CN87102245A - 一种使粉末物料与液体(基本上是水泥和水)或两相液体相混合的混合器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种离心混合器，它具有一个用于甩出颗粒的上转子(3)，该转子被牢固地安装在一个使液体产生离心作用的转子(4)上。本发明主要是在空间(23)的高压区域中形成了一个低压区，在该低压区中供入固体颗粒。低压区的形成需要使用一个扰动器(27)。其结果是大大地提高了油田工地所需的水和水泥的混合效率。

Description

本发明涉及一种使粉末状物料与液体相混合的混合器，它基本上是用于粉末状的水泥与水的混合。本申请特别适用于油井、气井、地热井或其他井的水泥灌浆。

很久以来一直具有这样的混合器，例如，1922年的美国专利US-A-1486883。为提高混合质量和改进生产工艺，这期间具有大量的申请，其中最为显著的是美国专利US-A-4453829。

上述发明公开了一种混合器，该混合器的壳体内具有两个相联的转子，一个上转子在其中心部位接受由简单的重力供料提供的粒状物料，这些物料是通过壳体上部的中心孔供入的。该转子将物料甩向四周。液体从下转子下部的中心孔流入，流过该转子的中心孔，在离心力作用下被输送至转子四周。颗粒物料和液体在两转子之间的周围区域进行混合，由一套合适的出料系统将混合物从壳体内抽出。当颗状物料是沙子，液体是一种凝胶时，上述混合器的运转是十分令人满意的。

但是，当非常细的粉末，例如水泥，与水混合时，上述混合器的效果就不理想了。

首先，细粉末夹带了大量的空气，这些空气在设备四周的区域中被放出。空气不能由上转子使之产生离心作用，所以也就不能从壳体中将它们与混合后的混合物一起排出，它们在上述区域进行聚集，逐渐使混合器不能进行正确的操作。

其次，沙子那样的物料非常适合于使用重力供料使之进入上转子，但是，由于细粉末的密度低，所以容易在上述区域形成压力不平衡，这样也就不适于进行重力供料了。

此外，上述设备不能容易地调节所获得混合物的密度，而实际上，精确、容易地控制所使用水泥的密度，是油井水泥灌浆成功的保证。

本发明目的在于提供一种混合器，该混合器甚至在进行细粉末的混合时，也能以十分令人满意的方式进行运转。

本发明在此尤其想要提供一种特别适用于水泥粉末的混合器，使用它可以方便地进行精确的密度控制。

本发明混合器是“旋转”或“离心”型的，其壳体内包括有下列组件：一个用于甩出粉末物料（或第二种液体）的离心转子，相对于壳体的一个壁，所述转子的离心表面是位于径向的（优先选用的生产方法是，使转子朝向上壁弯曲）;转子的表面和壳体的壁，加上壳体的侧壁确定了一个“混合区”，在压力条件下，液流（混合过的或未混合过的）在该区内做自由循环;一套加压液体进料系统，它将液体输送至转子四周的一个环形区域中;和一套粉末进料系统，它包括有一个直接与所述混合区相联的贮料器。

本发明允许对粉末物料进行压力进料，它是通过在混合区的高压环形区内形成一定的负压（相当高）的形式实现的。

上述目的是借助于一个部分地位于高压环形区中的粉末进料装置来实现的，该进料装置包括有一个从壳体壁伸出一段距离的边缘，用于在液流中形成局部扰动，以便在边缘下游处获得一个负压区，该负压区与粉末物料的贮料器相联。

下游的负压区通过一个可调的阀直接与所述贮料器相联将是十分有益的。

“扰动器”其一种设计是，它由一个基本上为园柱形且偏心于转子转轴而设置的管组成。

“扰动器”另一种设计是，它由一个同轴于转子的环形管（管套）组成，该管其端部最好向下逐渐变大。

混合器中具有从壳体中排出空气的装置，在优先选用的形式中，本发明所详述的混合器是一种美国专利US-A-4453829所描述的普通型混合器，该混合器也装有一个与粉末物料甩出转子相联的液体离心转子。

但是，本发明适合于所有的液体与固体颗粒相混合的混合器。这些混合器包括：一个壳体，壳体内装有一个高速转子，转子具有一个用于输送液体的开孔;一套固体颗粒进料系统和一个出料导管，在大于常压条件下，液体-一固体颗粒的混合物被由该管抽出。按照本发明，固体颗粒进料系统从壳体壁伸入到混合器中，并且进料系统伸入的区域，由于转子的作用，其液体是以高速转动的。本发明也包括两相液体的混合和固体颗粒与饱和液体的混合。

