CN108778478A - 用于分散流体中的微粒的设备和方法 - Google Patents

Abstract

一种用于分散流体（F）中的微粒（P）的设备，包括：用于接收流体（F）且用于将流体（F）分成第一流体流（F1）和第二流体流（F2）的分流器（10）；用于接收流体流（F1,F2）的第一流体分支和第二流体分支（11,12）；用于接收流体流（F1,F2）的分支接合区段（14），分支接合区段（14）具有用于允许第一流体流和第二流体流（F1,F2）碰撞的碰撞区（141）；布置在第一流体分支（11）中的第一喷嘴（30）；以及布置在第二流体分支（12）中的第二喷嘴（40），第一喷嘴（30）包括孔（33），孔随后是流体发散区段（36）。

Description

用于分散流体中的微粒的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于分散流体中的微粒的设备，其中分流器将带有微粒的流体分成允许在设备的碰撞区中碰撞的两股流体流。还描述了一种用于分散流体中的微粒的方法。

背景技术

在多个行业中，存在将微粒混合到流体中的需要。这包括诸如以下的行业：奶制品、食品、化妆品、饮料、药物、化学制品、塑料、房屋建筑、浆纸、油气行业。混合的目的在于实现例如流体中的微粒的分散、微粒尺寸减小和均匀化。使用用于获得充分混合的多种技术，包括旋转剪切单元、常规搅拌技术、基于振动的技术、流体流碰撞的技术等。混合在一个或多个阶段中执行且典型地在流体经受“剪切”的一个或多个剪切区中产生，当流体相对于相邻区域或流体体积以不同速度行进时发生“剪切”。

混合器类型的一个示例在描述所谓的喷射混合器的专利文献US3833718中示出。此混合器用于提供流体的高剪切混合（诸如在用于井处理的浆体溶液的准备中）。混合原理是基于在流体和微粒的混合物的相反的流的交汇处形成剪切区。混合器是基于：将流体分成两股流且然后将流朝彼此引导，且在混合区中喷射两股相反的流以在合并流的交汇处形成剪切区。流从与彼此大致成直角的地方引导到混合区中，这有效地实现混合（剪切）。

描述的混合器似乎提供充分的混合。然而，估计可改进此类型的混合器，例如，关于它在流体的较宽范围的流率下有效地混合微粒的能力。同样，期望的是所述类型的混合器应能够有效地混合较多种流体类型和微粒类型。

发明内容

本发明的目标是至少部分地改进上文确定的现有技术。另一目标可为对于多种流体类型和微粒类型获得合适的混合。

为解决这些目标，提供一种用于分散流体中的微粒的设备。该设备包括：用于接收流体且用于将流体分成第一流体流和第二流体流的分流器；用于接收第一流体流的第一流体分支；用于接收第二流体流的第二流体分支；以及用于从第一流体分支和第二流体分支接收第一流体流和第二流体流的分支接合区段，分支接合区段具有用于允许第一流体流和第二流体流碰撞的碰撞区。第一喷嘴布置在第一流体分支中且第二喷嘴布置在第二流体分支中，第一喷嘴包括孔，孔随后是流体发散区段。第二喷嘴可与第一喷嘴相同，尽管可能使用不同的喷嘴。发散区段可具有线性发散、弯曲发散或用于发散的另一形状。发散区段的优点在于它给出流体速度和压降之间的关系，其看来改进流体中的微粒的分散。

根据另一方面，还提供一种分散流体中的微粒的方法。该方法包括：将带有微粒的流体引入设备的入口中，设备包括：用于接收流体且用于将流体分成第一流体流和第二流体流的分流器；用于接收第一流体流的第一流体分支；用于接收第二流体流的第二流体分支；用于从第一流体分支和第二流体分支接收第一流体流和第二流体流的分支接合区段，分支接合区段具有用于允许第一流体流和第二流体流碰撞且随后朝出口流动的碰撞区；其中第一喷嘴布置在第一流体分支中且第二喷嘴布置在第二流体分支中，第一喷嘴包括孔，孔随后是流体发散区段。该方法包括测量设备的入口和出口上的压差，以及依据所测量的压差调节带有引入入口中的微粒的流体的流率。

