CN106457178B - 具有定子的混合设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种混合器和混合方法。所述混合器包括外壳，所述外壳具有流体入口、添加剂入口和出口，其中所述外壳限定与所述流体入口、所述添加剂入口和所述出口流体连通的混合室。所述混合器还包括叶轮，所述叶轮设置在所述混合室中，其中当旋转时，所述叶轮通过所述流体入口抽吸流体。所述混合器还包括抛掷装置，所述抛掷装置设置在所述混合室中并且被配置来从所述叶轮接收所述流体并且从所述添加剂入口接收添加剂。当旋转时，所述抛掷装置径向向外抛掷所述流体和所述添加剂。所述混合器还包括定子，所述定子至少部分地围绕所述抛掷装置而设置，其中所述定子包括在圆周上隔开的翼片，以便在其间限定流动路径。

Description

具有定子的混合设备和方法

背景

混合器(有时替代地称为“搅拌器”)一般用于将粉末状化学品分散到流体中。混合器的一种应用是在井筒操作中，例如在制备用于注入到地下地层中的水力压裂液中。一般来说，压裂液包括胶凝剂、粉末和其他颗粒状材料(例如瓜尔胶)，所述压裂液首先通过混合器分散到流体中，并且随后水化到例如箱中，以便形成所期望的流体黏度。

某些粉末和颗粒状材料混合器包括离心泵和喷射器，或者用于将粉末和颗粒状材料分散到流体(例如水)中的离心搅拌器或者高剪力或低剪力搅拌器。一般来说，泵将流体泵送到混合室中。在喷射器混合器中，混合室可邻近缩扩喷嘴的喉部，使得喷射器通过文丘里效应(Venturi effect)将粉末抽吸到混合室中。在搅拌器混合器中，搅拌器位于混合室中，并且粉末和颗粒例如通过重力馈送到其中。在任一种情况下，材料(例如呈干粉形态)引入混合室中，并且分散到流体中。采用各种装置以避免在分散过程中夹杂空气，或者可例如使用氢气旋或另一种类型的空气分离器在下游去除所夹杂空气。接着，可将流体混合物发送到下游设备以用于进一步水化。

分散粉末添加剂(诸如胶凝剂)的一个挑战在于粉末可能倾向于聚集成凝块，有时称为“晶点(fisheye)”。粉末可具有内聚属性，使得形成部分水化的球，例如干粉由部分水化的粉末的“外皮”围绕。此外皮防止内部发生干粉的水化，从而在流体中形成稳定晶点，而不是均匀分散的粉末。由此，可形成次优的混合，这可影响下游应用。此外，如果在将材料引入混合器时未将其充分打湿，那么例如在系统的各个喉部中存在材料积聚和/或堵塞的额外风险。

因此，在一些实例中，可采用预湿器来减轻这种团聚风险。预湿器一般向混合上游的粉末馈料提供流体。然而，预湿器需要单独的泵来将流体递送到混合室上游的粉末。因此，额外的泵送设备(即，用于向预湿器提供流体的离心泵)可使整个系统复杂化，从而增加了成本、维护和故障点。此外，设备的不同片段可限制系统可实现的流速的范围，从而限制单一大小或配置的混合器所适合的应用。

概述

本公开的实施方案可提供一种混合器，所述混合器包括叶轮、抛掷装置和冲洗管线。叶轮与抛掷装置可以背靠背布置设置为叶轮/抛掷装置组件的一部分，并且可通过与轴的连接进行旋转。叶轮将流体通过流体入口抽吸到混合室中，对流体进行加压，并且向下和向外排出流体。流体接着转向抛掷装置。抛掷装置可通过添加剂入口接收将要混合到流体中的添加剂，并且可径向向外推进添加剂，以便使添加剂与流体混合。

冲洗管线可包括在混合室中的开口，所述开口位于混合室的相对高压区处，例如靠近叶轮。相对高压区还可为可由冲洗管线分接的相对清洁流体(例如低浓度添加剂)区域。冲洗管线可延伸到添加剂引导结构(例如锥形件或其他类型的漏斗)，添加剂通过所述添加剂引导结构接收到添加剂入口中。使用如由叶轮提供的混合室中的流体的压力，冲洗管线可将相对清洁流体从混合室引导到添加剂引导结构，以便预湿添加剂，由此减少团聚可能。

虽然上述概述引入本公开的一个或多个方面，但是将参照以下附图和详细说明更详细理解这些和其他方面。因此，此概述并不意图对本公开进行限制。

附图简述

所附附图并入本说明书并且构成本说明书的一部分，其说明本教义的实施方案，且连同描述一起用来解释本教义的原理。在图中：

图1说明根据实施方案的混合系统的示意图。

图2说明根据实施方案的混合器的分解透视图。

图3说明根据实施方案的图2中说明的混合器的定子的一部分的放大视图。

图4说明根据实施方案的混合器的一个区段的透视图。

图5说明根据实施方案的混合器的侧面剖视图。

图6说明根据实施方案的混合器的侧面示意图。

图7说明根据实施方案的流体的压力和清洁度与半径的图。

图8说明根据实施方案的混合器的叶轮/抛掷装置组件的透视图。

图9说明根据实施方案的叶轮/抛掷装置组件的另一个透视图。

图10说明根据实施方案的混合器的抛掷装置的透视图。

图11说明根据实施方案的混合器的定子的透视图。

图12说明混合器的另一个实施方案的侧面剖视图。

图13说明根据实施方案的用于将添加剂分散在流体中的方法的流程图。

应注意，附图的一些细节已经被简化并且被绘制成有助于理解实施方案而不是保留严格的结构准确性、细节和比例。

详述

现将详细参考本公开的实施方案，其实例在附图中予以说明。在附图和以下说明中，如果方便的话，相同的参考数字用于指代相同的元件。将理解，以下说明并不意图详尽地示出所有实例，而仅仅是示例性的。

