CN104941472A

CN104941472A - 用于具有不同密度的流体相的静态混合器

Info

Publication number: CN104941472A
Application number: CN201410289079.4A
Authority: CN
Inventors: 安东尼奥·梅里诺; 弗朗西斯科·梅里诺; 帕斯奎拉·梅里诺
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-03-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2015-09-30

Abstract

本发明的用于具有不同密度的流体相的静态混合器是用于将气体添加到液体中的。本发明的静态混合器工作的物理原理与流体碳酸化器(工业专利号1390567)的物理原理相同，但是其用于混合两个流体相的容量大于FC的容量的30％。此外流经SM的压力损失小于使用上述流体碳酸化器时引起的压力损失的50％。

Description

用于具有不同密度的流体相的静态混合器

技术领域

此处描述的发明是用于不同密度的流体相的静态混合器。正如该名称所表示的混合器混合不同密度的流体相。

背景技术

所述设计是对工业专利N°1390567(2011年10月7日由发展部的商标和专利局颁发给Pasquale Merlino先生)的早先的流体碳酸化器的改进，因为在同等的条件下：

·在流体相之间存在超过30％的混合程度的增加，从而超过相关的相的饱和点；

·流过静态混合器的流体的压力损失减小了50％。

碳酸化器本身或在需要具有不同密度的流体相的混合的所有工业处理中作为其他机器的组件得到了广泛的使用。它们通常用于食品工业中以将二氧化碳添加到水、啤酒、红酒和其他饮料中。它们可以用于用氧气来饱和红酒以生产醋。近年来碳酸化器的使用已经变得广泛分布在酒吧、食堂、办公室和私人家庭中，从而需要降低制造成本并且增加可靠性。

气体与液体的混合大体上遵循亨利定律，该定律陈述了在恒定温度下，具有溶解于给定体积的液体中的低溶解度的气体的量与液体上方的气体的分压成比例。

如果C表示溶液中的气体的浓度，那么亨利定律可以由以下等式表示：

C＝KPp

目前的商业化的碳酸化器是根据亨利定律设计的，并且通过用液体压缩碳酸化相工作。

目前商业化的大多数碳酸化器由以下组件组成：

·金属反应器形式的钢容器，所述容器由气相保持在压力下并且其中液相是在压力下注入的(当添加CO2时它被称作“碳酸化器”)；

·泵，其用于将液体注入到反应器中；

·液位计，其用于防止当取样时反应器中的液体-气体混合物落到一定的水平以下，因而避免了气体从反应器中逸出；

·电子面板，其协调各种功能。

这些碳酸化器所遇到的问题包含：

·由于大量组件造成的高额的构造费用；

·由于许多组件的存在造成的一般维护和特别维护的高额费用，所述组件例如不可避免地经受故障的移动零件和电子组件以及机电组件；

·混合物的供应的不连续性。

虽然不太昂贵的碳酸化器的型号是可用的，但是它们倾向于具有以下局限性：

·在一小时内可以碳酸化的液体的量是最少的，因为操作是不连续的；

·不佳的碳酸化质量。

上述流体碳酸化器工业专利N°1390567已经探寻解决这些问题。同时能够解决一系列局限性的流体碳酸化器也为众人所知：

1.在入口点处需要中-高流体压力值(3-4Bar)，这是由于随着流体通过流体碳酸化器由相同的流体造成的大量的负载损失；

2.达到不适合用于技术和商业目的的饱和的水平；

流体碳酸化器的正确运作取决于实现参考上述的点1的状态。在绝大部分情况下，在碳酸化器的入口处存在泵，以赋予液体更多能量；只要有可能考虑到更好的是避免此泵。

两个相的不令人满意的混合是极大地破坏了机器的商业吸引力的机器的更加严重的局限性。

发明内容

为了克服流体碳酸化器的上述局限性，已经设计出了一种新的模型，所述模型是“用于具有不同密度的流体相的静态混合器”(下文中称作静态混合器)。

在相同的参数下，所述静态混合器可以获得与流体碳酸化器相比的大于30％的碳酸化。对于用于具有不同密度的流体相的静态混合器，与流体碳酸化器所需的3-4Bar的压力相比，在流体入口点处1.5-2Bar的压力是足够的。

