RU2430775C1

RU2430775C1 - Mass transfer device

Info

Publication number: RU2430775C1
Application number: RU2010108556/05A
Authority: RU
Inventors: Александр Анатольевич Когогин (RU); Александр Анатольевич Когогин; Иосиф Израилович Фишман (RU); Иосиф Израилович Фишман; Вадим Львович Варсегов (RU); Вадим Львович Варсегов; Николай Владимирович Комиссаров (RU); Николай Владимирович Комиссаров; Владимир Николаевич Петров (RU); Владимир Николаевич Петров; Николай Ильич Волков (RU); Николай Ильич Волков; Иван Николаевич Волков (RU); Иван Николаевич Волков
Priority date: 2010-03-09
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2011-10-10

Abstract

FIELD: process engineering. ^ SUBSTANCE: invention relates to devices intended for mixing single-component fluid and mixing two and more fluid components. Mass transfer device comprises tube housing 1, one or several feed branch pipes 2, mix discharge branch pipes 3, mixer made up of one or several coiled rectangular-section strips 4 with front and rear surfaces 5 and 6 that has central and extreme parts 7 and 8 running along strip length Cutouts 9 are arranged perpendicular along at least one edge of strip, starting from outer edge 10 to extend to through holes 11. Centers of said holes are located at distance not exceeding ? of housing ID to form rectangular lobes with their lengthwise edges turned opposite central twisted section 7 of said strip. ^ EFFECT: higher mixing quality, simple design. ^ 4 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к способам и устройствам общего назначения для осуществления различных физических и химических процессов, в частности к массообменным устройствам для перемешивания однокомпонентных жидкостей, а также смешивания двух и более жидких компонентов, например взаимно гидрофобных (вода-мазут), перед подачей в топочные устройства котлов, а также может быть использовано для подготовки продукции нефтяной скважины (смеси нефти, воды и попутного газа) перед подачей в расходоизмерительные установки.The invention relates to general-purpose methods and devices for performing various physical and chemical processes, in particular to mass transfer devices for mixing one-component liquids, as well as mixing two or more liquid components, for example, mutually hydrophobic (water-fuel oil), before being fed to boiler furnace devices , and can also be used to prepare the production of an oil well (a mixture of oil, water and associated gas) before being fed to a flow meter.

Известен статический смеситель, содержащий корпус с коническими днищами с патрубками для ввода основного и подмешиваемого компонентов и вывода готового продукта и размещенные в нем смесительные элементы, выполненные в виде кососрезанных отрезков труб, внешний диаметр которых меньше внутреннего диаметра корпуса смесителя и установленных под его углом к его продольной оси. При этом каждый смесительный элемент снабжен установленным внутри вдоль его оси средством для интенсификации процесса смешивания, выполненным в виде продольной перегородки, установленной под углом к его продольной оси с равномерным смещением по ее разные стороны на величину 0,1…0,4 его радиуса. Средство для интенсификации процесса смешивания выполнено в виде направляющей лопатки, установленной внутри вдоль его оси так, что выходной ее конец повернут к входному на угол 30…90° (патент РФ №2133143, МПК 6 B01F 5/00, 1999 г.).Known static mixer containing a housing with conical bottoms with nozzles for input of the main and mixed components and output of the finished product and placed in it mixing elements made in the form of oblique pipe sections, the outer diameter of which is less than the inner diameter of the mixer body and installed at an angle to it longitudinal axis. Moreover, each mixing element is equipped with a means installed inside along its axis for intensifying the mixing process, made in the form of a longitudinal partition installed at an angle to its longitudinal axis with a uniform offset along its different sides by 0.1 ... 0.4 of its radius. Means for intensifying the mixing process is made in the form of a guide vane installed inside along its axis so that its output end is turned to the input angle by 30 ... 90 ° (RF patent No. 213143, IPC 6 B01F 5/00, 1999).

Недостатком указанного смесителя является низкое качество смешения, особенно при низких скоростях движения жидкости в ее проточной части и сложность конструкции.The disadvantage of this mixer is the low quality of mixing, especially at low speeds of the fluid in its flow part and the complexity of the design.

