多用途流體混合調節裝置的設計

重慶科技學院

多用途流體混合調節裝置的設計

張紅陽 胡鑫 羅澤利 王志勇 劉如藍重慶科技學院

為了克服傳統的攪拌混合裝置的缺點，運用流體力學的原理，通過設計合理的混合腔、擋板和流道等結構，研制出一種新型多用途流體混合裝置，可實現兩種或三種流體的快速混合。該裝置由流體入口射流管、主混合腔體及出口混合管三部分組成，同時設置有射流元件和對稱擋板結構以增強混合效果。實驗結果表明，該裝置的混合效果較好，同時具有流體快速混合、流體密度及時調整，以及簡單實用、可操作性強、占用體積小、便于維護等特點。

流體混合裝置；流道；射流元件；擋板

在石油開采、化工、制藥、飲料、釀造等行業的工藝流程中，常需將多種（兩種或三種）液體按照一定的比例混合在一起，進行密度調節或做相應的后續處理和加工[1]。迄今常用的方法有二種[2-3]：一種是人工的方法，即按混合比大小將兩種液體間斷定量地灌入貯存容器中，然后進行攪拌混合；另一種是微機控制的方法，即將兩種液體連續地灌入貯存容器中，用流量檢測裝置分別檢測出二者流量的大小，并轉化為電信號輸送至計算機，計算機由此計算出二者的比值并與所要求的混合比進行比較，然后將誤差信號送至流量調節機構，適時地調節流量大小，使流量之比始終滿足所要求的混合比。第一種方法的優點是控制方法簡單且較為精確，但是不能進行連續混合生產，一般用于少量物品的生產；第二種方法控制精確，可以實現連續生產，但是工藝較為復雜、設備成本高。同時，這兩種方法均需要較大容量的貯存容器并且需要攪拌設備，設備體積大、運動設備和零件較多，易于損壞，不適用于快速、穩定混合調節以及空間上有限制的場合。

運用流體力學的原理，通過設計合理的混合腔、擋板結構和流道結構，研制出了一種新型多用途流體混合裝置，可實現兩種或三種流體的快速混合。

1 結構設計及混合原理

1.1 結構設計

多用途流體混合裝置具有混合流量大、混合時間短的特點，可滿足無外加能耗混合、簡單實用、可操作性強、占用體積小、便于維護的要求。該裝置可廣泛應用于石油、化工行業，特別是能滿足石油鉆井泥漿密度調節的要求以及海上鉆井平臺空間的要求，可快速獲得需要的泥漿密度以達到平衡地層壓力的目的[4]。該裝置既能用于日常生產用流體的混合，也可作為應急設備，及時防止和處理鉆井過程中的井噴(涌)、井漏和井塌等事故。

多用途流體混合裝置結構如圖1所示。該裝置由流體入口射流管、主混合腔體及出口混合管三大系統組成。

圖1 流體混合主體裝置結構設計示意

入口射流管部分包括三段管徑DN90mm變徑到DN150mm的流體入口射流管，每個流體入口射流管由DN90mm變徑到DN150mm，使流體流速減慢，延長混合時間，且DN150mm段內設置有射流元件，以控制流體流動狀態，增強混合效果。

主混合腔體是由管段焊接而成，呈Y形結構，是流體混合的第一個場所，主體管徑為DN200 mm，三段DN200mm直管布置在同一水平面上，且兩側管之間軸線夾角為90°，以進一步增強射流混合效果。

出口混合管是由DN150mm的兩段直管組成，兩段直管之間和主混合腔體出口處安裝有擋板。

1.2 混合原理

多用途流體混合調節裝置利用流體力學原理，通過設計合理的混合腔、擋板結構和流道等，來提高混合效果，主要由以下4個方面來保證流體的混合效果：①每個流體入口射流管由DN90mm變徑到DN150mm，使流體流速減慢，延長混合時間，在有限的時間內，充分延長混合時間，提高混合效果；②每個流體入口射流管內均設置有射流元件，通過射流元件，控制流體的流動狀態，通過調節射流的角度、流體速度和流體形態等，來充分增強混合效果；③主混合腔體部分是由管段焊接而成，呈Y形結構，且兩側管之間軸線夾角為90°，因此，兩側的入口射流管通過射流元件，形成流體沖擊，以進一步增強射流混合效果；④在出口混合管出口直管段安裝有兩組擋板，第一組擋板平行于三個流體入口射流管的主軸線，第二組擋板垂直于三個流體入口射流管的主軸線，使流體盡可能處于紊動流態，進一步提高混合效果。

2 技術指標及安裝

2.1 主要技術指標

經設計計算和實驗測試，多用途流體混合裝置的主要技術指標如下：①最大排量為4m3/min；②密度可調范圍為1.00～2.00g/cm3；③設計壓力為6.4MPa；④適用流體為含有固體顆粒的鉆井泥漿及普通流體；⑤結構可實現橇裝化、體積小，能滿足類似海上鉆井平臺等場合的管匯連接要求。

2.2 裝置安裝連接

多用途流體混合調節裝置安裝示意如圖2所示。

圖2 多用途流體混合調節裝置安裝示意

多用途流體混合裝置3個入口可通入或關閉不同流體，通過泵或者高壓管路提供動力?；旌涎b置入口可根據客戶生產需求，增設流量控制裝置，如圖2所示的3個進口蝶閥和3個進口流量計，可隨時根據密度、流量要求調節入口流體流量，從而實現密度的及時調節和控制。除混合器外的其他設備均可臨時連接組裝，可以采用軟管連接使多用途流體快速混合調節裝置安置在廠區的任意位置。裝置安裝、移動等作業只需兩名作業人員通過簡單的培訓即可完成，設備操作簡單、方便。

3 結語

多用途流體混合裝置克服了傳統的攪拌混合裝置或微機控制裝置的缺點。經過生產試制、中試試驗和工業試驗，取得了較好的效果，達到了預期的設計目的。該裝置具有流體混合段沒有運動零部件，可實現無外加能耗混合的特點，同時具有流體快速混合、流體密度及時調整，以及簡單實用、可操作性強、占用體積小、便于維護等優點，可廣泛用于石油開采、化工、制藥、飲料、釀造等行業，特別是可應用于海上鉆井時鉆井液的混合配制，滿足快速、穩定、可靠性高和空間上的要求。

[1]孔松濤，雷宗明，李嗣貴，等．動態鉆井液混合器混合機理研究[J]．石油機械，2010，38（11）：8-10，38.

[2]熊朝坤，余波，任桂英．一種流體混合裝置的改造設計研究[J]．人民黃河，2009，31（8）：95-96.

[3]熊朝坤，余波，姚遠．一種新型流體混合裝置的探討[J]．西華大學學報：自然科學版，2005（S0）：202-208.

[4]張啟君，魏恒．一種新型泥漿攪拌裝置[J]．工程機械，2008（8）：12-13.

（欄目主持 張秀麗）

10.3969/j.issn.1006-6896.2014.10.033