Узел статического смесителя и способ его конструирования

Узел статического смесителя и способ его конструирования

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Настоящее изобретение относится к смесительным элементам и способам, а более конкретно к узлу пересекающихся элементов, подобному тем, которые встречаются в статических смесителях и теплообменниках, и к способу его конструирования.

Статические смесительные элементы, описанные в US 4093188 и US 4072296, обычно располагаются в трубах или других каналах потока текучей среды, чтобы вызвать перемешивание одного или нескольких потоков текучей среды, протекающих внутри канала, или вызвать одновременное перемешивание потока текучего продукта и теплообмен между потоком текучего продукта и вспомогательной текучей средой, отделенной от потока жидкого продукта стенкой и текущей сонаправленно или по встречному потоку относительно него. Потоки текучей среды включают расплавленные полимеры и другие текучие среды с высокой вязкостью в ламинарном потоке и жидкости с низкой вязкостью или газы в применениях турбулентного потока. Эти статические смесительные элементы обычно не имеют движущихся частей и работают посредством радиального перемещения потока текучей среды и разделения потока текучей среды на множественные частичные потоки, которые затем рекомбинируют, чтобы уменьшить в сечении потока различия в композиции, температуре и других свойствах потока текучей среды. В типах статических смесителей, общеизвестных как смесители SMX, SMXL, SMV и SMR, две или более решетки пересекающихся элементов размещены под углами пересечения друг к другу и под углом к продольной оси канала. Пересекающиеся элементы, которые представляют собой гофрированные пластины в случае смесителей SMV, прутья в случае смесителей SMX и SMXL и стержни или трубки в случае смесителей SMR, внутри каждой решетки разнесены на расстояние друг от друга, а пересекающиеся элементы парной решетки размещены внутри промежутка. Чтобы добиться хорошего перемешивания, пересекающиеся элементы обычно размещены близко друг к другу с тем, чтобы между соседними элементами был только маленький промежуток, или чтобы он вообще отсутствовал.

Статические смесители, как описано выше, часто применяются для увеличения теплопередачи между вспомогательной текучей средой и потоком текучего продукта, отделенного от вспомогательной текучей среды стенкой канала. В случае смесителей типа SMV, SMX и SMXL пересекающиеся элементы вставляют в обшитую трубу или в трубы многотрубного теплообменника. Затем вспомогательная текучая среда выходит наружу из кожуха или обшивки, и пересекающиеся элементы усиливают перемешивание и теплопередачу с потоком текучего продукта, протекающим внутри трубы или трубок. В случае смесителей SMR прутья в пересекающихся элементах заменены трубками, расположенными в виде множественной параллельной трубчатой решетки. Вспомогательная текучая среда проходит внутри трубок, а поток текучего продукта проходит снаружи трубок и перемешивается, наряду с этим одновременно подвергаясь теплообмену со вспомогательной текучей средой.

Одной из проблем со статическими смесителями, в которых используются решетки из пересекающихся элементов вышеописанных типов, является то, что их трудно сделать достаточно прочными, чтобы выдержать падение давления, вызываемое вязкими жидкостями, такими, как полимеры, протекающими через смесители. Пересекающиеся элементы также необходимо прикрепить к каналу потока, и эти пересекающиеся элементы, прикрепленные к каналу, должны выдерживать напряжения, приложенные к другим пересекающимся элементам. Во многих случаях применения, таких, как волоконные охладители, трубки SMR дополнительно должны выдерживать высокое наружное давление.

Чтобы выдерживать эти напряжения, пересекающиеся элементы должны иметь массивную конструкцию, включающую очень толстые материалы и упрочняющие компоненты, такие, как сварка пересекающихся элементов друг с другом в точках их пересечения. В ЕР 1067352 раскрыт статический смеситель, в котором пересекающиеся элементы снабжены несколькими отверстиями, через которые трубки перемещаются и закрепляются. Известно, что в случае смесителей типа SMR дополнительно приваривают щитки между всеми соседними контурами трубопровода внутри каждой группы трубок. Щитки обычно имеют такую же толщину, как и стенка трубки, и в каждой группе трубок размещено до трех рядов щитков. Типичный пучок трубок SMR может состоять из количества подобных групп трубок от восьми до сорока и более, и в результате для типичного пучка трубок SMR может потребоваться более двух тысяч щитков. Можно принять во внимание, что сварка или другие способы прикрепления этих щитков к трубкам чрезвычайно трудоемки и могут значительно увеличить стоимость пучка трубок.