Известен смеситель непрерывного действия для жидкостей, выбранный в качестве прототипа, содержащий корпус в виде трубы, загрузочную и разгрузочную крышки, закрепленный в корпусе набор рабочих элементов из отрезков металлических или пластмассовых полос, изогнутых под углом и закрепленных в корпусе так, что задняя торцевая кромка одного элемента повернута на 90° относительно торцевой кромки следующего, выполненный в виде сборного узла с возможностью размещения его в корпусе с гарантированным кольцевым зазором, при этом каждый рабочий элемент представляет из себя отрезок двухзаходного винта с центральным сердечником и длиной, равной половине хода винтовой линии, причем в сердечнике каждого рабочего элемента на переднем и заднем торцах выполнены отверстия для соединения рабочих элементов с помощью стержней и фиксирующих штифтов, а весь сборный узел фиксируется от проворота в корпусе торцовой шпонкой, укрепленной в сердечнике первого рабочего элемента и взаимодействующей с ответным пазом в загрузочной крышке. В смесителе отношение площади кольцевого зазора между винтовой поверхностью рабочих элементов и внутренней поверхностью трубы корпуса к площади поперечного сечения активной зоны смесителя не должно превышать заданного допустимого разброса компонентов в готовой смеси (Патент РФ №2280499, МПК B01F 5/00, 2006 г.).A known continuous mixer for liquids, selected as a prototype, comprising a housing in the form of a pipe, loading and unloading covers, a set of working elements fixed in the housing from pieces of metal or plastic strips, bent at an angle and fixed in the housing so that the rear end edge of one the element is rotated 90 ° relative to the end edge of the next one, made in the form of a prefabricated unit with the possibility of placing it in a housing with a guaranteed annular gap, with each working electric the cop is a segment of a double-threaded screw with a central core and a length equal to half the helix stroke, with holes in the core of each working element at the front and rear ends for connecting the working elements with the help of rods and fixing pins, and the entire assembly is fixed against rotation in the housing with a key, fixed in the core of the first working element and interacting with the return groove in the boot cover. In the mixer, the ratio of the annular gap area between the screw surface of the working elements and the inner surface of the housing pipe to the cross-sectional area of the active zone of the mixer should not exceed the specified allowable dispersion of components in the finished mixture (RF Patent No. 2280499, IPC B01F 5/00, 2006).

При протекании жидкости через смеситель рабочие элементы делят поток напополам без дополнительного перемешивания, что обуславливает низкое качество смешения, особенно при низких скоростях движения жидкости в ее проточной части, а выполнение смесительных элементов в виде сборного узла с использованием соединительных стержней и штифтов усложняет конструкцию, что также является недостатком.When fluid flows through the mixer, the working elements divide the flow in half without additional mixing, which leads to low mixing quality, especially at low speeds of fluid movement in its flow part, and the implementation of the mixing elements in the form of an assembly using connecting rods and pins complicates the design, which also is a disadvantage.

Предлагаемым изобретением решается задача повышения качества смешения при относительно простом конструктивном исполнении смесительного элемента.The present invention solves the problem of improving the quality of mixing with a relatively simple design of the mixing element.

Для достижения этого технического результата в массообменном устройстве, содержащем корпус в виде трубы, один или несколько патрубков для ввода компонентов, патрубок для вывода смеси, смесительный элемент, состоящий из одной или нескольких полос, свернутых по винтовой линии, последние выполнены в виде лент в основном прямоугольного сечения, скрученных с образованием винтовых передней и тыльной поверхностей по отношению к транспортируемым компонентам, имеющих центральную и крайние части, простирающиеся вдоль ее длины, причем, по меньшей мере, вдоль одного края перпендикулярно расположены прорези, начиная от наружной кромки до сквозных отверстий, центры которых размещены на расстоянии не более четверти внутреннего диаметра корпуса, с формированием лепестков прямоугольной, преимущественно квадратной формы, продольные кромки которых повернуты в противоположную сторону относительно центральной скрученной части ленты.To achieve this technical result, in a mass transfer device containing a housing in the form of a pipe, one or more nozzles for introducing components, a nozzle for discharging the mixture, a mixing element consisting of one or more strips rolled up along a helical line, the latter are made in the form of tapes mainly rectangular cross-section, twisted with the formation of helical front and rear surfaces with respect to the transported components having a central and extreme parts extending along its length, and at least at least, along one edge, slots are perpendicular to, starting from the outer edge to the through holes, the centers of which are located at a distance of no more than a quarter of the inner diameter of the body, with the formation of rectangular, mostly square, petals, the longitudinal edges of which are turned in the opposite direction relative to the central twisted part of the tape .