图1说明根据实施方案的混合系统100的示意图。混合系统100一般可包括处理流体源102、混合器104和下游设备106，以及其他潜在部件。处理流体源102可为一箱以下物质或者包括所述一箱物质：水、合适pH值的水基溶液和/或任何其他类型的溶液、或者任何基本呈液态的物质。此外，源102可包括一个或多个泵或者与所述一个或多个泵联接，以便将流体递送到混合器104；然而，在其他实施方案中，可省略这种泵，其中例如混合器104提供泵送。下游设备106可包括任何数目的水化箱、分离器、其他混合器/混合系统、泵等，以便将离开混合器104的浆料转换成所期望的黏度和/或组合流体。

如所示意性描绘的，混合器104可包括外壳107以及流体入口108，以及延伸穿过外壳107的添加剂入口110。流体入口108可与流体源102联接并且可被配置来接收来自其的流体(即，处理流体)。添加剂入口110一般可包括添加剂接收结构111，所述添加剂接收结构111可为或包括锥形件、腔、碗、漏斗等等，它们具有内表面115，所述内表面115被配置来接收添加剂113(所述添加剂113可以是干粉)并且例如通过重力馈送来将其引导到外壳107中。

将理解，可使用混合器104通过添加剂入口110将任何干燥的、部分干燥的、结晶的浆料、流体或者球状和/或经封装添加剂分散或以其他方式混合到流体中，如所示意性描绘的。此外，如以下将更详细描述的，可将通过添加剂入口110接收的添加剂预湿成部分浆料，例如以避免晶点和/或任何材料积聚。具体地，在各种实施方案中，混合器104可被配置用于在将沙子、瓜尔胶、其他粉末等与流体混合时使用。此外，在一些情况下，混合器104可被配置用作浸渍器，所述浸渍器可撕开纤维、含粉末小袋、球剂等以用于将其内容物分散到流体中。在至少一种情况下，混合器104可被配置用于在产生用于压裂操作中使用的凝胶时(例如在井筒中)使用；然而，可针对符合本公开的任何数目的不同用途而使用混合器104。

混合器104还可包括叶轮/抛掷装置组件112，所述叶轮/抛掷装置组件112可由轴114驱动。外壳107可在其中限定与入口108、110连通的混合室118。叶轮/抛掷装置组件112可设置在混合室118中。旋转叶轮/抛掷装置组件112可将来自源102的流体泵送通过混合室118并且将所述流体泵送到出口121。

如图所示，轴114可向上延伸，穿过入口110并且延伸出添加剂接收结构111；然而，这只是许多预期实例中的一个实例。在另一个实例中，叶轮/抛掷装置组件112可向下延伸穿过外壳116的底部，可磁性驱动，在混合室118内驱动，或者可以其他方式设置在外壳107中。轴114可与叶轮/抛掷装置组件112联接，使得轴114的旋转使叶轮/抛掷装置组件112旋转。在各种情况下，轴114可例如通过螺栓直接联接到叶轮/抛掷装置组件112；然而，在其他情况下，可采用齿轮、连杆机构、其他变速装置或联接件将轴114连接到叶轮/抛掷装置组件112。

混合器104还可包括定子120，所述定子120可呈环、弓形部分等的形式，所述定子120可围绕叶轮/定子组件112而设置，如以下将更详细描述的。此外，混合器104可包括出口121和冲洗管线122。出口121可接收由通过添加剂入口110接收的添加剂以及通过流体入口108接收的流体的组合形成的浆料。出口121可将浆料引导到一个或多个导管124，所述一个或多个导管124可将流体携带到下游设备106。

冲洗管线122可在一端与混合室118的邻近于叶轮/抛掷装置组件112的区域连通，并且在另一端与添加剂接收结构111连通。因此，冲洗管线122可在相对高压的区域处分接来自混合室118的处理流体并且将其递送到添加剂接收结构111的内壁，所述内壁可处于减小的(例如周围)压力下。除了处于相对高压下之外，由冲洗管线122分接的流体可以是相对“清洁的”(即，相对低的添加剂内容物，如以下将描述的)，以便预湿进入添加剂接收结构111的流体并且促进避免添加剂的团聚。在一些情况下，冲洗管线122可在不需要额外泵送装置(除了由叶轮/抛掷装置组件112提供的泵送之外)或者额外流体源或来自源102的管线的情况下提供预湿流体。在其他实例中，除了或者代替对来自混合室118的流体进行分接之外，可提供增压泵等。