由于两种流体之间的接触表面(即，它们发生混合的点)是沿着环面的内表面的，因此显而易见的是如果在通道的区域上方制成多个较小的孔而非单个的大孔，那么将改进混合。

用于具有不同密度的流体相的静态混合器(为简洁起见在下文中将其称作SM)是用于将气体添加到液体中的(例如，用CO2为水、红酒或啤酒加气)，正如同流体碳酸化器(工业专利号1390567，为简洁起见在下文中将其称作FC)。SM工作的物理原理与FC的物理原理相同，但是其用于混合两个流体相的容量大于FC的容量的30％。此外流经SM的压力损失小于使用FC时引起的压力损失的50％。

SM的这种用于混合流体的更大的容量以及通过它的流体的减小的压力损失构成了由于以下修改获得的重要的改进：

1)在SM中的隔板上制成的特定数目(n)的孔(孔的数目和它们的直径取决于混合的流体)，然而FC具有隔板上的一个单个的孔。在用于混合某些流体的极端情况下，孔的数目可以大到使档板变为多孔。

2)SM的内部部分具有截头圆锥形的形状，这与是圆柱形的FC的内部部分大不相同。

3)SM并不具有在FC中使用的针阀；这已经由具有与针阀相同的功能的校准孔取代，所述校准孔的优点在于它可以在工厂中校准。

4)用于碳酸化相的气体是通过直径比供应液体的管道的直径小得多的管道供应的，并且其尺寸是将要混合的流体的类型的函数。

5)管道(压力管道)连接到混合器的输出点，并且在分配点之前。管道的直径和长度取决于将要混合的流体的类型。

操作

在混合器内流动的气体(压力水平是使用减压器监测的)穿过导管(1)首先通过截止阀(Vi1)，随后通过非回路阀(Vnr1)并且最后穿过校准直径(F1)的孔。

液体经由阀(Vi2)和非回路阀(Vnr2)流过管道(2)，在预先混合腔室(CP)中与气体发生最初接触。

随后，流体的混合物连续地流动穿过隔板(S)，间隙(I)和压力管道(P)，它们构成了具有不同密度的流体相的混合器。

阀门(Vi3)已经在压力管道的出口处插入。

为了操作具有不同密度的流体相的混合，首先有必要关闭阀门(Vi1)、(Vi2)和(Vi3)。

随后连接2mm直径的压力管道1到定位在含有二氧化碳(CO2)的圆柱体上的气体压力减振器，并且最后连接终端2到液体供应管道。

依次打开阀门(Vi2)和(Vi3)以仅允许流体流过SM。

接下来打开阀门(Vil)并且缓慢地在顺时针方向上转动减压器的手轮以打开它。这将增加导管(1)中的CO2的压力水平。

通过顺时针转动手轮继续增加CO2的压力直到从混合器中出来的水流开始变为不透明的(不透明度是由于水中的CO2的气泡的存在)，这表示水已经变为碳酸化的了。

可以通过使用减压器来加强碳酸化的程度以增加导管1中的CO2，直到输送的碳酸水变为连续的为止。

一旦超过一定强度的碳酸化，苏打水的流变为不连续的。这表示已经达到可能用于SM的碳酸化的最高程度(在特定的温度和水压条件下)。

应注意，所述SM在其设计和其起作用的方式方面是极其简单的，并且具有就生产成本和低维护方面而言的随之而来的优势。

附图说明

三个附图说明了用于具有不同密度的流体相的静态混合器的功能。

图l示出了混合器。

图2示出了混合器的部分。

图3比较了流体碳酸化器中的隔板的功能与静态混合器中的隔板的功能。

具体实施方式

静态混合器由长度为(L)的管组成，所述管在两个末端由两个端部(入口端(Ti)和出口端(Tu))密封。

在截短的圆锥管内部，一系列的隔板(S)以使它们形成空腔(I)的方式放置。

将要混合的流体的类型将决定隔板的数目以及由此形成的空腔的数目、隔板与管的长度之间的距离。

在隔板中制成了特定的数目(n)的孔(同样，孔的数目和直径由将要混合的流体确定)，这允许流体混合工艺连续地进行。

用于将要混合的流体的合适的直径和长度的压力管道放置在静态混合器的出口处。

在入口端(Ti)制成两个孔：

·较重的流体经由装配有非回路阀的侧面孔供给到静态混合器中；

·较轻的流体(气体)经由同样装配有非回路阀的位于顶端处的适当地校准的孔供给到静态混合器中。