При этом продольные кромки лепестков повернуты на угол 5…45 градусов относительно основания и на угол не более 12 градусов относительно центральной оси корпуса, а передние по направлению потока кромки лепестков заострены съемом материала с тыльной стороны.In this case, the longitudinal edges of the petals are rotated by an angle of 5 ... 45 degrees relative to the base and by an angle of not more than 12 degrees relative to the central axis of the housing, and the front edges of the petals in the direction of flow are pointed by the removal of material from the back side.

Кроме этого при выполнении смесительного элемента из одной ленты сквозные отверстия противоположных краев размещены в шахматном порядке.In addition, when performing the mixing element from one tape, the through holes of the opposite edges are staggered.

Отличительными признаками предлагаемого массообменного устройства от указанного выше известного, наиболее близкого к нему, является выполнение свернутых по винтовой линии полос в виде лент в основном прямоугольного сечения, скрученных с образованием винтовых передней и тыльной поверхностей по отношению к транспортируемым компонентам, имеющих центральную и крайние части, простирающиеся вдоль ее длины, причем, по меньшей мере, вдоль одного края перпендикулярно расположены прорези, начиная от наружной кромки до сквозных отверстий, центры которых размещены на расстоянии не более четверти внутреннего диаметра корпуса, с формированием лепестков прямоугольной, преимущественно квадратной формы, продольные кромки которых повернуты в противоположную сторону относительно центральной скрученной части ленты.Distinctive features of the proposed mass transfer device from the above known, closest to it, is the implementation of rolled along a helical strip in the form of tapes of mainly rectangular cross section, twisted to form a helical front and rear surfaces with respect to the transported components having central and extreme parts, extending along its length, and at least along one edge perpendicularly located slots, starting from the outer edge to the through holes, cent whose rods are placed at a distance of no more than a quarter of the inner diameter of the body, with the formation of rectangular, mainly square, petals, the longitudinal edges of which are turned in the opposite direction relative to the central twisted part of the tape.

Благодаря наличию этих признаков внутри трубопровода в полостях, ограниченных поверхностями лент и внутренними поверхностями корпуса, образуются прецессирующие по спиральной линии вихревые потоки с зонами повышенного давления у передних поверхностей и пониженного давления с тыльной стороны, обеспечивая тем самым непрерывное перетекание (массообмен) между соседними полостями и вовлечение перетекшей массы в основной поток.Due to the presence of these signs inside the pipeline in cavities bounded by the surfaces of the tapes and the inner surfaces of the casing, vortex flows precessing along a spiral line are formed with zones of high pressure at the front surfaces and low pressure on the back side, thereby ensuring continuous flow (mass transfer) between adjacent cavities and involvement of the flowing mass into the main stream.

Поворот продольных кромок лепестков на угол 5…45 градусов относительно основания и на угол не более 12 градусов относительно центральной оси корпуса, а также заострение передних по направлению потока кромок лепестков съемом материала с тыльной стороны обеспечивает высокий градиент касательных напряжений между слоями жидкости из-за разнонаправленных векторов скорости у основания и периферии лепестков, что вызывает дополнительную деформацию объема и, соответственно, перемешивание (массообмен) при безотрывном перетекании смеси через ленту смесителя между соседними проточными направляющими с меньшими гидравлическими потерями.The rotation of the longitudinal edges of the petals at an angle of 5 ... 45 degrees relative to the base and at an angle of no more than 12 degrees relative to the central axis of the housing, as well as the sharpening of the front edges of the petals in the direction of flow by removing the material from the back, provides a high gradient of shear stresses between the fluid layers due to multidirectional velocity vectors at the base and periphery of the lobes, which causes additional deformation of the volume and, accordingly, mixing (mass transfer) during continuous flow of the mixture through the mixing between the adjacent flow-through rails with smaller hydraulic losses.