图2说明根据实施方案的混合器104的分解透视图。如以上所指出，混合器104可包括外壳107，所述外壳107在图2中被描绘为由两个部分形成：第一或“上部”外壳部分126和第二或“下部”外壳部分128。上部外壳部分126与下部外壳部分128可例如通过螺栓、夹钳、其他紧固件、粘合剂、焊接等连接在一起，以便在其间限定混合室118(图1)。在一个特定实例中，下部外壳部分128可限定混合区域130，并且上部外壳部分126可限定混合区域132(以虚线示出)，这两个区域一般可对准。混合区域130、132可一起限定混合室118(图1)，叶轮/抛掷装置组件112和定子120可设置在所述混合室118中。下部外壳部分128还可包括内表面139，所述内表面139例如限定混合区域130的底部。将理解，涵盖外壳107的多种配置，包括整体和分段实施方案、具有门的实施方案等。

上部外壳部分126可与添加剂接收结构111联接，并且可提供添加剂入口110。下部外壳部分128可包括流体入口108，所述流体入口108可穿过下部外壳部分128延伸到大体居中设置的开口133。在实施方案中，开口133可限定在内表面139中。另外，出口121可从混合区域130(例如包括从与混合区域130连通的开口137延伸的基本相切的导管135)延伸。

转到设置在混合室118中的叶轮/抛掷装置组件112，叶轮/抛掷装置组件112可包括抛掷装置134和叶轮136。抛掷装置134和叶轮136可具有相应入口面134-1、136-1，并且具有相应背部134-2、136-2。入口面134-1、136-1可各自都打开(如图所示)或者至少部分地由护罩覆盖，所述入口面134-1、136-1在抛掷装置134和/或叶轮136的径向内部部分中形成入口。此外，入口面134-1、136-1可在相反方向上取向，例如以接收流体和/或使部件干燥。背部134-2、136-2可邻近彼此而设置，并且例如联接在一起，使得例如叶轮136和抛掷装置134以“背靠背”配置设置。

在实施方案中，抛掷装置134的入口面134-1可面向添加剂入口110(例如添加剂接收结构111)，而叶轮136的入口面136-1可面向流体入口108(例如开口133)，如图所示。例如，叶轮136的入口面136-1可面向内表面139，其中限定在内表面139上的开口133与叶轮136的径向中间对准。

因此，如由入口面134-1、136-1取向的方向所限定，抛掷装置134可面朝上(如图所示)，而在其他实施方案中可面朝下或在横向方向上。类似地，叶轮136可面朝下(如图所示)，而在其他实施方案中可面朝上或在横向方向上。此外，抛掷装置134和叶轮136各自可具有半径，其中抛掷装置134的半径大于叶轮136的半径。抛掷装置134和叶轮136的半径可相互依赖，以便控制流体-空气边界的位置，如以下将更详细描述的。

抛掷装置134还可限定碟形(如图所示)，即，大体形成为具有弓形侧面和入口面134-1的较平坦(或平坦)中间。在实施方案中，可形成类似于围绕抛掷装置134的中间延伸的圆环的侧面，或者所述侧面可形成为所述圆环的一部分。在另一个实施方案中，抛掷装置134可为碗形(例如大体为球的一部分)。此外，抛掷装置134可包括入口面134-1上的抛掷装置叶片138。叶片138的数目可从约两片至约20片变化，例如约九片。在一些情况下，叶片138可圆周弯曲为从轴114径向向外前进，但是在其他情况下，叶片138可为直的(如图所示)。当旋转时，抛掷装置134可被配置来通过与叶片138交互而径向向外并且向上(如图所示)(例如由于抛掷装置134的形状的影响)推进流体和/或使从入口110接收的添加剂干燥。

尽管图2中不可见，但叶轮136还可包括在入口面136-1上的多个叶片，所述多个叶片可与开口133大体对准。当轴114转动时，叶轮叶片可通过流体入口108的开口133抽吸流体，并且接着向下并且在径向上向外排出流体。由此，相对高压的区可在下部外壳部分128与叶轮136之间产生，所述区可用于围绕混合室118并且朝向抛掷装置134驱动流体。

冲洗管线122可包括在下部外壳部分128中所限定的邻近此高压区的开口140。例如，开口140可限定在内表面139中的叶轮136的外部径向范围与入口110的开口133之间的位置处。在其他实施方案中，开口140可设置在内表面139上以及叶轮136的径向外侧和/或混合室118中的别处。冲洗管线122还可包括导管142，所述导管142可为或包括一个或多个管道、管子、软管、流动限制器、止回阀等。导管142可与限定为例如与添加剂接收结构111基本相切的锥形入口144连接，使得流体通过导管142从开口140输送，穿过锥形入口144，并且输送到添加剂接收结构111中。流体接着可沿着添加剂接收结构111的内部采取大体螺旋形路径，直到经由添加剂入口110接收到抛掷装置134为止。由此，通过锥形入口144接收的流体一般可沿着添加剂接收结构111的内表面115形成流体壁。

在至少一个特定实施方案中，压力梯度可在叶轮136与下部外壳部分128之间产生，其中流体中的压力随着从开口133径向向外前进而增加。与流体中的添加剂的浓度有关的另一个梯度也可在此区中产生，其中添加剂的浓度随着径向向外前进而增加。在一些情况下，高压落差和低浓度可能是所期望的，以便提供由叶轮/抛掷装置组件112穿过冲洗管线122推进的相对清洁的流体流。因此，冲洗管线122的开口140可设置在沿着此区的在流体的压力落差与接收到冲洗管线122中的流体中的添加剂浓度之间实现最佳取舍的一点处。以下提供有关取舍的额外细节。

