОЭЖЕКТОРНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ Российский патент 2012 года по МПК B28C5/38 B01F5/04 

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

Аналогом изобретения является смеситель СГМ-100, выпускаемый компанией «Техномехсервис» (материалы сайта www.tmc.su, найдено 21.04.2010 г.). Смеситель СГМ-100 предназначен для приготовления, обработки, утяжеления и предварительного диспергирования буровых растворов на водной основе и углеводородных эмульсий путем смешения порошкообразных материалов (барита, глинопорошка и химических реагентов) с жидкостью в высокотурбулентном потоке. Приготовление буровых растворов может производиться как от центробежного насоса типа 6Ш8-2, так и от цементировочного агрегата при условии смены сопла.

Относительные размеры проточной части смесителя: внутренний диаметр камеры смешения составляет от 1,6 до 2,7 внутренних диаметров выходного сечения рабочей насадки; длина камеры смешения составляет не менее 9,8 ее диаметров, а расстояния от выходного сечения рабочей насадки до входного сечения камеры смешения составляет 3 диаметра камеры смешения.

Недостатками аналога являются низкий коэффициент эжекции порошкообразного материала; неудовлетворительное смешение разнофазных потоков - порошок и вода лишь соединяются в камере смешения, а достаточная степень диспергации достигается уже с применением лопастных перемешивателей; невозможность эжекции влажных, слежавшихся порошкообразных материалов-утяжелителей.

Прототип изобретения выявлен в патенте RU 2206706 С1 (Заявка 2000123973/03, 18.09.2000, авторы Логвиненко С.В., Вяхирев В.И., Шаманов С.А., Рогов А.А.) в виде устройства, включающего гидросмеситель струйного типа, содержащий приемную и смесительную камеры. Сопло гидросмесителя установлено с возможностью регулирования зазора в проходном сечении эжектора. Для подачи жидкости через эжектор служит ниппель. Осреднительная емкость связана гидроэлеватором со смесительной камерой гидросмесителя. Рециркуляционная линия имеет кран и выполнена с возможностью соединения с агрегатом, обеспечивающим отбор из осреднительной емкости раствора с плотностью ниже расчетной. При перекрытом кране агрегат подает раствор пониженной плотности через рециркуляционную линию и сопло в гидросмеситель.

Недостатком представленного прототипа является то, что технический результат - повышение эффективности смешения жидкой и твердой фаз, возможность широкого варьирования величиной плотности в процессе приготовления раствора - достигается за счет дополнительно комплектуемого в обвязку оборудования: рециркуляционной линии, гидроэлеватора, осреднительных и промежуточных емкостей, запорно-регулирующей арматуры, насосов высокого давления, обеспечивающих давление нагнетания от 80×10⁵ до 120×10⁵ Па.

Задачей настоящего изобретения является повышение коэффициента эжекции по порошкообразному материалу до максимального значения при снижении гидравлической мощности центробежного насоса, а также интенсификация процесса смешения активной и эжектируемой сред.

Техническим результатом является увеличение плотности аэрозольного потока на всасывающей линии смесителя, обеспечение достаточной степени диспергации приготавливаемого раствора, сокращение времени приготовления рабочей смеси.

Технический результат достигается тем, что внутренний диаметр камеры смешения составляет 4-5 внутренних диаметров выходного сечения рабочей насадки, длина камеры смешения составляет 20-35 ее диаметров, а расстояние Z от выходного сечения рабочей насадки до входного сечения камеры смешения составляет 2-6 диаметров камеры смешения.

Выполненный таким образом гидроэжекторный смеситель позволяет при работе обеспечить в единицу времени максимальное количество порошкообразного материала при минимальном значении транспортирующего его воздуха, и соответственно чем будет выше коэффициент эжекции по порошкообразному материалу, тем выше плотность аэрозоля.

Сокращение времени приготовления раствора достигается за счет однократной циркуляции через смеситель приготавливаемого раствора и доведения его до необходимой степени диспергации в отличие от существующей технологии многократного циркулирования смеси.

Поставленный технический результат был получен в ходе проведения экспериментальных исследований на модели гидроэжекторного смесителя, полностью отвечающей условиям геометрического, гидродинамического и силового подобия натурному образцу.

