CN104741012B - 一种卧式双喷嘴液体静态混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种卧式双喷嘴液体静态混合器，包括横卧的混合桶体，在桶体上设置有两个喷嘴、进液口和出液口。喷嘴分别位于混合桶体靠近两端且相对的两个对角位置，喷嘴出口流道与混合桶体的内壁面相切，使流体分别从混合桶体两端切线进入，在混合桶体壁面引导下旋转，沿桶内壁面形成旋向相反的两股旋转流动。进液口和出液口为圆形，设计在混合桶体中部，进液口圆心与出液口圆心的连线是处于混合桶体长度1/2处的圆桶截面内的一条直径线。由两个喷嘴进入的流体从左右两侧对从进液口进入的流体进行挤压和剪切混合作用，最后三股进入混合桶体的流体通过汇集从低压出口流出，可以得到混合良好的混合液体。本发明可用于石油工程中的钻井液混合均匀、两种钻井液或钻井液与水的快速混合，也适用于化工、环保、医药、食品等行业的流体混合过程。

Description

一种卧式双喷嘴液体静态混合器

技术领域

本发明涉及一种卧式双喷嘴液体静态混合器，用于石油工程中的钻井液混合均匀、两种钻井液或钻井液与水的快速混合，也适用于化工、环保、医药、食品等行业的流体混合过程。

背景技术

在石油与天然气钻井工程中，应用到大量的钻井液。钻井液组份复杂，密度和黏度变化有一定范围，工业应用要求实现大排量高效率的连续混合。钻井液的混合技术经历过射流枪混合、循环混合、机械搅拌器混合，目前正广泛采用的正是机械搅拌器混合方式，混合的均匀性不太好。静态混合器混合钻井液技术起于美国，在美国已推广工业应用。国外公司基于自己的发明专利，生产出钻井液静态混合器产品用于钻井液多组份快速均匀混合和促进钻井液中加入材料的水化作用。

液体快速混合设备是当今海上钻井的新增配套装置，在海上表层钻进过程中，采用液体快速混合设备实时调节钻井液密度以满足井筒压力控制需求，避免钻井事故发生，提高钻井效率、降低钻井成本。国外公司基于自己的发明专利，生产出钻井液静态混合器产品已用于海上钻井过程和陆上钻井液的混配过程。

在化工、环保、医药、食品等行业的流体混合过程中，现有多种静态混合器在应用，但都仅适用于低剪切速率和低流量下的混合过程。

发明内容

本发明提供一种卧式双喷嘴液体静态混合器，可设计实现不同需求流量混合，提高流体混合过程的剪切速率，实现即混即用。

本发明采用的技术方案如下：

一种卧式双喷嘴液体静态混合器，包括混合桶体，在腔体上设置有喷嘴、进液口和出液口。

所述混合桶体为横卧的圆桶形，两端封闭。

所述喷嘴设计有两个，分别位于混合桶体靠近两端且相对的两个对角位置，喷嘴出口流道与混合桶体的内壁面相切，且两个喷嘴的入口与泵送液管线连接，两个喷嘴出口喷出液体的流动在桶内总是旋向相反，使流体分别从混合桶体两端切线进入，在圆桶壁面引导下旋转，沿桶内壁面形成旋向相反的两股旋转流动；在混合桶体内，桶两端部呈较高压力区，桶中部呈低压力区，由于不断入流的挤压使旋转流动向混合桶体中部推进。

所述进液口为圆形，设计在混合桶体中部，与泵送液管线连接；所述出液口为圆形，设计在混合桶体中部，与液体排出管连接；进液口圆心与出液口圆心的连线是圆桶的一条直径线，具体是处于混合桶体长度1/2处的圆桶截面内的一条直径线。

所述进液口和两个喷嘴通过泵送进液，两个喷嘴进一种流体，进液口进另一种流体，在混合腔体内进行混合；或者同一种均匀性不太好的混合液体分别从进液口和两个喷嘴进入混合腔体做进一步混合，从而提高混合液体的混合效果。