由于本发明包括了粉末物料的进料系统，它可以仅通过调节一个参数来调节混合过程，例如，粉末物料进料速度。因此，首先水泥混合就有可能使用全自动技术。

与已有混合器相比，本发明的进料系统得到了高质量的混合，并且由于下述原因它提高了效率。

首先，上述系统直接应用了混合器中液流的力量和速度，来吸入粉末物料。

此外，粉末物料被直接加入到一个具有高混合效率的强湍流区。这样，物料能够脱去大部分所夹带的空气。

例如，在一个2.5巴压力的区域中能够具有-0.6巴的负压区，该负压区使得能够使用各种粉末进料系统，包括气动的或重力的进料。

从下面参照附图所进行的描述中将可看到本发明的其他优点和特征。

图1是本发明混合器其一种实施方案的局部剖视图;

图2是第二种实施方案的局部剖视图;

图3是本发明的扰动系统的示意性说明;

图4是适用于本发明离心式混合器的工作原理图。

图4说明了本发明申请的基本原理。离心式混合器包括有一个壳体（A），壳体（A）中具有高速转动的转子（B），转子（B）使得从导管（C）中进入的液体在一个或若干个混合区（F）中快速旋转。本发明的特征在于，至少在一个混合区中形成负压，可以在该区域进行固体颗粒的进料。这样，借助于一个合适的结构设计，使固体颗粒进料系统从壳体的壁上向内伸出，则可确保固体颗粒进料系统（D）直接供入区域（F）。

图1至图3给出了本发明的若干具体实施方案。

在图1中，混合器（1）具有一壳体（2），壳体（2）内包括有上转子（3）（也称为“甩料环”）和下转子（4）（“叶轮”），上转子（3）用于甩出粉末物料，下转子（4）通过离心作用给液体加压。

壳体（2）由几个部分组成，用联接件（5）可方便地将其组装起来。在优先选用的实施方案中，壳体由基本上呈园形的下壁（6）、上壁（7）以及园柱形壳（8）组成。

由联接部分（9）将转子（3）和（4）彼此牢固地组装起来，它们被装在转轴（10）的端部。上述组件由安装在一个托架（未示出）上的马达（11）驱动，该托架被固定在设备的底架上或壳体（2）上。

下转子（4）是这样设计的，即，它的转动将形成涡流，从而在位于下壁（6）中心处的下孔（14）左右形成负压区（13）;入口（15）（水或更普通的任何液体的入口，它们可被添加剂饱和或含有添加剂）是位于开孔（14）处，水在该孔被抽入，被抛至转子（4）四周的环形区域中，水通常围绕混合器的整个环形区域（16）进行分布。

转子（3）的上表面（17）（“甩出”面）基本上位于横向的半径方向上，即垂直于轴（12）。该表面是中凹的喇叭口型，并对着壳体的上壁（7）。最好，该转子也装有美国专利US-A-4453829那样的垂直叶片（未示出）。转子的离心表面的设计是这样的，即它能接受由进料系统提供的粉末物料，并在转动中，由离心力将物料推送至转子四周的环形区，通常，被推送至混合器的环形区（16）。通过位于混合器环形区的出料管（18）来排出由液体和粉末组成的混合物（增压的）。

混合器（1）被联入一个混合系统，该系统包括：混合水槽（19），它通过位于混合器下部的入口（15）输送水;装有粉末物料的进料漏斗（20），这些物料通过下面将要描述的系统被加入到混合器中;高压泵（21），从出料管（18）排出的混合物（例如：矿渣水泥）被输送至该高压泵，由它将其输送至工作场地（例如：油井，进行水泥灌浆）。

以上的布置是已知的方法，美国专利US-A-4453829对其有所描述，这里所进行的叙述仅共参考。

本发明的核心是对于空间（23）内的压力现象和流体动力学的研究，所说空间（23）是指壳体上壁（7）和离心面（17）之间确定的空间。假定有效空间是在表面（17）的上边（它与垂直叶片的上边相吻合）和平直的壁（7）之间。如美国专利US-A-4453829给出的那样，上述空间的高度通常与其上转子大致相等。然而，空间（23）的高度能够在转子（3）的一半至两倍高度之间变化。

空间（23）包括有一个承受常压的内“气穴”，在其四周是相对高压的区域。

这些区域的尺寸和相对位置依赖于混合器的几何形状（特别是转子（3）的形状和空间（23）的高度）和其转速。然而，当混合器是常规转速时，气穴则被限制在区域（23）的最中心部分，高压环形区域变得相当接近中心处。对于任一给定的混合器，自然可以使用压力传感器来确定区域（23）的压力状态。