再次返回到定子120，定子120可形成剪力环，所述剪力环可围绕叶轮/抛掷装置组件112的径向外侧接收并且接收在混合室118中(图1)。在实例中，定子120可例如通过螺栓、其他紧固件、粘合剂、焊接等与上部外壳部分126联接。

图3说明根据实施方案的图2的定子120的放大剖视图。现在返回到图2和图3，如图所示，定子120可包括第一环形部分146和第二环形部分148，所述第一环形部分146和所述第二环形部分148可堆叠在一起以便形成定子120。定子120可例如通过与上部外壳部分126紧固而相对于可旋转叶轮/抛掷装置组件112大体保持静止。在另一个实施方案中，定子120可由叶轮/抛掷装置组件112支撑并且可随其旋转。在任一实例中，定子120可跨置在抛掷装置134的入口面134-1上，或者可与其分离。

第一环形部分146可被配置来最小化流动阻碍。如图所示，在一些情况下，第一环形部分146可包括护罩150和柱子152，所述柱子152限定相对宽狭槽154，从而允许流体穿过其相对自由地流动。在其他实施方案中，第一环形部分146可省略护罩150，如以下将更详细描述的。

虽然第一环形部分146可最小化流动阻碍，但是第二环形部分148可被配置来最大化流动剪力以便促进湍流混合，并且因此可包括围绕定子120紧密定位在一起的一系列定子翼片156。狭窄流动路径158可限定在定子翼片156之间；然而，流动路径158的总面积可小于定子翼片156的总面积。在各种实施方案中，定子翼片156的横截面积(即，阻碍流动的面积)与流动路径158的面积之比可为约1:2与约4:1之间，例如约1.5:1。此外，每个定子翼片156的面积可大于每个流动路径158的面积。此外，定子翼片156可相对于定子120的圆周成任何俯仰角而设置。例如，定子翼片156可笔直地径向取向，逆着旋转取向(例如以便增大剪力)，或者顺着旋转取向。在图2(以及在以下描述的图3和图4)中说明的实例中，定子翼片156可具有将区段146、148分离的护罩157。在其他实施方案中，如以下将更详细描述的，定子120可省略护罩150、157中的任一个或者两者。

图4说明根据实施方案的混合器104的一个区段的透视图。图5说明根据实施方案的混合器104的侧面剖视图，其中示意性说明了冲洗管线122。参照图4和图5，轴114延伸穿过添加剂入口110并且与叶轮/抛掷装置组件112联接。叶轮136面朝开口133，使得叶轮136的叶轮叶片160通过开口133经由入口108抽吸流体。

继续参照图4和图5，图6示意性说明根据实施方案的混合器104的剖面的简化视图。如图所示，叶轮136可从内表面139向上抽吸流体，并且接着将其向下(朝向内表面139)并且在径向上向外排出。流体接着可在混合室118中向上移动，例如沿着外壳107的外壁移动到上部外壳部分126的顶部，流体在所述顶部处可径向向内转向。流体接着可穿过定子120的第一环形部分146前进到抛掷装置134，并且接着被径向向外以及向上、向后朝向上部外壳部分126推动。这可在流体与空气之间形成湍流旋涡以及流体动力学稳态界面，大体显示为抛掷装置叶片138的根部138-1与尖端138-2之间的环形空气-流体边界或“眼睛”161(图5)。抛掷装置134因此趋于产生旋流式分离效应，由此防止通过入口110接收的空气夹带在从叶轮136接收的流体中。

同时，添加剂113被倾注到入口110中或以其他方式通过入口110接收(例如在重力作用下推进)，但是也可由压力差、真空、鼓风机、泵等推进。添加剂接着接收到抛掷装置134的入口面上，例如空气-流体边界的空气侧上。添加剂与叶片138相撞并且径向向外投掷到从叶轮136接收的流体中，同时产生流体的圆周速度分量和干添加剂。圆周驱动和径向驱动的干添加剂和流体接着穿过定子120的第二环形部分148，在所述第二环形部分处，添加剂和流体的组合在其穿过流动路径158时经受与定子翼片156交互而产生的高剪力。通过与叶片138和定子翼片156交互提供的剪力和由叶轮/抛掷装置组件112产生的湍流可提供添加剂在来自源102的流体中的大体均匀分散，从而形成浆料。

具体地，定子120的第一区段146设置为与抛掷装置叶片138具有小的径向间隙(例如从其径向向外)，使得由抛掷装置叶片136向下抛掷的添加剂113(例如粉末状化学品)与流体的浆料混合物在第一阶段通过叶片134和定子翼片156的相对移动在间隙中进行剪切。浆料接着在其被挤压在邻近定子翼片156之间并且通过抛掷装置134的作用穿过流动路径158径向向外推动时经受第二剪切阶段。此外，定子120的径向外侧的流动面积的突然扩张形成气穴，从而进一步促进混合。由此，混合器104在操作中提供两个阶段：高剪切和区域性气穴混合。定子120的第二区段148可具有基本上更大的开口并且设置在抛掷装置叶片上方，使得所述第二区段148允许流体穿过狭槽154进入抛掷装置134，或以其他方式最小化穿过定子120的流动阻碍。