Таким образом, обнаружилась значительная потребность в усовершенствованном способе упрочнения пересекающихся элементов.

Один из вариантов изобретения относится к статическому смесителю, содержащему по меньшей мере одну первую решетку и по меньшей мере одну вторую решетку, причем каждая решетка содержит два или более пересекающихся элементов, лежащих в общей плоскости с отверстием между ними, через которое проходит пересекающийся элемент другой решетки, которая пересекает указанные два пересекающихся элемента, и по меньшей мере один удлиненный соединитель, соединяющий пересекающиеся элементы, при этом все или каждый удлиненный соединитель расположен между и прикреплен к примыкающим пересекающимся элементам, соединенным посредством соединителя, включающего пересекающийся элемент по меньшей мере одной первой решетки и пересекающийся элемент по меньшей мере одной второй решетки.

При этом решетки размещены таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие второй решетки. Пересекающиеся элементы первой решетки в основном могут быть расположены параллельно относительно друг друга, и пересекающиеся элементы второй решетки в основном могут быть расположены параллельно относительно друг друга.

Пересекающиеся элементы состоят из гофрированных пластин и трубок.

Предпочтительно, статический смеситель содержит более двух решеток, причем каждая решетка содержит пересекающиеся элементы.

Пересекающиеся элементы каждой решетки могут быть размещены под углами пересечения друг к другу.

Статический смеситель включает удлиненный соединитель, расположенный между пересекающимися элементами каждой решетки, которые состоят из металлической, полимерной или керамической конструкции или их комбинаций. При этом удлиненный соединитель проходит по всей длине сечения статического смесителя, и расположен так, что он пересекается с пересекающимися элементами по меньшей мере по некоторым из точек их пересечения.

Статический смеситель может включать множество удлиненных соединителей, проходящих параллельно относительно друг друга, разнесенных на определенное расстояние друг от друга и расположенных между и прикрепленных к пересекающимся элементам первой решетки и пересекающимся элементам второй решетки, при этом пересекающиеся элементы первой и второй решеток пересекаются под углами 60° и 90°.

Предпочтительно, соединитель имеет пересекающиеся канавки, расположенные вдоль линий контакта пересекающихся элементов с соединителем, при этом канавки обеспечивают большую соединительную поверхность и механическую пригонку для удержания пересекающихся элементов вместе. При этом канавки расположены на первой поверхности соединителя и продолжаются относительно пересекающихся элементов первой решетки, причем канавки находятся на второй поверхности соединителя и продолжаются относительно пересекающихся элементов второй решетки.

Пересекающиеся элементы статического смесителя могут быть прикреплены к соединителю сваркой, пайкой, склеиванием или их комбинациями.

Другой вариант изобретения относится к способу конструирования статического смесителя по п.1, включающему:

(а) обеспечение по меньшей мере двух решеток, (b) расположение двух или более пересекающихся элементов в общей плоскости с отверстием между ними в первой решетке, (с) расположение двух или более пересекающихся элементов в общей плоскости с отверстием между ними во второй решетке, (d) размещение пересекающихся элементов первой и второй решеток под углами пересечения таким образом, что пересекающийся элемент одной решетки проходит через отверстие в другой решетке, при этом способ дополнительно включает (е) расположение по меньшей мере одного соединителя между пересекающимися элементами первой решетки и пересекающимися элементами второй решетки, и (f) прикрепление соединителя к пересекающимся элементам.

Еще один другой вариант изобретения относится к узлу статического смесителя, содержащему: канал потока текучей среды в основном кольцеобразной формы, имеющий центральную ось, концентрические внутреннюю и наружную поверхности, расположенные на расстоянии друг от друга в радиальном направлении и проходящие по окружности, при этом внутренняя поверхность определяет траекторию потока текучей среды, которая проходит вдоль оси, один или более статических смесителей по п.1, размещенных в траектории потока.

Предпочтительно, решетки размещены таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие другой решетки. При этом пересекающиеся элементы проходят под углом наклона 30° или 45° относительно центральной оси.