在出口端(Tu)处，存在单个孔，压力管道(P)附接到所述孔。

静态混合器在以下方面不同于流体碳酸化器(我们的早先的设计)：

1.虽然流体碳酸化器具有通过隔板的连接不同空腔的单个的孔，但是静态混合器具有数目为(n)的孔，所述孔的数量和直径取决于将要混合的流体。对于某些流体，可能有必要具有如此多的孔使得所述隔板变为多孔的。即使所有其他条件仍然相同，设计中的这种修改促进了两种流体(例如，水和碳酸酐)的混合。另外，处理期间的流体压力损失得到了减小。

所得到底混合水平的增大是由于在两个流体之间发生接触的表面积的增加的发生。这是因为单个较大的孔具有与若干较小的孔的总和相同的可用于通道的表面积；并且较小的孔的周长的总和是大于单个的较大孔的周长的。

鉴于两种流体发生接触(并且因此混合)的表面是环面的内表面，因此合乎逻辑的是在相同的条件下，当存在与一个单个的较大的孔相反的若干较小的孔时混合将得到改进。

以下数字的实例将有助于阐明所述概念：

如果穿过挡扳制造直径为4mm的孔，那么可用于通道的表面积等于12.56mm2并且具有12.56mm的周长。如果孔的直径仅为2mm，那么为了获得可用于通道的相同的表面积需要四个孔。四个孔的周长的总和等于25.12mm，即，测量的直径为4mm的孔的周长的两倍。因此，如果所有其他条件保持相同，那么两种流体的混合将得到改进，因为具有更多通孔的档板中的增大的接触表面。

存在另一涉及能量损失减少的问题。

在某些限度内，无需改变两个相之间的混合工艺，可用于通道的区域可以通过增大孔的数目来扩展。然而，相同的优点无法通过增大单个孔的直径来获得。

这是出于以下原因发生的：

在较轻相的期间形成的环面。其外表面搁置在挡扳上的通孔的表面上。如果孔是非常大的，那么环面将是较大的，因此它允许来自内部的最重流体的通过而不会与较轻的流体发生接触，因此不会发生混合。这个问题可以通过增大孔的数目来避免，因此形成了用于通过的更加广阔的表面积。

2.静态混合器的管长度(L)的内部部分具有截短的锥形形状，这与流体碳酸化器的圆柱形管相比的碳酸化是更加高效的。

碳酸化的量是在较轻的流体相位于档板上的通孔中期间的环面的形成的函数。

环面的形成是由于孔与邻近空腔之间的不同的动态压力。通过增大静态混合器的流体相部分，同时保持流速恒定，空腔中的动态压力将增大，在穿过所述孔的流体与位于空腔下方的流体之间产生更大的压力差。

这就是为何流体减速将增加并且将形成来自较轻流体相的环面，所述环面是较大的和/或更好地界定的，并且因此与在不同速度下通过其中的两种流体发生更好地且更稳定地接触。

有用的是重申较轻流体相的环面形成和将其本身放置在通孔上的原因。

使流体混合物在孔位于其中的挡扳之前的间隙与孔之间流动具有正的VP，而在孔与含有孔的挡扳之后的间隙之间流动具有负的VP。换句话说，流体混合物对进入孔进行了加速并且对离开孔进行了减速。两种流体具有不同的密度并且由于它们都是由相同的力推动的，因此，较轻的流体将具有进入孔的较大的加速度以及离开孔的较大的减速度。

由于上文给出的原因，较轻流体将围绕通孔的周长放置其本身形成某种类型的环形屏障，所述屏障阻碍了较重流体的通过，使得二者发生混合。

静态混合器并不具有位于气体供应管道上的在流体碳酸化器中使用的针阀。实际上，它具有入口(Ti)处的小心地校准的孔，所述孔的直径取决于将要混合的气体。

此修改的目的是改进混合器的校准并且消除针阀在操作期间失去其校准的风险。

所述气体供应管道具有与液体供应管道相比的较小的直径；其尺寸取决于将要混合的气体的类型。

这在流体压力非常低时是尤其有必要的。

具有极小直径的气体供应管的使用能够更容易地调节在传输期间注入到预先混合腔室中的气体的量。此时在进入预先混合腔室的流体的类型中存在变化。一旦较轻流体(气体)的压力低于较重流体(液体)的压力，那么前者停止流动，允许高于较重流体的压力的初始气体压力恢复。气体供应管道的直径影响碳酸化。