浆料可多次经历这种混合，往回穿过抛掷装置134的部分搅拌以实现添加剂到流体中的进一步分散，并且最终到达出口121，如图5所示。到达出口121的浆料从混合室118例如引导到下游设备106(图1)以便进一步水化、铺开、处理等。此外，如图5所示意性描绘的，混合器104还可提供具有冲洗管线122的自调整预湿器。开口140可设置在下部外壳部分128的内表面139中，例如叶轮136的外部径向范围的径向内部或外部。这可表示混合室118中的高压区域，所述高压区域相对于混合室118中的其他部分(例如邻近出口121和/或抛掷装置134中的部分)中的流体是“清洁的”。

通过开口140接收的所分接的、相对清洁的流体可穿过冲洗管线122流动到添加剂接收结构111。预湿流体接着可例如在重力作用下沿着添加剂接收结构111的内表面流动穿过入口110并且返回到抛掷装置134。由此，可沿着添加剂接收结构111朝向抛掷装置134推动添加剂，同时在其中预湿。这可用于最小化沿着添加剂接收结构111的表面的团聚。

图7说明混合室118中的流体的压力和清洁度与距开口133的中心的半径的图，所述中心与叶轮136的中心对准。如图所示，相对于叶轮136径向向外前进，压力可从周围泵送压力(即，零表压)移动到由叶轮136提供的最大泵送压力。径向位置与压力落差之间的关系可为大体指数性的，直到位置到达叶轮136的径向范围为止。

相反，“清洁度”，也就是流体中的添加剂的浓度的倒数，或另外陈述为流体的纯度，可径向向外继续减小，因为通过入口108接收的流体与添加剂混合。因此，可计算出分接区141，从而提供由冲洗管线122通过开口140分接的流体中的压力落差与清洁度之间的最佳取舍。

此外，可控制相对清洁流体穿过冲洗管线122的流速，例如通过使开口140、导管142和/或锥形入口144的位置或大小与由叶轮136产生的压力落差匹配。通过穿过冲洗管线122的已知压降，这种控制可产生流动穿过冲洗管线122的最佳量的流体。此外，冲洗管线122可包括一个或多个流动控制装置，所述一个或多个流动控制装置还可允许对穿过冲洗管线122的流速进行调整。

图8说明根据实施方案的叶轮/抛掷装置组件112和定子120的透视图。定子120可包括第一环形部分146和第二环形部分148，如上所述。然而，第二环形部分148可包括多根柱子170但可不包括护罩，所述多根柱子170可从第一环形部分146向上延伸。例如，柱子170可联接到上部外壳部分126(图2)。柱子170可为任何形状，包括圆柱形、翼形等，并且可隔开以便在其间限定宽通道。因此，第二环形部分148可被配置来最小化穿过其的流动阻碍。

此外，如图所示，定子翼片156可相对于定子120的圆周成一定角度倾斜(例如与旋转相反)，以便最大化剪切。类似地，抛掷装置叶片138可在圆周上弯曲，例如以径向向外抛掷流体和添加剂，并且具有圆周速度分量，以便形成剪切。

图8说明的定子120可用作扩散器。在至少一个实施方案中，定子翼片156(如所说明)可经取向以恢复压力和/或可例如在发泡操作中促进空气引入浆料中。

图9说明根据实施方案的叶轮/抛掷装置组件112的透视图，所述透视图说明叶轮136的入口面136-1。如图所示，叶轮136的叶片160(所述叶片160可为弯曲的、笔直的、或者任何其他合适几何形状)可向上抽吸流体，并且接着将其径向向外排出到混合室118中(例如图3)。将理解，叶轮136可被配置来以高速度(例如约300rpm与约20000rpm之间)使用，并且能够产生约5psi(约34kPa)与约150psi(约1000kPa)落差之间(例如约60psi(约414kPa)落差)进行泵送。

图10说明根据实施方案的混合器104的另一个抛掷装置200的透视图。在一些情况下，转子叶片(诸如如图1所示的叶片138)可实现例如工程化颗粒(诸如封装的破胶剂)的超过所期望的速率的分散。在一些情况下，这可致使化学品过早释放在流体中。因此，在实施方案中，抛掷装置200可提供可处置这种易损化学品的低剪力或受控剪力分散，所述易损化学品易于损坏或因其他原因不适合用在较为激进的抛掷装置实施方案中。具体地，抛掷装置200可使用大体同心、环形圆盘202实现相对逐步分散，所述同心、环形圆盘202从轮毂204向上堆叠在彼此之上。最靠近轮毂204的环形圆盘202-1可具有比邻近其的环形圆盘202-2更小的内径，环形圆盘202-2又可具有比环形圆盘202-3更小的内径。这可在远离轮毂204的邻近圆盘202前进时重复，以便为抛掷装置200提供入口面205，流体和/或添加剂可通过所述入口面205接收并且向外推进。将理解，可包括任何数目的圆盘202。