该设备可包括如下文描述的多个不同特征（单独的或组合的）。在该方法中使用的设备可包括相同的特征。本发明的目标、特征、方面和优点将从以下详细描述以及从附图显现。

附图说明

现在将参照附随的示意图通过示例描述本发明的实施例，其中：

图1是用于分散流体中的微粒的设备的后视图，

图2是图1的设备的截面顶视图，

图3是布置在图1的设备中的喷嘴的侧视图，

图4是图3的喷嘴的截面侧视图，

图5是图3的喷嘴的前视图，

图6是图3的喷嘴的后视图，

图7是图3的喷嘴的截面透视图，以及

图8是分散流体中的微粒的方法的示意图。

图9是用于分散流体中的微粒的设备的实施例的截面图。

具体实施方式

参照图1和图2，示出用于分散流体F中的微粒P的设备1。设备1具有三角形管道构件的主要形式，带有在三角形的基部的中间处的入口2，且带有在三角形的顶部处的出口3。流体F在其进入入口2时包括微粒P，且当流体F在设备1内部时，然后微粒P如下文将详细描述的那样分散在流体F中，之后流体F经由出口3离开设备1。当流体F进入设备1时，微粒P可在某种程度上分散在流体F中。在流体F通过设备1之后，然后微粒更加或甚至完全地分散在流体F中。

详细地，设备1包括呈t区段管道的形式的分流器10，其中入口2是分流器10的基部。从入口2，分流器10将流体F分成第一流体流F1和第二流体流F2。设备1具有第一流体分支11，第一流体分支11连接到分流器10以用于接收第一流体流F1。在与第一流体分支11连接的侧相反的侧上，第二流体分支12连接到分流器10。第二流体分支12接收第二流体流F2。

第一流体分支11包括连接到分流器10的直区段121、连接到直区段121的90°管道弯头122、连接到管道弯头122的角形弯头123以及连接到角形弯头123的第二直区段124。角形弯头123以角度α的一半成角度。

第二流体分支12包括直区段131，直区段131在分流器10中第一流体分支11的直区段121所连接之处的相反侧连接到分流器10。第二流体分支12类似于第一流体分支11且具有连接到直区段131的90°管道弯头132、连接到管道弯头132的角形弯头133以及连接到角形弯头133的第二直区段134。角形弯头133以角度α的一半成角度。

第一流体分支11和第二流体分支12的第二直区段124, 134连接到分支接合区段14，分支接合区段14从第一流体分支11和第二流体分支12接收第一流体流F1和第二流体流F2。分支接合区段14具有y区段管道的形状。分支接合区段14包括出口3且分支接合区段14具有内部碰撞区141，第一流体流F1和第二流体流F2在该处汇合和碰撞。当流体流F1, F2碰撞时，它们经受剪切，这是由于流F1, F2在它们在碰撞区141中汇合时相对彼此以不同的速度行进。大体上，流体流F1, F2的速度在流率方面是相同的，但它们具有不同的方向，这产生剪切。碰撞区141也可称为剪切区。

两个流体分支11, 12的部分典型地由金属（诸如钢）制成，且可通过焊接接合至彼此。然而，两个流体分支11, 12的第二直区段124, 134典型地由两个常规夹具接合至它们相应的相邻部分。例如，第一夹具113将第一流体分支11的第二直区段124的第一端部接合至角形弯头123。第二夹具114将第一流体分支11的第二直区段124的另一端部接合至分支接合区段14。两个类似的夹具以类似方式将第二流体分支12的第二直区段134接合至它的相邻角形弯头133且接合至分支接合区段14。夹具可具有适合于接合管道构件的任何常规夹具的形式，且由夹具接合的区段123, 124, 14, 134, 133配备有与夹具相容的常规凸缘。依靠夹具，对于操作者来说可能移除第一流体分支11和第二流体分支12的第二直区段124, 134。

第一流体分支11和第二流体分支12布置成将第一流体流F1和第二流体流F2以60°-120°的角度α朝彼此引导。结果，第一流体流F1和第二流体流F2以60°-120°的相同角度α在碰撞区141中汇合。流体流F1, F2之间的碰撞角度α通过使角形弯头123, 133中的各个以角度α的一半成角度来实现。