区域（23）中液流的研究是一项特别困难的任务。但是，在对其简化和没有特定的基本理论的条件下，看来似乎存在有下列现象。首先，固液两相以高速转动，并且有一个大的切向分量，它由转子的转动方向来确定。如果在径向平面内（例如，如图1所示）观察速度向量，可以看到，紧挨着上转子（3）具有一个直接由转子（3）转动产生的径向离心液流（箭头24），和一个径向向心液流（箭头25），它是由离心液流（24）的反作用产生的，并位于壳体上壁（1）附近。

在高压区中心附近，液体具有一个垂直向下的速度分量（箭头26），它联接液流（25）和（24）。

本发明提供了一个粉末物料的进料系统，它具有一个至少是部分地位于高压环形区中的装置，该装置由一个基本上从壳体上壁（7）伸出的叶片构成，以便在液流中产生局部扰动，这样，叶片其上游侧面处速度增加，其下游侧面处将形成一个负压区。该负压区与粉末物料进料系统相联。经证明，无论所获得的速度再高，在此高速下混合体系的敏感性再强，扰动也不会遍布于混合器的整个空间（它将不利于有效的混合）。

按图1所示的设计，扰动装置由一个安装在上壁（7）上且基本上呈园柱形的管（27）构成。如图3所示，能够将该管斜着安装在液流中（即，径向（或朝向内部）和切向的），也可以使该管直接垂直于上壁（7）（参见图1）。使用一个夹紧装置或焊接的方法将该管联于上壁（7）上，同时要与漏斗的底部相联;由阀（30）（例如：蝶形阀或滑阀）来控制漏斗中物料的流量。

图3说明了管（27）的功能。该管在液流中产生局部扰动，离开该管一定距离的地方，流体就不再受其影响了。由于转速很高，饱和液体循环的出现是十分迅速的。

在有限的受扰动区域中，可用下述方法粗略地进行分析。首先，液流以所示的平行于区域（31）的线条那样的形式进入所说空间。由于由管（27）和其前缘（37）形成了伸出部分，液流线朝向区域（32）和（33）时逐渐聚集;因为上述流体不得不流过一个较小的空间，所以流体速度增加，在接近区域（33）的前缘处达到极大值。随后液流转向，这样就在该前缘的下游区形成了一个低压的受扰区。直至流体完全离开扰动区后才能稳定。低压区（34）由管（27）与漏斗（20）相联，或者至少与阀（30）的下端相联。低压区（34）能吸入粉末，并随后由液流带走，这样物料就被直接加入至湍流区（34）。

这样不仅能改进混合形式，而且能使粉末与其夹带的空气进行有效的分离;这些空气可以通过空间（23）的中心区（即一个低压气穴）从轴（10）和壳体（2）上壁之间的通道逸出混合器。气体由壳体逸出的线路由箭头（35）指出。

上述现象的研究，特别是对流体动力学的分析，使得专业人员可以很容易地发现其他的几何形状，而其效果与所指出的几何形状相同，特别是对于扰动器（27）。此外，扰动器能装有一个伸入到由甩料表面（17）确定的空间中的短通道，在此情况下，仅需要限制转子（3）上的垂直叶片的高度（未示出）。

在粉末进料时的最初混合过程中不能从粉末中逸出的气体，将随后在混合器环形区（16）的混合过程中被分离出来，并通过若干通道而从上转子（3）逸出，所述的通道与带有空间（23）中气穴的区域相联。这些通道可以由位于转子（3）和（4）两后侧之间的空腔和孔（38）组成，孔（38）穿过上转子（3）并且接近其中心处。此时，空气逸出的线路用箭头（37）和（35）表示。

阀（30）可以采用任何类型的：如果采用一个环形板（39），使之嵌之上壁（7）并与之相密封，使板（39）与该壁成为一体这将是有益的。该板具有一个孔（40）（一个环节，即一个环的一部分），该孔由滑阀（40）（一个较大的环节）封堵，滑阀在一个环形轨道（42）上滑动。

也可以在混合器输出口（18）和泵（21）之间装有循环管线（44），这样混合物即可进行再循环。使用再循环可能是由于混合物未达到所需密度，也可能是由于需要在回流管线中用密度计（43）测量密度。

混合器的流动状态可简单的写为：进水量+进水泥量＝混合物输出量。

例如在对油井或类似地方进行水泥灌浆时，泵（21）输送的水泥的体积是恒定的，它由泵的转速控制。由输出口（18）输出的混合物的物料其流量是恒定的，或者能容易地使之保持恒定。