在实施方案中，圆盘202可由翼片206保持分开，从而在圆盘202之间提供狭窄流动路径。翼片206可提供狭槽，每个狭槽用于环形圆盘202中的每一个，环形圆盘202可接收在所述狭槽中并且联接到翼片206。因此，狭窄路径可径向向外延伸，例如仅由狭窄翼片206在径向方向上阻碍。在其他实施方案中，替代或补充延伸穿过整组圆盘202的翼片206，单独翼片可在每对邻近圆盘202之间延伸。此外，在一些实施方案中，翼片206可与全部圆盘202的一个或多个子集联接。在一些情况下，翼片206可省略，其中圆盘202以任何其他合适的方式以隔开的关系保持在一起。

邻接流动路径的环形圆盘202的大表面积，以及流动路径的狭窄性可导致流体穿过其剪切和湍流。这种剪切可具有与以上论述的抛掷装置134和定子120类似的效果，并且可促进干添加剂分散到穿过其径向向外抛掷的流体中，同时最小化来自翼片204的冲击力，所述冲击力可能破坏较为易损的材料。在一些情况下，由抛掷装置200提供的剪切可使定子120省略；然而，在其他情况下，可结合定子120和抛掷装置200的剪切效果。

图11说明根据实施方案的无护罩定子300的透视图。如图所示，定子300包括第一环形部分302和第二环形部分304，所述第一环形部分302和所述第二环形部分304如图所示均可无护罩。第一环形部分302可包括基座306和一系列翼片308，所述一系列翼片308从基座306向上延伸并且围绕第一环形部分302相隔一段距离设置。流动路径310限定在邻近翼片308之间。

在定子300无护罩的情况下，流动路径310的顶部可为开放式的，从而通向定子120的第二环形部分304。第二环形部分304可包括从第一环形部分302向上延伸的突片312。突片312在圆周上可比翼片308更厚，例如，每个突片跨越两个翼片308和流动路径310中的一个；然而，可采用对翼片308和突片312进行的任何相对大小设定。无护罩配置可最小化从叶轮136流动的阻碍，从而增加混合器104的效率。

图12说明根据另一个实施方案的混合器104的侧面剖视图。图12所示的实施方案可大体类似于图1到图8中的一个或多个所示的混合器104的实施方案，其中类似的部件使用相同的数字指代并且本文省略重复描述。然而，图12所示的混合器104可具有与外壳107、例如与下部外壳部分128整合的定子400。因此，定子400可与叶轮/抛掷装置组件112径向隔开并且可外接所述叶轮/抛掷装置组件112，其中出口121从定子400径向向外设置。由下部外壳部分128支撑(和/或整合)定子400可促进叶轮/抛掷装置组件112的低摩擦旋转，因为定子400和叶轮/抛掷装置组件112可不与彼此相接触。在另一个实施方案中，定子400可从上部外壳部分126悬浮和/或与上部外壳部分126整合成类似效果。

在一些情况下，混合器104的此实施方案可确保所有或基本所有输入流体在离开混合器104之前与添加剂化学品混合。例如，在胶合剂混合时，混合器104可均匀搅拌粉末，以便避免依赖混合器104下游的管道涡流来实现这种混合。

如同定子120，定子400可为有护罩或无护罩的，并且可包括两个或更多个环形部分(例如用于低流动中断的一个环形部分以及用于高流动中断的一个环形部分)。然而，定子400可被配置来基本上接收所有流出流体体积的流体，这可增强整体混合。采用定子400的这种混合器104实施方案可适合于将粉末分散到非常黏的流体介质中，以及当混合物中的粉末体积率高时(例如通过胶合剂混合)。另外，尽管未示出，但图12所示的混合器104的实施方案可包括例如如上所述的冲洗管线122。

图13说明根据实施方案的用于将添加剂如干添加剂(例如粉末、颗粒剂等)分散到流体中的方法1000的流程图。方法1000可开始于混合系统100和/或混合器104的一个或多个实施方案的操作，因此本文参照其进行描述。然而，将理解，方法1000并不局限于任何具体结构，除非本文另外明确指明。

方法1000可包括如在1002处通过流体入口108将流体馈送到混合器104的混合室118中。例如，混合室118可限定在外壳107中，所述外壳107可限定接收来自源102的流体的流体入口108。方法1000还可包括如在1004处通过添加剂入口110将添加剂馈送到混合室118中。在1004处的馈送可在重力作用下推进，例如通过将添加剂倾倒到添加剂入口110的添加剂接收结构111，但也可涵盖其他馈送添加剂的方法。

方法1000还可包括如在1006处旋转设置在混合室118中的叶轮/抛掷装置组件112。旋转叶轮/抛掷装置组件112可从流体入口108并且径向向外抽吸(例如向上)流体，例如通过所设置的叶轮136的作用，其中所述叶轮136的入口面136-1邻近内表面139。旋转叶轮/抛掷装置组件112可进一步致使例如从叶轮136接收的流体连同通过添加剂入口110接收的添加剂径向向外抛掷。在实例中，向外抛掷可由叶轮/抛掷装置组件112的抛掷装置134导致，所述抛掷装置134可包括叶片138和/或圆盘202。此外，抛掷装置134可包括入口面134-1，所述入口面134-1可例如朝向添加剂入口110取向。当添加剂通过添加剂入口110馈送时，添加剂可撞击叶片138和/或圆盘202并且径向向外缓慢移动。