Размещение сквозных отверстий противоположных краев в шахматном порядке увеличивает длину ослабленного сечения и увеличивает тем самым прочность при выполнении смесительного элемента из одной ленты.The placement of through holes of opposite edges in a checkerboard pattern increases the length of the weakened section and thereby increases the strength when performing the mixing element from one tape.

На фиг.1 представлен продольный разрез массообменного устройства; на фиг.2 - поперечный разрез А-А фиг.1, схемы размещения патрубков ввода смешиваемых компонентов, 2а - ввод двух компонентов, 2б - ввод трех компонентов, 2в - ввод четырех компонентов; на фиг.3 - вид Б фиг.1; на фиг.4 - сечение В-В фиг.3; на фиг.5 представлена развертка ленты.Figure 1 presents a longitudinal section of a mass transfer device; figure 2 is a cross-section aa of figure 1, the layout of the nozzles for the input of the mixed components, 2a - input of two components, 2b - input of three components, 2c - input of four components; figure 3 is a view B of figure 1; figure 4 is a section bb In figure 3; figure 5 presents the scan tape.

Массообменное устройство содержит корпус 1 в виде трубы, один или несколько патрубков 2 для ввода компонентов, патрубок 3 для вывода смеси, смесительный элемент, состоящий из одной или нескольких полос 4, свернутых по винтовой линии и выполненных в виде лент в основном прямоугольного сечения, скрученных с образованием винтовых передней 5 и тыльной 6 поверхностей по отношению к транспортируемым компонентам, имеющих центральную 7 и крайние 8 части, простирающиеся вдоль ее длины, причем, по меньшей мере, вдоль одного края перпендикулярно расположены прорези 9, начиная от наружной кромки 10 до сквозных отверстий 11, центры которых размещены на расстоянии не более четверти внутреннего диаметра корпуса 1, с формированием лепестков 12 прямоугольной, преимущественно квадратной, формы, продольные (наружные) кромки 10 которых повернуты в противоположную сторону относительно центральной скрученной части 7 ленты. В устройстве продольные кромки лепестков 12 повернуты на угол 5…45 градусов относительно основания 13 и на угол не более 12 градусов относительно центральной оси корпуса 1, а передние по направлению потока кромки 14 лепестков заострены съемом материала с тыльной стороны. В случае выполнения смесительного элемента из одной ленты сквозные отверстия 11 противоположных краев размещены в шахматном порядке. При выполнении смесительного элемента из нескольких полос (лент) 4 последние могут быть соединены между собой путем прикрепления к центральному стержню 15, например методом сварки. Выполнение поперечного сечения ленты прямоугольной формы существенно упрощает конструкцию и позволяет изготовить устройство на доступном оборудовании. В особых случаях, возможно формирование поперечного сечения ленты овальной (бочкообразной) формы, что повысит прочность центральной части 7 и массообменного устройства в целом.The mass transfer device comprises a housing 1 in the form of a pipe, one or more nozzles 2 for introducing components, a nozzle 3 for discharging the mixture, a mixing element consisting of one or more strips 4, rolled along a helical line and made in the form of tapes of basically rectangular cross section, twisted with the formation of a helical front 5 and rear 6 surfaces with respect to the transported components having a central 7 and extreme 8 parts extending along its length, and at least along one edge perpendicular to the wives of the slot 9, starting from the outer edge 10 to the through holes 11, the centers of which are located at a distance of not more than a quarter of the inner diameter of the housing 1, with the formation of the petals 12 of a rectangular, mostly square, shape, the longitudinal (outer) edges 10 of which are turned in the opposite direction relative to central twisted portion 7 of the tape. In the device, the longitudinal edges of the petals 12 are rotated by an angle of 5 ... 45 degrees relative to the base 13 and by an angle of not more than 12 degrees relative to the central axis of the housing 1, and the front edges in the direction of flow of the edges 14 of the petals are pointed by the removal of material from the back side. In the case of a mixing element made of one tape, the through holes 11 of the opposite edges are staggered. When performing a mixing element of several strips (tapes) 4, the latter can be interconnected by attaching to the Central rod 15, for example by welding. The implementation of the cross section of a rectangular ribbon significantly simplifies the design and allows you to make the device on affordable equipment. In special cases, it is possible to form a cross section of an oval (barrel-shaped) ribbon, which will increase the strength of the central part 7 and the mass transfer device as a whole.