第一喷嘴30布置在第一流体分支11中且第二喷嘴40布置在第二流体分支12中。第二喷嘴40可包括与第一喷嘴30相同的特征，使得它们是相似或甚至相同的。因此，对于第一喷嘴30描述的每个特征也可对于第二喷嘴40实施。喷嘴30, 40中的各个可从它们所位于的流体分支11, 12移除。这通过从第二直区段124, 134释放夹具来实现。喷嘴位于第二直区段124, 134中，且通过从移除的直区段取出喷嘴，可替换喷嘴。

第一喷嘴30具有孔33，其随后是流体发散区段36。发散区段36可具有线性发散、弯曲发散、其组合或用于发散的另一形状。发散区段36也可具有逐步的发散。关于这点，“发散区段”可理解为带有在流体的流的方向（第一流体流F1的方向）上增加的截面面积的区段。线性发散或稍微弯曲的发散是优选的，因为这在流体通过第一喷嘴30时给出流体速度和压降之间的有利关系。

进一步参照图3-7，第一喷嘴30具有入口301和出口302，第一流体流F1流到入口301中，且第一流体流F1从出口302离开第一喷嘴30。如可在图2中看到的那样，第一夹具113位于第一流体分支11中第一喷嘴30的入口301所位于的位置处。第二夹具114位于第一流体分支11中第一喷嘴30的出口302所位于的位置处。第一喷嘴30具有外部伸长的圆柱形表面303。当第一喷嘴30位于第一流体分支11中时，此圆柱形表面303邻接第一流体分支11的内表面112。更特别地，第一流体分支11的内表面112是直管道构件124的内表面，直管道构件124是第一流体分支11的部分。

第一喷嘴30具有位于孔33和流体发散区段36之间的中间流动区段35。中间流动区段35具有恒定的截面面积。第一喷嘴30具有朝孔33会聚的流体会聚区段32。因此，如在第一流体流F1的流的方向上看到的那样，流体会聚区段32位于孔33之前。流体会聚区段32具有在朝孔33的方向上减小的截面面积。会聚区段32可具有线性会聚或弯曲会聚或其组合。

如可在图5和图6上看到的那样，孔33具有中间区域331和围绕中间区域331的外围的多个成角度地间隔开的外部区域332。当流体流过外部区域332时，外部区域332提供涡流流型，涡流流型提供剪切效果且因此改进第一流体流F1中的微粒的分散。对于示出的实施例，孔33在孔构件34中形成，孔构件34布置在第一喷嘴30中。孔构件34由一组螺钉39固定至第一喷嘴30，且可从第一喷嘴30移除。这允许孔构件34由另一孔构件替换。在孔33可制造为第一喷嘴30的整体部分的意义上，可省略孔构件34。

第一喷嘴30包括邻接第一流体分支11的周向凸缘38。如在第一流体F1的流的方向上（即，在沿第一喷嘴30的方向上）看到的那样，这使第一喷嘴30相对第一流体分支11固定。典型地，第一喷嘴30制造为包括会聚区段32、孔33、中间流动区段35和发散区段36的一个整体单元。第一喷嘴30典型地由塑料制成。

当第一流体流F1流过第一流体分支11时，它经由喷嘴入口301进入第一喷嘴30，在它通过会聚区段32时经历增加的流动速度，在它通过孔33时受到增加的剪切，通过中间流动区段35，在它通过发散区段36时经历减小的流动速度，以及经由喷嘴出口302离开第一喷嘴30。会聚区段32和发散区段36均增加流体的剪切，这改进流体F中的微粒P的分散。当通过第二流体分支12中的第二喷嘴40时，相应情况适用于第二流体流F2。当第一流体流F1和第二流体流F2在碰撞区141中碰撞时，然后流体受到进一步的剪切。

再转到图2，设备1在入口2处具有第一压力感测接口71且在出口3处具有第二压力感测接口72。压力感测接口71, 72可具有呈开口(压力感测装置连接到其)的形式。将压力感测装置连接到设备1的原因在于，设备1的性能（即，它有效分散流体F中的微粒P的能力）取决于设备1上的压差。设备1上的压差是入口2附近的位置处的压力和出口3附近的位置处的压力之间的差异。例如，如果入口2处的压力等于100psi且如果出口3处的压力等于60psi，则压差是40psi (100psi – 60psi)。