На сопровождающих чертежах, которые образуют часть описания и должны читаться совместно с ней, и на которых для указания одинаковых деталей на различных видах используются одинаковые номера ссылочных позиций:

на фиг.1А изображен вид сверху в плане статического смесителя типа SMX, выполненного согласно настоящему изобретению;

на фиг.1В изображен вертикальный вид сбоку статического смесителя типа SMX, выполненного согласно настоящему изобретению;

на фиг.2 изображен вертикальный вид сбоку статического смесителя типа SMR согласно настоящему изобретению;

на фиг.3 изображен увеличенный вид сбоку участка статического смесителя SMR, показанного на фиг.2;

на фиг.4 изображен вид соединителя согласно настоящему изобретению;

на фиг.5А изображен вид соединителя согласно настоящему изобретению;

на фиг.5В изображен вид соединителя согласно настоящему изобретению;

на фиг.6А изображен боковой вид в плане соединителя и разрез по линии 6А-6А на фиг.5А;

на фиг.6В изображен боковой вид в плане соединителя и разрез по линии 6В-6В на фиг.5В;

на фиг.6С изображен боковой вид в плане соединителя и соединительных элементов и разрез по линии 6С-6С на фиг.3;

на фиг.7 изображен вертикальный вид сбоку, иллюстрирующий зажим смежных групп трубок при осуществлении способа конструирования согласно настоящему изобретению.

Со ссылкой на чертежи, настоящее изобретение относится к статическому смесителю 10, который расположен внутри трубы или другого полностью или частично замкнутого канала 12 потока текучей среды, чтобы перемешивать или иным образом уменьшать в сечении потока различия в композиции, температуре или других свойствах одного или более потоков текучей среды, проходящих внутри канала 12. Статический смеситель 10 также можно использовать, чтобы вызывать теплообмен между потоком текучего продукта и вспомогательной текучей средой, проходящей сонаправленно или по встречному потоку и отделенной от потока текучего продукта стенкой. Статический смеситель типа SMX показан на фиг.1, а части статического смесителя типа SMR показаны на фиг.2-3.

Статический смеситель содержит две или более решеток 14 из пересекающихся элементов 16 и отверстий, примыкающих к каждому пересекающемуся элементу 16. Пересекающиеся элементы 16 размещены под углами пересечения друг к другу и под углом наклона к продольной оси канала 12 потока текучей среды. Можно использовать, например, углы пересечения в 60 и 90 градусов и углы наклона в 30 и 45 градусов. Решетки размещены таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие в другой решетке. Пересекающиеся элементы 16 внутри каждой решетки 14 предпочтительно, но не обязательно, проходят параллельно друг другу и лежат в общей плоскости. Пересекающиеся элементы 16 могут быть в виде гофрированных пластин, как в случае статического смесителя 10 типа SMV, планок, как в случае статического смесителя 10 типа SMX, показанного на фиг.1, и трубок в случае статического смесителя SMR, показанного на фиг.2-3. В качестве пересекающихся элементов 16 также можно использовать пластины, стержни и другие конструкции, которые функционируют с целью вызвать разделение и рекомбинацию потока текучей среды, проходящего внутри канала 12. В случае с трубками один или более потоков текучей среды также проходит внутри трубок, как для теплообмена с потоком текучей среды, проходящим снаружи трубок. В дополнение к показанным статическим смесителям SMX и SMR изобретение может применяться для статических смесителей, общеизвестных под названием SMXL, и для любых других типов смесителей, имеющих наклонные и пересекающиеся элементы любой формы.

Согласно настоящему изобретению, удлиненный соединитель 18 расположен между соседними пересекающимися элементами 16 из каждой парной решетки 14 и прикреплен к ним. Когда используют множественные парные решетки 14, соединитель 18 предпочтительно проходит по всей длине сечения статического смесителя 10 и соединяет между собой примыкающие пересекающиеся элементы 16 в каждой из множественных решеток 14. Соединитель 18 предпочтительно является плоской планкой, как показано на фиг.4-6С, но также может быть стержнем или иметь другую конструкцию. Соединитель 18 изготовлен из материала, имеющего жесткость и композицию, необходимую для присоединения к пересекающимся элементам 16. Например, когда пересекающиеся элементы 16 изготовлены из металла, соединитель 18 предпочтительно состоит из совместимого металла. Когда пересекающиеся элементы 16 имеют полимерное или керамическое строение, соединитель 18 предпочтительно имеет похожее строение.

Соединитель 18 предпочтительно расположен так, что он пересекается с пересекающимися элементами 16 по меньшей мере по одной из их точек пересечения. Также можно использовать множественные соединители 18, проходящие параллельно относительно друг друга и разнесенные на определенное расстояние друг от друга.