所述由两个喷嘴进入的流体从左右两侧对从进液口进入的流体进行挤压和剪切混合作用，最后三股进入腔体的流体通过汇集从低压出口流出，得到混合良好的混合液体。

所述喷嘴的设计满足以下公式：

$p_z=\frac{\mathrm{\ρ}{Q}^2}{{2c}^2{A}_0^2}$

式中，c为喷嘴流量系数；ρ为液体密度，kg/m³；p_z为喷嘴压力降，Pa；Q为通过喷嘴的液体流量，m³/s；A₀为喷嘴出口截面积，m²。

本发明的静态混合器结构中，由于两个入流喷嘴、一个进液口和一个低压出液口采用了合理的空间布置，使从两个喷嘴进入的流体甲在圆桶壁面引导下总产生旋向相反的旋转流动向桶中部推进，而从中部进液口进入的流体乙在进入桶内后流速下降(因桶内空间比入流管截面大)。流体甲从左右两面对从进液口进入的流体乙进行挤压和剪切混合，最后三股入流的流体通过汇集从低压出口流出，得到由两种流体混合而成的混合良好的混合液体。

本发明采取了新的混合机理，设计卧式双喷嘴液体静态混合器结构与现有静态混合器相比较，该静态混合器具有结构简单，通过合理的结构参数设计，如依据实际应用对混合流量需求和混合许用压力能大小，合理设计喷嘴直径，从而设计混合器的结构参数，可实现不同的混合剪切速率要求、实现小流量、中流量和大流量混合需求的特点。这一结构提升可满足石油与天然气钻井工程的钻井液实时混合循环钻进需求，污水处理混合过程需求等，能有效地提高液体混合过程的混合效率。

附图说明

图1是本发明的卧式双喷嘴液体静态混合器内壁轮廓及液体流动示意图；

图2、图3是本发明卧式双喷嘴液体静态混合器中流体甲(A)和流体乙(B)在中部的接触混合流动示意图(左视和右视)。

图4是本发明卧式双喷嘴液体静态混合器内壁轮廓及液体流动示意图的另一种结构设计，仅对两个入流喷嘴位置做了改变。

图中1-混合桶体，2-第一喷嘴，3-第二喷嘴，4-进液口，5-低压出液口。

具体实施方式

参见图1、图2和图3，混合器基本结构为一横卧的圆桶形混合桶体，两端封闭，设计有两个喷嘴2和3、一个圆形进液口4和一个圆形低压出液口5。两个喷嘴采用了合理的空间布置，两喷嘴喷入流体甲，圆形进液口进入流体乙，混合液体从圆形低压出液口排出。

具体地，第一喷嘴2位于横卧圆桶的右上角，喷嘴的出口流道与圆桶内壁面相切，第二喷嘴3位于横卧圆桶的左下角，喷嘴出口流道与圆桶内壁面相切。或者，参见图4，第一喷嘴2位于横卧圆桶的右下角，喷嘴出口流道与圆桶内壁面相切，第二喷嘴3位于横卧圆桶的左上角，喷嘴出口流道与圆桶内壁面相切。使流体甲分别从圆桶两端与壁面相切的两个喷嘴进入混合桶体1，进入的流体在圆桶壁面引导下旋转，沿桶内壁面形成旋向相反的两股旋转流动；在圆桶内，圆桶两端部呈较高压力区，圆桶中部呈低压力区，由于不断入流的挤压使旋转流动向圆桶中部推进。

混合桶体1的中部设计有流体乙进液口4和混合流体出液口5。进液口4为圆形，与泵送液管线连接，出液口5也为圆形，与液体排出管连接，进液口圆心与出液口圆心的连线是处于混合桶体长度1/2处的圆桶截面内的一条直径线。

混合桶体1的长度不宜过大，以保持从喷嘴进入流体推进到达桶中部时还具有足够的动能。通常喷嘴入口轴线到与出液口圆边界线相切的桶圆截面间距离应大于4倍的喷嘴出口直径，以确保喷嘴进液沿圆桶内壁面形成旋转流动。

混合桶体1的直径设计应结合对混合工作流量的要求，要满足流体在喷嘴出口具有一定的流速和旋转流动到达中部与另一流体接触时具有一定的剪切速率，以利于两种流体的混合，通常设计混合桶体的直径约为喷嘴出口直径的7—10倍。

从图上可以看出，由第一和第二喷嘴2、3进入的两股流体其进入路径与混合桶体1端部是平行的，由于不断的入流，在圆桶内，圆桶两端部呈较高压力区，圆桶中部呈低压力区，后面进入的流体会推压前面流体往混合桶体1的中间运移，这一运移速度比沿壁面的旋流速度要小得多，这是实现混合的关键流动。同时依据实际应用对混合流量需求和混合许用压力能大小，选用合理的喷嘴直径，混合器的结构参数，就可实现不同的混合剪切速率要求、实现小流量、中流量和大流量混合需求。