因此，为了测量压差，设备1具有压力感测装置77以用于在流体F流过设备1时测量设备1上的压差。压力感测装置77是常规的差压计且具有第一压力入口端口73和第二压力入口端口74，它们附接至压力感测接口71, 72，例如经由两个压力传导线路75, 76。差压计通过机械手段执行压力相减的操作，这消除对操作者或控制系统确定压力感测接口71, 72处的压力之间的差异的需要。当然，任何其他适合的压力感测装置可用于确定压差。

在设备1的操作期间，监测压差且调节流体F的流率，以便获得已知的提供流体F中的微粒P的合适分散的预定压差。预定压差应当确切地是多少可取决于多个因素（诸如，设备1的尺寸、流体F的类型和微粒的类型），且优选地根据经验通过调节流率直到微粒分散令人满意来确定。然后可读取的压差然后设置为用于设备1且用于使用的流体F和微粒P的类型的预定压差。

压力感测装置77不一定是差压计。压力感测装置77也可具有呈两个常规压力计的形式，它们连接至相应的压力感测接口71, 72。由于操作者可基于来自压力计的读数容易地确定压差，故这些压力计然后（例如，向操作者）指示设备上的压差。还可能向控制系统指示压差，例如通过应用常规的电子通信技术。控制系统然后可依据测量的压力读数（即，依据压差△p）调节带有微粒P（其被引入设备1的入口2中）的流体F的流。

参照图8，示出一种分散流体F中的微粒P的方法。该方法包括：将带有微粒P的流体F引入701所述设备1的入口2中，测量702设备1的入口2和出口3上的压差△p，以及依据测量的压差△p调节703带有微粒P（其被引入入口2中）的流体F的流。用于该方法的设备1与关于图1-7的设备所述的相同。执行调节703直到获得预定的压差△p。详细地，带有微粒P的流体F的流或流率可通过改变将带有微粒P的流体F供给到设备1的泵的速度来调节703。泵速度的改变使设备1的入口处的压力改变，这继而改变通过设备1的带有微粒P的流体F的流（流率）。流也可通过例如使控制带有微粒P的流体F的流的阀节流来调节703。

图9示出图1和图2中示出的用于分散流体F中的微粒P的设备1的备选实施例。该设备与图1和图2中示出的实施例基本上相同，仅带有下文论述的少许差异。

在此实施例中，流相比于先前的实施例是反向的，意味着入口2布置在图2中示出的实施例中出口所布置之处（即，在三角形管道构件的顶部或顶点处），而出口3布置在图2中示出的实施例中入口所布置之处（即，在三角形的基部的中间处）。因此，用于将流分成第一流体流F1和第二流体流F2的分流器10布置在顶点处，且第一流体流F1和第二流体流F2汇合和碰撞所处的内部碰撞区141相应地布置在基部中的出口处。

此外，当流如相比于关于图1和图2论述的实施例是反向的时，第一喷嘴30和第二喷嘴40也是反向的。这意味着到第一喷嘴的入口301以及会聚区段32和孔33面向顶点处的入口2（即，如在流体流F1的流的方向上看到的那样在发散区段36的上游）布置。发散区段36和出口302因此面向第一流体分支11的角形弯头123布置。相应地，如图9中看到的那样，第二喷嘴40也是以类似方式反向的。

而且，应理解的是，当使用图9的实施例中的压力感测装置77测量压差时，入口2处的压力使用压力感测接口72测量而出口处的压力使用压力感测接口71测量。

从上文的描述可见，虽然已描述和示出了本发明的各种实施例，但本发明不限于此，而是也可在随后的权利要求中限定的主题的范围内以其他方式体现。

Claims (13)