Графически результаты экспериментов представлены на фиг.1, в виде зависимостей коэффициента эжекции u_o от геометрического параметра (d_кс/d_н)² при давлении рабочей жидкости на насадке р_р. Подробный анализ кривых убеждает, что своего максимума функция u_omax=f((d_кс/d_н)²) достигает при давлении на насадке, равном 3×10⁵ Па. Коэффициент эжекции максимален при значении основного геометрического параметра (d_кс/d_н)², равном 16÷25 или d_кс/d_н=4÷5. Абсолютные размеры насадки не оказывают влияния на u_o при одинаковых давлениях на насадке и отношениях d_кс/d_н.

По выявленному экстремуму функции u_omax=f((d_кс/d_н)²) для каждой кривой, рассчитывались скорости истечения жидкости из насадки.

На фиг.2 графически представлена функция u_omax=f(v).

Анализируя полученную кривую, можно сделать вывод, что с увеличением скорости истечения из насадки коэффициент эжекции увеличивается по степенной зависимости. Очевидно, что в процессе работы смесителя целесообразно создание скоростей истечения из насадки более 20 м/с.

При расстоянии Z от выхода струи из рабочей насадки до входа в камеру смешения, в относительных величинах равном 6 d_кс, был достигнут максимальный коэффициент эжекции.

Расстояние Z конструктивно следует выбирать не менее двух диаметров камеры смешения (2 d_кс), но не более 6 d_кс, так как только в этом случае удастся избежать обратных токов и разбрызгивания струи.

Для выявления наиболее эффективной длины камеры смешения был проведен следующий анализ. Увеличение длины камеры смешения до (14÷20) d_кс приводит к увеличению u_o примерно в два раза. Наибольшая прибавка u_o происходит при увеличении длины камеры смешения в диапазоне от 14 d_кс до 18 d_кс. Максимального значения коэффициент подсоса u_o достигает при l_кc=(20-35)d_кс. При увеличении l_кс свыше (40÷48)d_кс коэффициент подсоса снова уменьшается до значений, соответствующих l_кс=14d_кс.

На фиг.3 представлен общий вид гидроэжекторного смесителя.

Конструкция включает приемную камеру 4, выполненную в виде тонкостенного полого цилиндра, к которому приварен конфузор 2 для осуществления плавного перехода от приемной камеры 4 к камере смешения 1. В приемной камере 4 на резьбе закреплена рабочая насадка 5 диаметром d_н. С конфузором стыкуется камера смешения 1 внутренним диаметром d_кс и длиной l_кс. Заканчивается камера смешения 1 сливным патрубком 6. Расстояние между выходным отверстием рабочей насадки 5 и входом в камеру смешения 1 составляет значение Z. Под углом 60° к приемной камере 4 приварен всасывающий патрубок 3 диаметром D для подвода порошкообразного материала.

Гидроэжекторный смеситель работает следующим образом: жидкость затворения подают на рабочую насадку 5 гидроэжекторного смесителя. Из рабочей насадки 5 вылетающая струя с большой скоростью и давлением более низким, чем в приемной камере 4, увлекает пассивный (эжектируемый) поток воздуха, который начинает поступать в результате действующего перепада давлений из всасывающего патрубка 3. Поток воздуха транспортирует порошкообразный материал через всасывающий патрубок 3. В камере смешения 1 происходит смешение разнофазных потоков, достигается достаточная степень диспергации порошкообразного материала (равномерное распределение дисперсной фазы в дисперсионной среде), приготовленная смесь сбрасывается через сливной патрубок 6.

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. Гидроэжекторный смеситель состоит из приемной камеры (4), рабочей насадки (5), камеры смешения (1), всасывающего патрубка (3). Внутренний диаметр камеры смешения составляет 4-5 внутренних диаметров выходного сечения рабочей насадки, длина камеры смешения составляет 20-35 ее диаметров, а расстояние Z от выходного сечения рабочей насадки до входного сечения камеры смешения составляет 2-6 диаметров камеры смешения. Изобретение позволяет увеличить плотность аэрозольного потока на всасывающей линии смесителя, обеспечить достаточную степень диспергации приготавливаемого раствора, сократить время приготовления рабочей смеси. 3 ил.

Гидроэжекторный смеситель, состоящий из приемной камеры, рабочей насадки, камеры смешения, всасывающего патрубка, отличающийся тем, что внутренний диаметр камеры смешения составляет 4÷5 внутренних диаметров выходного сечения рабочей насадки, длина камеры смешения составляет 20÷35 ее диаметров, а расстояние Z от выходного сечения рабочей насадки до входного сечения камеры смешения составляет 2÷6 диаметров камеры смешения.