如果管中存在较多的气体，那么大量的气体被迫使进入到预先混合腔室中并且混合无法得到调节，尤其是对较重流体的低压。相反，如果在供应管道中存在少量气体，那么混合可以得到理想的调节。

在混合物从碳酸化器中出来并且在其得到分配之前的点处，连接有引导管，所述引导管的直径和长度取决于将要混合的流体的类型。此特征是必需的因为它在碳酸化器的出口点处产生了背压并且还因为它允许流体之间的更好的以及更长的接触，因此极大地改进了混合并且促进了饱和。

作为在用于使用二氧化碳混合生活用水的碳酸化器的情况下的实例，所述构造的尺寸如下：

·长度＝20cm

·空腔的直径在最小2.3cm到最大3.5cm的范围内

·10个档板(I)，所述档板的直径在2.3cm到3.5cm的范围内，其中每个挡扳具有5个孔，所述孔的直径为1.5cm

·二氧化碳穿过其中而流入碳酸化器的校准孔的直径是0.5mm

·CO2供应管道的内径是2mm

·所述引导管具有840cm的长度和4mm的内径

使用减压器对在碳酸化器内部流动的气体和压力的水平进行调节。经由导管(1)，气体首先穿过截止阀(Vi1)，随后穿过非回路阀(Vnr2)并且最后穿过特定直径(Fl)的孔。首先穿过截止阀(Vi2)随后穿过非回路阀(Vnr2)，液体流过管道(2)并且在预先混合腔室(CP)中与气体发生最初接触。

随后，流体的混合物连续地流动穿过隔板(S)，间隙(I)和压力管道(P)，它们构成了静态混合器。

在压力管道的末端存在拦截阀(Vi3)。

为了操作静态混合器，有必要遵循这些指示：

·首先关闭截止阀(Vil)、(Vi2)和(Vi3)，并且将导管1(直径为2mm)连接到定位在含有酸酐二氧化碳(CO2)的储槽上的气体压力减压阀。最后将终端2连接到液体供应管道。

·依次打开拦截阀(Vi2)和(Vi3)，使得仅有液体流过静态混合器。

·接下来打开拦截阀(Vil)并且缓慢地在顺时针方向上旋转减压器的手轮，因此将它打开，从而增加导管(1)中的CO2的压力的水平。

·通过顺时针转动手轮持续增加CO2的压力直到流出碳酸化器的水开始变为不透明的(不透明度是由于水中的CO2的气泡的存在)为止。此时形成了苏打水。

·有可能通过使用减压器来增加导管1中的CO2来强化碳酸化的水平。继续直到分配苏打水的恒定的流为止。

超过一定强度的碳酸化，苏打水的流变为不连续的，这表示在特定的温度和水压条件下水已经达到可能用于碳酸化器的碳酸化的最高程度。

所述静态混合器在其设计和其起作用的方式方面是极其简单的，并且具有就生产成本和低维护方面而言的显而易见的优势。

Claims

1.用于具有不同密度的流体相的静态混合器，所述混合器的特征在于在隔板中具有特定的数目(n)的通孔，而不是如同在流体碳酸化器中使用的一个单个的孔，这些孔的尺寸取决于将要混合的流体的类型发生改变，此特征改进了两种流体的混合并且减少了通过所述碳酸化器传输期间的流体摩擦损失。

2.用于具有不同密度的流体相的静态混合器，所述混合器的特征在于简单的校准孔，所述孔的直径是将要混合的气体的类型的函数，所述孔替代了在所述流体碳酸化器中使用的气体供应管道上的针阀。

3.用于具有不同密度的流体相的静态混合器，所述混合器的特征在于取决于将要混合的流体类型是可变直径和长度的压力管道，所述压力管道放置在中央主体的末端处，从而改进气体和流体的混合。

4.用于具有不同密度的流体相的静态混合器，所述混合器的特征在于气体供应管道，所述气体供应管道与所述液体供应管道相比是显著地较窄的，此特征允许所述流体的混合得到更加准确地监测，尤其是在非常低的压力下。

5.用于具有不同密度的流体相的静态混合器，所述混合器的特征在于改进并且稳定了混合的程度的内部截头圆锥形部分。