1.一种用于分散流体（F）中的微粒（P）的设备，包括：

用于接收所述流体（F）且用于将所述流体（F）分成第一流体流（F1）和第二流体流（F2）的分流器（10），

用于接收所述第一流体流（F1）的第一流体分支（11），

用于接收所述第二流体流（F2）的第二流体分支（12），

用于从所述第一流体分支和第二流体分支（11, 12）接收所述第一流体流和第二流体流（F1, F2）的分支接合区段（14），所述分支接合区段（14）具有用于允许所述第一流体流和第二流体流（F1, F2）碰撞的碰撞区（141），其中

第一喷嘴（30）布置在所述第一流体分支（11）中且第二喷嘴（40）布置在所述第二流体分支（12）中，所述第一喷嘴（30）包括孔（33），所述孔随后是流体发散区段（36）。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述第一喷嘴（30）包括位于所述孔（33）和所述流体发散区段（36）之间的中间流动区段（35），所述中间流动区段（35）具有恒定的截面面积。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的设备，其特征在于，所述第一喷嘴（30）包括朝所述孔（33）会聚的流体会聚区段（32）。

4.根据权利要求1至权利要求3中任一项所述的设备，其特征在于，所述孔（33）包括中间区域（331）和围绕所述中间区域（331）的外围的多个成角度地间隔开的外部区域（332），使得通过所述外部区域（332）中的各个的流体流产生涡流流型。

5.根据权利要求1至权利要求4中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一喷嘴（30）由塑料制成且布置在所述第一流体分支（11）内部。

6.根据权利要求1至权利要求6中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一喷嘴（30）包括周向凸缘（38），所述周向凸缘邻接所述第一流体分支（11），使得所述第一喷嘴（30）相对所述第一流体分支（11）固定，如在所述第一流体（F1）的流的方向上看到的那样。

7. 根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一流体分支（11）和所述第二流体分支（12）布置成将所述第一流体流（F1）和所述第二流体流（F2）以60°-120°的角度（α）朝彼此引导，使得所述流体流（F1, F2）以所述角度（α）在碰撞区（141）中汇合。

8.根据权利要求1至权利要求7中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一喷嘴（30）包括外部伸长的圆柱形表面（303），所述圆柱形表面邻接所述第一流体分支（11）的内表面（112）。

9.根据权利要求1至权利要求8中任一项所述的设备，其特征在于，所述第一流体分支（11）包括第一夹具（113）和第二夹具（114），所述第一夹具（113）位于所述第一流体分支（11）中所述第一喷嘴（30）的入口（301）所位于的位置处，所述第二夹具（114）位于所述第一流体分支（11）中所述第一喷嘴（30）的出口（302）所位于的位置处。

10.根据权利要求1至权利要求9中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括直管道区段（124），所述第一喷嘴（30）位于所述直管道区段中，所述直管道区段（124）由第一夹具（113）和第二夹具（114）附接至所述设备。

11.根据权利要求1至权利要求10中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括在所述设备的入口（2）处的第一压力感测接口（71）和在所述设备的出口（3）处的第二压力感测接口（72）。

12.根据权利要求1至权利要求11中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括压力感测装置（77）以用于在所述流体（F）流过所述设备时指示所述设备上的压差。

13.一种用于分散流体（F）中的微粒（P）的方法，所述方法包括将带有微粒（P）的流体（F）引入（701）设备（1）的入口（2）中，所述设备（1）包括：

用于接收所述流体（F）且用于将所述流体（F）分成第一流体流（F1）和第二流体流（F2）的分流器（10），

用于接收所述第一流体流（F1）的第一流体分支（11），

用于接收所述第二流体流（F2）的第二流体分支（12），

用于从所述第一流体分支和第二流体分支（11, 12）接收所述第一流体流和第二流体流（F1, F2）的分支接合区段（14），所述分支接合区段（14）具有用于允许所述第一流体流和第二流体流（F1, F2）碰撞且随后朝出口（3）流动的碰撞区（141），其中

第一喷嘴（30）布置在所述第一流体分支（11）中且第二喷嘴（40）布置在所述第二流体分支（12）中，所述第一喷嘴（30）包括孔（33），所述孔随后是流体发散区段（36），

所述方法包括测量（702）所述设备（1）的所述入口（2）和所述出口（3）上的压差，以及

依据所测量的压差，调节（703）带有引入所述入口（2）中的所述微粒（P）的所述流体（F）的流。