叶轮136和/或抛掷装置134的组合(例如以背靠背配置)可导致在抛掷装置134中产生由水动力稳态流体-空气边界限定的眼。例如，边界可径向存在于抛掷装置134的叶片138的轮毂138-1与尖端138-2之间。添加剂(以及从叶轮136接收的流体)通过抛掷装置134的作用径向向外抛掷可使得添加剂穿过空气-流体边界，因此至少部分地分散到流体中，由此形成浆料。在一些情况下，叶轮/抛掷装置组件112的作用可形成水动力稳态眼，从而形成流体-空气边界，由此防止空气夹带在流体中。然而，在一些情况下，例如在发泡应用中，可例如使用图8的定子120将空气有意引入混合物中。

如在1008处，添加剂可进一步分散在流体中，从而根据通过定子120接收的浆料促进浆料的增强均质化。以上论述定子120的各个实施方案，例如其中提供第一环形部分146和第二环形部分148以便分别最小化和最大化流体剪切。一般来说，定子120可包括在其间限定流动路径的多个翼片156，浆料穿过所述流动路径接收。浆料的漩涡状湍流与定子翼片156的交互可导致增加流体的剪力，所述增加的剪力可增加混合器104的混合效率。一旦混合到所期望的程度，如在1010处，具有某一浓度的添加剂的浆料可从混合器104通过出口121排出，所述出口121可从叶轮/抛掷装置组件112径向向外设置。

方法1000还可包括如在1012处(例如由于由在1006处叶轮/抛掷装置组件112的旋转导致的)流体或浆料的一部分(例如具有相对低的浓度，相对于流动穿过出口121)流动到冲洗管线122中并且流动到添加剂入口110，以便预湿添加剂。例如，冲洗管线122可包括开口140，所述开口140可经定位和/或设定大小以便在预定(例如最大)压力下将具有预定(例如最小)浓度的添加剂的浆料接收于混合室118中。冲洗管线122的大小设定、其开口140的布置、和/或冲洗管线122中流动控制装置的采用等可允许对穿过冲洗管线122前进的流体及其组合物的量进行控制。

将理解，暗示方向或取向的术语，例如“上”、“下”、“向上”、“向下”、“上方”、“下方”、“侧向”等仅仅是为了方便指示部件相对于彼此的相对定位而采用，如各个附图中所描绘。然而，本领域的技术人员将理解，这些术语并不意图将混合器104限制于任何具体取向。

此外，虽然已关于一个或多个实施方案说明了本教义，但是可对所说明的实例进行更改和/或修改，而不偏离随附权利要求书的精神和范围。另外，虽然已关于若干实施方案中的仅一个公开了本教义的一个具体特征，但是此特征可与其他实施方案的一个或多个其他特征进行组合，如对于任何给定或具体功能来说是期望和有利的。此外，至于术语“包括(including、include)”、“具有(having、has、with)”或其变体在详细描述和/或权利要求书中使用的程度，所述术语意欲与术语“包括(comprising)”类似的方式为包括性的。此外，在本文的论述和权利要求中，术语“约”指示所列出值可以有所更改，只要所述改变不对所说明实施方案的过程或结构造成不一致即可。最后，“示例性”指示所述说明用作实例，而不是暗示它是理想的。

通过考虑本说明书和本文所述的本发明的实践，本发明的其它实施方案对于本领域技术人员将是显而易见的。说明书和实例意图仅视为示例性的，而本教义的真实范围和精神由随附权利要求书指示。

Claims (18)

1.一种混合器，其包括：

轴，用于驱动所述混合器，该轴设置在外壳内并延伸穿过外壳，所述外壳包括邻近所述轴的一个轴向端的流体入口、邻近所述轴的相反的轴向端的添加剂入口和位于流体入口与添加剂入口中间的切向出口，所述外壳限定与所述流体入口、所述添加剂入口和所述出口流体连通的混合室；

叶轮，所述叶轮在所述混合室中设置在所述轴上，其中当旋转时，所述叶轮通过所述流体入口沿轴向方向抽吸流体；

抛掷装置，所述抛掷装置在所述混合室中设置在所述轴上并且被配置成用于接收来自所述叶轮的所述流体并沿与流体的轴向方向相反的轴向方向接收来自所述添加剂入口的添加剂，其中当旋转时，所述抛掷装置朝着外壳的切向出口径向向外抛掷所述流体和所述添加剂；以及

剪力环定子，所述剪力环定子至少部分地围绕所述抛掷装置而设置，所述定子包括堆叠在一起的第一和第二环形部分、以及在圆周上隔开的翼片，以便在其间限定流动路径，

其中，所述外壳、叶轮、抛掷装置和定子构造成用于防止通过添加剂入口接收的空气夹带在从叶轮接收的流体中。

2.如权利要求1所述的混合器，其中所述抛掷装置和所述叶轮以背靠背配置设置，使得所述叶轮将所述流体径向向外驱动出所述抛掷装置，并且接着朝向所述抛掷装置的中间径向向内驱动所述流体。

