СТРУЙНЫЙ СМЕСИТЕЛЬ-ЭЖЕКТОР Российский патент 2014 года по МПК E21B21/06 B28C5/38 

Изобретение может использоваться в химической, строительной, пищевой, а особенно в нефтяной и газовой промышленности при приготовлении буровых промывочных и тампонажных растворов. Оно относится к устройствам для приготовления растворов путем смешивания порошкообразного материала с гранулометрическим составом от 5 до 75 мкм (бентонитовый глинопорошок, цемент, барит и др.) и жидкости затворения.

Аналогом изобретения является гидроэжекторный смеситель (патент РФ №2442686), состоящий из приемной камеры, рабочей насадки, камеры смешения, всасывающего патрубка. Отношение площадей живого сечения камеры смешения и рабочей насадки составляет от 16 до 25. В изобретении предлагается формировать определенные скорости при истечении струи из рабочей насадки. Данный гидроэжекторный смеситель работает по принципу струйного насоса с центральным соплом.

Промысловые испытания данного гидроэжекторного смесителя показали, что при приготовлении тампонажного раствора плотностью от 1800 кг/м³, когда одновременно необходимо ввести расчетное количество жидкости и порошкообразного материала, ввиду ограниченности расхода жидкости затворения камера смешения не полностью заполняется жидкостью, истекающей из рабочей насадки, поэтому не образуется гидрозатвора, и подсасывается воздух из выкида смесителя. При этом коэффициент эжекции, в том числе по порошкообразному материалу, резко снижается.

Прототип изобретения выявлен в авторском свидетельстве SU №1171078 в виде смесителя, содержащего напорную камеру, конфузор, патрубок инжектируемого компонента, сопло, нагнетательный патрубок. Смеситель предназначен для приготовления раствора и решает задачу повышения качества смеси путем создания зоны высокой турбулентности за счет того, что инжектируемый компонент измельчается до мелкодисперсного состояния, так как попадает внутрь рабочего потока.

Недостатком представленного прототипа является то, что только в самом начальном участке камеры смешения работает принцип кольцевой подачи порошкообразного материала. Далее все три потока соединяются и в результате преобладания кинетической энергии возможны обратные токи из камеры смешения в приемную камеру. Данная технология неудовлетворительно реализуется при работе с цементными растворами завышенной плотности от 1800 кг/м³, для которых расход жидкости затворения минимальный, а коэффициент эжекции по порошкообразному материалу должен быть максимальным.

Задачей настоящего изобретения является достижение заданной плотности раствора, повышение качества смеси.

Техническим результатом является кратное увеличение коэффициента эжекции, в том числе и по порошкообразному материалу, интенсификация процесса смешения активной и эжектируемой сред.

Технический результат достигается тем, что в струйном смесителе-эжекторе, состоящем из всасывающего патрубка, патрубка подвода жидкости затворения, приемной камеры, кольцевой рабочей насадки, камеры смешения, камера смешения выполнена в виде кольцевого канала, соосного с кольцевой рабочей насадкой, причем внешний диаметр камеры смешения больше внешнего диаметра рабочей насадки в 2 раза, внутренний диаметр камеры смешения меньше внутреннего диаметра рабочей насадки в 1,5 раза, а отношение площадей живых сечений камеры смешения и рабочей насадки находится в пределах 5-10.

При проектировании работы струйного смесителя-эжектора жидкость затворения (активный поток) подается по кольцевой рабочей насадке, камера смешения имеет кольцевое сечение за счет установленного внутри цилиндрического тела. Порошкообразный материал (эжектируемый поток) также подается по кольцу. Ввод жидкости затворения по кольцу позволит увеличить поверхность эжектирующей струи и тем самым увеличить производительность по порошкообразному материалу. Ввод по кольцу порошкообразного материала позволит дозированно и с большей поверхностью контакта осуществить смачивание всех порошкообразных частиц-компонентов раствора. Кольцевая камера смешения увеличит зону турбулентности струи рабочей жидкости, что позволит измельчить эжектируемый компонент, достигнув заданной степени диспергации и гомогенизации приготавливаемого раствора.

Отношение площадей живого сечения камеры смешения и кольцевой рабочей насадки следует выбирать не менее 5 и не более 10.