Массообменное устройство работает следующим образом.Mass transfer device operates as follows.

Подлежащие перемешиванию компоненты через один (расслоенные смеси) или несколько (по количеству компонентов) патрубков 2 поступают в полости массообменного устройства, ограниченные поверхностями лент 4 и внутренними поверхностями корпуса 1, и приобретают движение по спиральной линии с образованием прецессирующих вихревых потоков с зонами повышенного давления у передних 5 поверхностей и пониженного давления с тыльной 6 стороны лент 4, обеспечивая тем самым непрерывное перетекание (массообмен) между соседними полостями и вовлечение перетекшей массы в основной вихревой поток, где происходит перемешивание. Интенсификации перемешивания также способствует поворот продольных кромок 10 лепестков 12 на угол 5…45 градусов относительно основания и на угол не более 12 градусов относительно центральной оси корпуса 1. При этом обеспечивается высокий градиент касательных напряжений между слоями жидкости из-за разнонаправленных векторов скорости у основания 13 и периферии 10 лепестков 12, что вызывает дополнительную деформацию объема и, соответственно, перемешивание (массообмен) компонентов смеси. Заострением передних по направлению потока кромок 14 лепестков съемом материала с тыльной стороны осуществляется безотрывное перетекание смеси через ленту смесителя между соседними проточными направляющими лепестками 12 с меньшими гидравлическими потерями.The components to be mixed through one (layered mixture) or several (by the number of components) nozzles 2 enter the cavities of the mass transfer device bounded by the surfaces of the belts 4 and the inner surfaces of the housing 1 and acquire movement along a spiral line with the formation of precessing vortex flows with pressure zones at 5 front surfaces and reduced pressure from the back 6 of the tapes 4, thereby ensuring continuous flow (mass transfer) between adjacent cavities and the involvement of The final mass in the main vortex flow, where mixing takes place. Intensification of mixing also contributes to the rotation of the longitudinal edges of the 10 petals 12 at an angle of 5 ... 45 degrees relative to the base and at an angle of no more than 12 degrees relative to the central axis of the housing 1. This ensures a high gradient of shear stresses between the fluid layers due to multidirectional velocity vectors at the base 13 and the periphery 10 of the petals 12, which causes additional deformation of the volume and, accordingly, mixing (mass transfer) of the components of the mixture. By sharpening the front edges 14 of the petals in the direction of flow, the material is removed from the rear side and the mixture flows without interruption through the mixer tape between adjacent flowing guide petals 12 with less hydraulic loss.

Реализация совокупности признаков, описанных в предлагаемом массообменном устройстве, позволяет обеспечить непрерывный интенсивный массообмен между полостями и внутри полостей, повысить тем самым качество смешения при относительно простом конструктивном исполнении.The implementation of the set of features described in the proposed mass transfer device, allows for continuous intensive mass transfer between the cavities and inside the cavities, thereby improving the quality of mixing with a relatively simple design.

Claims

1. Mass transfer device containing a housing in the form of a pipe, one or more nozzles for introducing components, a nozzle for discharging the mixture, a mixing element consisting of one or more strips rolled along a helical line, characterized in that the strips rolled along a helical line are made in in the form of tapes of mainly rectangular cross-section, twisted to form helical front and rear surfaces with respect to the transported components, having central and extreme parts extending along its length, and at least at least along one edge, slots are perpendicular to, starting from the outer edge to the through holes, the centers of which are located at a distance of not more than a quarter of the inner diameter of the body, with the formation of rectangular, mostly square, petals, the longitudinal edges of which are turned in the opposite direction relative to the central twisted part of the tape .

2. Mass transfer device according to claim 1, characterized in that the longitudinal edges of the petals are rotated by an angle of 5 ... 45 degrees relative to the base and by an angle of not more than 12 degrees relative to the central axis of the housing.

3. Mass transfer device according to claim 1, characterized in that the front edges of the petals in the direction of flow are pointed by the removal of material from the back.

4. The mass transfer device according to claim 1, characterized in that, when the mixing element is made of one tape, the through holes of the opposite edges are staggered.