重慶科技學院

多用途流體混合調(diào)節(jié)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(tǒng)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(xiàn)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(diào)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(yè)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(diào)節(jié)或做相應的后續(xù)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(xù)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(diào)節(jié)機構，適時地調(diào)節(jié)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(yōu)點是控制方法簡單且較為精確，但是不能進行連續(xù)混合生產(chǎn)，一般用于少量物品的生產(chǎn)；第二種方法控制精確，可以實現(xiàn)連續(xù)生產(chǎn)，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(wěn)定混合調(diào)節(jié)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(xiàn)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(yè)，特別是能滿足石油鉆井泥漿密度調(diào)節(jié)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(chǎn)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(tǒng)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(nèi)設置有射流元件，以控制流體流動狀態(tài)，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(diào)節(jié)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(nèi)，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(nèi)均設置有射流元件，通過射流元件，控制流體的流動狀態(tài)，通過調(diào)節(jié)射流的角度、流體速度和流體形態(tài)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(tài)，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(jīng)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(diào)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(xiàn)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(diào)節(jié)裝置安裝示意如圖2所示。

圖2 多用途流體混合調(diào)節(jié)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(jù)客戶生產(chǎn)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(jù)密度、流量要求調(diào)節(jié)入口流體流量，從而實現(xiàn)密度的及時調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)裝置安置在廠區(qū)的任意位置。裝置安裝、移動等作業(yè)只需兩名作業(yè)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(tǒng)的攪拌混合裝置或微機控制裝置的缺點。經(jīng)過生產(chǎn)試制、中試試驗和工業(yè)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(xiàn)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(diào)整，以及簡單實用、可操作性強、占用體積小、便于維護等優(yōu)點，可廣泛用于石油開采、化工、制藥、飲料、釀造等行業(yè)，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(wěn)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(tài)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