以下，在油气井钻井工程中，以钻井液甲和钻井液乙实时混合实施压井工艺过程为例，说明本发明静态混合器的应用。

某钻进用钻井液密度ρ₁，在钻进过程中发生溢流并关井，工程要求实施压井作业，预准备有密度ρ₂的加重钻井液，钻井液黏度随密度的不同而有不同。根据溢流情况确定采用压井液密度为ρ_K，从工程安全考虑应尽快实施压井施工，尽快获得满足工程需求的压井液：用泵A以排量Q₁泵送密度ρ₁的钻井液从卧式双喷嘴液体静态混合器的两个喷嘴进入；用泵B以排量Q₂泵送密度ρ₂的加重钻井液从卧式双喷嘴液体静态混合器的中部进液口进入，根据质量守恒原理，经过混合桶体混合后得到符合压井施工要求的密度为ρ_K、排量为Q_k的压井液从低压出液口排出，再由泥浆泵送入井内实施压井作业。

基于本发明原理和构想，可设计出适用于不同条件需求的卧式双喷嘴液体静态混合器，均应属于本发明申报的要求保护范围。

Claims (5)

1.一种卧式双喷嘴液体静态混合器，包括混合桶体，在桶体上设置有喷嘴、进液口和出液口；其特征在于：

所述混合桶体为横卧的圆桶形，两端封闭；

所述喷嘴设计有两个，分别位于混合桶体靠近两端且相对的两个对角位置，喷嘴出口流道与混合桶体的内壁面相切，且两个喷嘴入口与泵送液管线连接，两个喷嘴出口喷出液体的流动在桶内总是旋向相反，使流体分别从混合桶体两端切线进入，在混合桶体壁面引导下旋转，沿桶内壁面形成旋向相反的两股旋转流动，在混合桶体内，桶两端部呈较高压力区，圆桶中部呈低压力区，由于不断入流的挤压使旋转流动向混合桶体中部推进；

所述进液口为圆形，设计在混合桶体中部，与泵送液管线连接；所述出液口为圆形，设计在混合桶体中部，与液体排出管连接；进液口圆心与出液口圆心的连线是处于混合桶体长度1/2处的圆桶截面内的一条直径线；

所述进液口和两个喷嘴通过泵送进液，两个喷嘴进一种流体，进液口进另一种流体，在混合腔体内进行混合；或者同一种均匀性不太好的混合液体分别从进液口和两个喷嘴进入混合腔体做进一步混合，从而提高混合液体的混合效果；

所述由两个喷嘴进入的流体从左右两侧对从进液口进入的流体进行挤压和剪切混合作用，最后三股进入混合桶体的流体通过汇集从低压出口流出，得到混合良好的混合液体；

所述喷嘴的设计满足以下公式：

式中，c为喷嘴流量系数；ρ为液体密度，kg/m³；p_z为喷嘴压力降，Pa；Q为通过喷嘴的液体流量，m³/s；A₀为喷嘴出口截面积，m²。

2.根据权利要求1所述的卧式双喷嘴液体静态混合器，其特征在于：所述混合桶体的长度要满足从喷嘴进入流体推进到达桶中部时还具有足够的动能，喷嘴入口轴线到与出液口圆边界线相切的桶圆截面间距离应大于4倍的喷嘴出口直径，以确保喷嘴进液沿圆桶内壁面形成旋转流动。

3.根据权利要求1或2所述的卧式双喷嘴液体静态混合器，其特征在于：混合桶体的直径要满足流体在喷嘴出口具有一定的流速和旋转流动到达中部与 另一流体接触时具有一定的剪切速率，以利于两种流体的混合，通常设计混合桶体的直径为喷嘴出口直径的7—10倍。

4.根据权利要求3所述的卧式双喷嘴液体静态混合器，其特征在于：一个喷嘴位于混合桶体的右上角，喷嘴出口流道与混合桶体内壁面相切；另一个喷嘴位于混合桶体的左下角，喷嘴出口流道与混合桶体内壁面相切。

5.根据权利要求3所述的卧式双喷嘴液体静态混合器，其特征在于：一个喷嘴位于混合筒体的右下角，喷嘴出口流道与混合筒体内壁面相切；另一个喷嘴位于混合筒体的左上角，喷嘴出口流道与混合筒体内壁面相切。