Соединители 18 должны иметь достаточно тонкую конструкцию, чтобы минимизировать ограничение потока между соседними пересекающимися элементами 16. Однако предпочтительно, чтобы соединитель 18 был образован из более толстого материала для дополнительной прочности, и включал пересекающиеся канавки 20, расположенные по линиям контакта пересекающихся элементов 16 с соединителем 18. Канавки 20 на одной поверхности соединителя 18 проходят параллельно друг другу и под углом к канавкам 20, образованным в противоположной поверхности соединителя 18. Толщина соединителя 18 в точках пересечения канавок, если присутствует, предпочтительно очень мала или равна нулю. Канавки 20, таким образом, служат для уменьшения промежутка между соседними пересекающимися элементами 16, при этом облегчая прикрепление пересекающихся элементов 16 к соединителю 18 путем обеспечения большей соединительной поверхности и механической пригонки для удержания пересекающихся элементов 16 вместе. Канавки 20 могут быть образованы любым подходящим способом, таким, как удалением материала из соединителя 18, или образованием канавок во время изготовления соединителя 18, например, во время литья или литья под давлением соединителя 18.

В качестве не единственного примера, когда соединитель 18 используется с трубчатыми пересекающимися элементами 16, такими, как присутствующие в статическом смесителе 10 типа SMR, соединитель 18 имеет ширину 30 мм и толщину 5 мм, и имеет канавки 20, которые образуют контур для дополнительного размещения трубчатых пересекающихся элементов 16. Таким образом, если трубки в пересекающихся элементах 16 имеют диаметр 13,5 мм, канавки 20 будут иметь форму полумесяца, соответствующую диаметру трубки примерно в 14 мм. Глубина этой канавки 20 в форме полумесяца предпочтительно составляет от 2,5 до 3 мм, чтобы обеспечить нулевой промежуток между пересекающимися элементами 16, но также может быть меньших размеров, чтобы обеспечить некоторое разделяющее расстояние между пересекающимися элементами 16.

Пересекающиеся элементы 16 прикреплены к соединителю 18 посредством сварки, пайки, приклеивания или других подходящих технологий, пошаговым или непрерывным образом. Например, соединитель 18 можно первоначально присоединить к примыкающему пересекающемуся элементу 16 путем зажима, как показано на фиг.7, или точечной сваркой. После того, как конструкция из двух или более слоев пересекающихся элементов 16 закреплена таким способом, канавки 20 заполняют твердым припоем, таким, как никелевый припой в виде пасты или в листовом виде. Затем весь узел помещают в вакуумную печь для термической обработки и пайки при подходящей температуре, такой, как 1050°С. В качестве альтернативы могут быть использованы другие методы пайки, а также полная или частичная сварка, приклеивание или другие средства присоединения.

Следует отметить, что нагрузка на каждый пересекающийся элемент 16, являющаяся результатом падения давления потока текучей среды, проходящего вокруг пересекающихся элементов 16, в случае с обычной конструкцией и методом упрочнения с применением щитков передается скорее соединителю 18, чем следующему пересекающемуся элементу 16. Выборки образцов для испытаний показали, что трубчатые пересекающиеся элементы 16 могут выдерживать нагрузку по меньшей мере в 30 кН, если соединитель 18 имеет ширину 30 мм и толщину 5 мм, и прикреплен с использованием пайки, описанной выше. Эта прочность намного превосходит нагрузку от 0,5 до 1 кН, которую обычно испытывает при падении давления от 20 до 40 бар статический смеситель, изготовленный из двадцати трубчатых решеток с пятнадцатью наклонными трубками в каждой решетке.

Соединитель 18 также можно использовать как опорную конструкцию для всего узла, прикрепляя его к впускному или выпускному фланцу или корпусу и устраняя таким образом необходимость в дорогостоящих опорах между пучками трубок или пересекающимися элементами.

1. Статический смеситель, содержащий, по меньшей мере, одну первую решетку и по меньшей мере одну вторую решетку, причем каждая решетка содержит два или более пересекающихся элементов, лежащих в общей плоскости с отверстием между ними, через которое проходит пересекающийся элемент другой решетки, которая пересекает указанные два пересекающихся элемента, и по меньшей мере один удлиненный соединитель, соединяющий пересекающиеся элементы, отличающийся тем, что все или каждый удлиненный соединитель расположен между и прикреплен к примыкающим пересекающимся элементам, соединенным посредством соединителя, включающим пересекающийся элемент по меньшей мере одной первой решетки и пересекающийся элемент по меньшей мере одной второй решетки.

2. Статический смеситель по п.1, в котором решетки размещены таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие второй решетки.

3. Статический смеситель по п.1 или 2, в котором пересекающиеся элементы первой решетки в основном расположены параллельно относительно друг друга.