3.如权利要求2所述的混合器，其还包括轴，所述轴与所述抛掷装置和所述叶轮均联接以使所述抛掷装置和所述叶轮旋转。

4.如权利要求1所述的混合器，其中所述定子自所述抛掷装置的叶片径向偏离，以便在其间形成间隙。

5.如权利要求1所述的混合器，其中所述定子包括限定第一流动路径面积的所述第一环形部分以及限定第二流动路径面积的所述第二环形部分，其中所述第一流动路径面积大于所述第二流动路径面积，并且所述第二环形部分设置在所述第一环形部分与所述叶轮之间。

6.如权利要求5所述的混合器，其中所述第二环形部分围绕所述抛掷装置的至少一部分而设置并且与其对准以便接收来自其的流体。

7.如权利要求5所述的混合器，其中所述第二环形部分包括多个翼片，所述多个翼片隔开以便在其间限定多个流动路径。

8.如权利要求7所述的混合器，其中所述多个翼片的截面面积与所述第二流动路径面积之比为1:2与4:1之间。

9.如权利要求7所述的混合器，其中所述第二环形部分是无罩的，使得限定在其中的所述多个流动路径是开放式的。

10.如权利要求5所述的混合器，其中所述定子的所述第一环形部分包括与所述外壳联接的多根柱子。

11.如权利要求1所述的混合器，其中所述抛掷装置包括多个抛掷装置叶片。

12.如权利要求1所述的混合器，其中所述抛掷装置包括多个轴向隔开的圆盘。

13.如权利要求1所述的混合器，其中所述外壳包括所述添加剂入口至少部分地限定在其中的上部外壳部分，以及所述流体入口至少部分地限定在其中的下部外壳部分，并且其中所述定子与所述下部外壳部分、或所述上部外壳部分、或所述下部外壳部分和所述上部外壳部分两者整合。

14.一种用于将添加剂分散在流体中的方法，其包括：

将流体馈送到混合器的流体入口，使得流体沿第一方向进入混合器的混合室；

将添加剂馈送到所述混合器的添加剂入口，使得添加剂沿第二方向进入混合器的混合室，其中第一方向与第二方向相反；

旋转设置在所述混合室中的叶轮/抛掷装置组件，所述叶轮/抛掷装置组件包括以背靠背配置设置在所述混合室中的叶轮和抛掷装置，所述混合室与所述流体入口和所述添加剂入口流体连通，其中旋转所述叶轮/抛掷装置组件通过所述流体入口沿轴向方向抽吸流体，径向向外排出所述流体，并且将所述添加剂径向向外抛掷到所述流体中并且穿过剪力环定子，以便产生包括所述添加剂和所述流体的浆料，其中剪力环定子从所述叶轮/抛掷装置组件的至少一部分径向向外设置；以及

通过出口接收所述浆料，所述出口从所述定子径向向外设置，

其中，旋转所述叶轮/抛掷装置组件致使液体-空气边界在所述叶轮/抛掷装置组件的抛掷装置的叶片的根部与尖端之间形成，以防止空气夹带在所述浆料中。

15.如权利要求14所述的方法，其中，定子包括第一部分和第二部分，并且，旋转所述叶轮/抛掷装置组件致使流体从所述叶轮/抛掷装置组件的叶轮通过所述定子的第一部分接收到所述叶轮/抛掷装置组件的抛掷装置中，并且致使所述流体流动穿过所述定子的第二部分，其中穿过所述第一部分的流动路径面积大于穿过所述第二部分的流动路径面积。

16.如权利要求15所述的方法，其中旋转所述叶轮/抛掷装置组件致使所述流体的至少一些随着其离开所述第二部分而形成气穴。

17.如权利要求14所述的方法，其中旋转所述叶轮/抛掷装置组件致使所述流体的至少一些相对于所述叶轮/抛掷装置组件的抛掷装置径向向内抽吸，并且在所述抛掷装置的轴向隔开的圆盘之间向外排出。

18.一种混合器，其包括：

外壳，所述外壳限定混合室并且包括限定位于上端的添加剂入口的上部部分和限定位于下端的流体入口的下部部分，所述外壳还限定位于添加剂入口与流体入口中间的切向出口；

叶轮/抛掷装置组件，所述叶轮/抛掷装置组件包括以背靠背配置设置在所述混合室中的叶轮和抛掷装置，其中所述叶轮被配置成沿向上方向泵送流体通过所述流体入口，并且所述抛掷装置被配置成沿与所述向上方向相反的向下方向通过添加剂入口接收添加剂并朝着切向出口径向向外抛掷添加剂和流体；

轴，所述轴与所述叶轮/抛掷装置组件联接，以驱动所述叶轮/抛掷装置组件；以及

剪力环定子，所述剪力环定子从所述抛掷装置的至少一部分径向向外设置，其中所述定子包括限定第一流动路径的第一环形部分以及包括多个翼片的第二环形部分，所述多个翼片在圆周上隔开以便在其间限定第二流动路径，所述第一流动路径的面积大于所述第二流动路径的面积，其中所述第二环形部分在沿着所述轴前进时设置在所述第一环形部分与所述叶轮之间，

其中，所述外壳、叶轮、抛掷装置和定子构造成用于在外壳内产生流体-空气边界，从而防止通过添加剂入口接收的空气夹带在从叶轮接收的流体中。

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