由于上述理由和混合物的流动状态，进水量（15）直接是粉末进量（27）的函数，通过控制阀（30）能方便地控制粉末进量。

应该注意到，实际上是控制水泥流量而不是控制水的流量，因为水泥在所产生的负压效果和重力作用下是压力进料，而水的进料则并非如此。因此宁愿控制水泥流量而不控制水流量。

上述结构大大地简化了现场操作时矿渣水泥密度的精确控制。按照本发明，仅需控制阀（30），水的进料则自动受到控制。在整个水泥灌浆过程中，现场的工程师能够这样方便地将水泥密度值保持在最佳值附近，从而施工就更容易获得成功。

漏斗（20）可以是重力进料或气动型的。

图2给出了图1所示混合器的一种变型。两图中，相同的部件使用相同的序号。

按照这种变型，进料系统包括有环绕着轴的管套（50）。管套包括：截头部分（51），其向上的开口用于接受通过阀（52）来自于漏斗（20）的粉末;中间的柱形部分（53），该部分进入壳体（2）中;和开口向下的下截头部分（54）。

中部（53）和壳体（2）上壁之间留有环形空间（55），以便于安装管套（50）;该环形空间由装在壳体壁上的环形板（56）封盖。

就如图1中扰动器（27）的底边一样，下截头部分（54）的底边基本达到了空间（23）的底部。该底边与轴（10）的径向距离这样的，即使得该底边能位于空间（23）的高压环形区内，而不是位于气穴中。

向心（径向）液流（25）和垂直向下的液流（26）在管套（50）中碰撞，这样，仅仅在下截头部分（54）其边的上游处形成了一个负压区。对于这种装置，粉末（其进料由阀（52）控制）被直接加入到最强的混合区中。其他的几何形状可与上述的相同。

在混合过程中，逸出的空气能从环形通道（55）中排出。

阀（52）可以是图1所提及的任一种类的阀。也可以在转子（4）上装一个水平板，该板刚刚低于空气排出空间（36）;这样，高压环形区将能被分成两个区域，即浓液区（板下方）和稀液区（板上方）。

Claims (8)

1、一种用于混合液体与固体颗粒的混合器包括有一个壳体(A)、壳体(A)中具有高速转子(B)；该壳体具有两个进料装置，即液体进料管(C)和固体颗粒进料系统(D)；在大于常压条件下从出料口(E)排出液体与固体颗粒的混合物；所述混合器其特征在于，所述的固体颗粒进料系统(D)穿过壳体(A)伸入到所说混合器中，使得将固体颗粒直接输送至一个在转子(B)作用下其液体以高速转动的混合区中。

2、一种按照权利要求1所述的混合器，其特征在于，该壳体（2）中包括有离心转子（3）（“甩料环”），该转子用于传送固体颗粒，转子的甩料表面基本上是位于径向的，也就是对着所述壳体的壁（7）;转子的表面与壳体的壁形成了空间（23），即一个环形区，在压力条件下，液流（混合过的或者未混合过的）在该环形区内循环;在压力条件下，液体供料系统（15）将液体输送至转子的外部空间（16）中，固体进料系统（包括贮料器（20））直接向空间（23）中供料;所述固体进料系统具有部件（27）或（50），该部件至少是部分地位于空间（23）的所述环形区中，部件（27）或（50）包括有一个前缘，形成了一个从壁（7）向内伸出的伸出物，以便在液流（25）和（26）中产生局部扰动，这样就在所述前缘的下游区域形成了一个负压区（34）;负压区（34）与所述贮料器相联。

3、一种按照权利要求2所述的混合器，其特征在于，所述的区域（34）通过一个可调节的阀（30）或（52）与贮料器（20）相联。

4、一种按照权利要求2或3所述的混合器，其特征在于，所使用的扰动器是由一个基本上呈园柱形的管（27）构成，该管相对于转子转轴是偏心设置的。

5、一种按照权利要求2或3所述的混合器，其特征在于，所述扰动器是一个与所述转子同轴的园柱形管（管套）。

6、一种按照权利要求5所述的混合器，其特征在于，在管套（50）上另加有一个锥形下部（54）。

7、一种按照权利要求2至6中任一权利要求所述的混合器，其特征在于，所述混合器具有空气排出孔（35和55），用将从壳体（2）中排出空气。

8、一种按照权利要求2至6中任一权利要求所述的混合器，其特征在于，所使用的离心转子（4）与固体颗粒离心转子（3）（“甩料环”）是相联的。

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