4. Статический смеситель по п.3, в котором пересекающиеся элементы второй решетки в основном расположены параллельно относительно друг друга.

5. Статический смеситель по п.1, в котором пересекающиеся элементы состоят из гофрированных пластин и трубок.

6. Статический смеситель по п.1, который содержит более двух решеток.

7. Статический смеситель по п.6, в котором каждая решетка содержит пересекающиеся элементы.

8. Статический смеситель по п.7, в котором пересекающиеся элементы каждой решетки размещены под углами пересечения друг к другу.

9. Статический смеситель по п.7 или 8, в котором удлиненный соединитель расположен между пересекающимися элементами каждой решетки.

10. Статический смеситель по п.1, в котором пересекающиеся элементы состоят из металлической, полимерной или керамической конструкции или их комбинаций.

11. Статический смеситель по п.1, в котором удлиненный соединитель проходит по всей длине сечения статического смесителя.

12. Статический смеситель по п.1, в котором удлиненный соединитель расположен так, что он пересекается с пересекающимися элементами по меньшей мере по некоторым из точек их пересечения.

13. Статический смеситель по п.1, включающий множество удлиненных соединителей, проходящих параллельно относительно друг друга, разнесенных на определенное расстояние друг от друга и расположенных между и прикрепленных к пересекающимся элементам первой решетки и пересекающимся элементам второй решетки.

14. Статический смеситель по п.1, в котором пересекающиеся элементы первой и второй решеток пересекаются под углами 60 и 90°.

15. Статический смеситель по п.1, в котором соединитель имеет пересекающиеся канавки, расположенные вдоль линий контакта пересекающихся элементов с соединителем, при этом канавки обеспечивают большую соединительную поверхность и механическую пригонку для удержания пересекающихся элементов вместе.

16. Статический смеситель по п.15, в котором канавки расположены на первой поверхности соединителя и продолжаются относительно пересекающихся элементов первой решетки, при этом канавки находятся на второй поверхности соединителя и продолжаются относительно пересекающихся элементов второй решетки.

17. Статический смеситель по п.1, в котором пересекающиеся элементы прикреплены к соединителю сваркой, пайкой, склеиванием или их комбинациями.

18. Способ конструирования статического смесителя по п.1, включающий: (а) обеспечение по меньшей мере двух решеток, (b) расположение двух или более пересекающихся элементов в общей плоскости с отверстием между ними в первой решетке, (с) расположение двух или более пересекающихся элементов в общей плоскости с отверстием между ними во второй решетке, (d) размещение пересекающихся элементов первой и второй решеток под углами пересечения таким образом, что пересекающийся элемент одной решетки проходит через отверстие в другой решетке, отличающийся тем, что включает (е) расположение по меньшей мере одного соединителя между пересекающимися элементами первой решетки и пересекающимися элементами второй решетки, и (f) прикрепление соединителя к пересекающимся элементам.

19. Способ по п.18, дополнительно включающий размещение решеток таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие во второй решетке.

20. Способ по п.18 ли 19, дополнительно включающий обеспечение более чем двух решеток.

21. Способ по п.20, дополнительно включающий расположение одного или более пересекающихся элементов в каждой решетке.

22. Способ по п.21, дополнительно включающий размещение пересекающихся элементов каждой решетки под углами пересечения друг к другу.

23. Способ по п.22, дополнительно включающий расположение соединителя между пересекающимися элементами каждой решетки.

24. Узел статического смесителя, содержащий канал потока текучей среды в основном кольцеобразной формы, имеющий центральную ось, концентрические внутреннюю и наружную поверхности, расположенные на расстоянии друг от друга в радиальном направлении и проходящие по окружности, при этом внутренняя поверхность определяет траекторию потока текучей среды, которая проходит вдоль оси, один или более статических смесителей по п.1, размещенных в траектории потока.

25. Узел статического смесителя по п.24, в котором решетки размещены таким образом, что каждый пересекающийся элемент одной решетки пересекает отверстие другой решетки.

26. Узел статического смесителя по п.24 или 25, включающий множество удлиненных соединителей, проходящих параллельно относительно друг друга, разнесенных на определенное расстояние друг от друга и расположенных между и прикрепленных к пересекающимся элементам первой решетки и пересекающимся элементам второй решетки.

27. Узел статического смесителя по п.24, в котором пересекающиеся элементы первой и второй решеток пересекаются под углами 60 и 90°.

28. Узел статического смесителя по п.24, в котором пересекающиеся элементы проходят под углом наклона 30 или 45° относительно центральной оси.