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

Результаты экспериментов показали, что своего максимума коэффициент эжекции достигает при реальном давлении на насадке, равном (0,05-0,25) МПа, и соотношении площадей живых сечений камеры смешения и рабочей насадки, равном 5-10.

С увеличением скорости истечения из насадки коэффициент эжекции увеличивается по степенной зависимости. В процессе работы смесителя целесообразно создание скоростей истечения из насадки более 20 м/с.

Расстояние между срезом рабочей насадки и входом в камеру смешения надо выбирать равным не менее двух, но не более 6 внешних диаметров камеры смешения, так как только в этом случае удается избежать обратных токов и разбрызгивания струи.

Для выявления наиболее эффективной длины камеры смешения был проведен следующий анализ. Увеличение длины камеры смешения до (14-20) ее диаметров приводит к увеличению коэффициента эжекции примерно в два раза. Дальнейшее увеличение длины неэффективно.

На фиг.1 представлен общий вид патентуемой конструкции струйного смесителя-эжектора, на фиг.2 - поперечное сечение кольцевой рабочей насадки (А-А), на фиг.3 - поперечное сечение камеры смешения (Б-Б).

Конструкция включает всасывающий патрубок 1, патрубок подвода жидкости затворения 2, приемную камеру 3, кольцевую рабочую насадку 4, камеру смешения 5, цилиндрическое тело 6. Внешний диаметр кольцевой рабочей насадки 4 - d_н1, внутренний диаметр кольцевой рабочей насадки 4 - d_н2. Диаметр камеры смешения 5 - d_кc, диаметр цилиндрического тела 6 в камере смешения 5 - d_вт.

Струйный смеситель-эжектор работает следующим образом: жидкость затворения (например, вода) по патрубку подвода жидкости затворения 2 подается на кольцевую рабочую насадку 4. Струя рабочей жидкости с большой скоростью поступает в камеру смешения 5, образуя вокруг цилиндрического тела 6 зону высокой турбулентности, а также зону низкого давления. В результате действующего перепада давления эжектируемый поток (смесь воздуха и порошкообразного материала) начинает поступать из всасывающего патрубка 1 в приемную камеру 3, а потом в камеру смешения 5. В камере смешения образуется зона высокой турбулентности с большой площадью контакта рабочего и эжектируемого потока, что позволяет измельчить эжектируемый компонент, достигнув заданной степени диспергации (равномерное распределение дисперсной фазы в дисперсионной среде) и гомогенизации приготавливаемого раствора, что в целом позволит повысить качество приготавливаемой смеси (раствора).

Кроме того, установленное цилиндрическое тело 6 в камере смешения 5 исключает обратный подсос воздуха через выкид струйного смесителя-эжектора, что влияет на коэффициент эжекции, в том числе и по порошкообразному материалу, позволяет увеличить его кратно по сравнению с имеющимися аналогами и прототипом.

Изобретение может использоваться в химической, строительной, пищевой, а особенно в нефтяной и газовой промышленности при приготовлении буровых, промывочных и тампонажных растворов. Устройство включает всасывающий патрубок, патрубок подвода жидкости затворения, приемную камеру, кольцевую рабочую насадку, камеру смешения. Камера смешения выполнена в виде кольцевого канала, соосного с кольцевой рабочей насадкой. Внешний диаметр камеры смешения больше внешнего диаметра рабочей насадки в 2 раза, внутренний диаметр камеры смешения меньше внутреннего диаметра рабочей насадки в 1,5 раза. Отношение площадей живых сечений камеры смешения и рабочей насадки находится в пределах 5-10. Достигается интенсификация процесса смешения, повышается качество смеси. 3 ил.

Струйный смеситель-эжектор, состоящий из всасывающего патрубка, патрубка подвода жидкости затворения, приемной камеры, кольцевой рабочей насадки, камеры смешения, отличающийся тем, что камера смешения выполнена в виде кольцевого канала, соосного с кольцевой рабочей насадкой, причем внешний диаметр камеры смешения больше внешнего диаметра рабочей насадки в 2 раза, внутренний диаметр камеры смешения меньше внутреннего диаметра рабочей насадки в 1,5 раза, а отношение площадей живых сечений камеры смешения и рабочей насадки находится в пределах 5-10.