DE3429425A1 - Ejektor-strahlmischer - Google Patents

Description

11649 Dr.ν.Β./Vu
U.S. Ser. No. 551,618
AT: 14. November 1983

CONOCO Inc.
Ponca City, Oklahoma (US)

Ejektor-Strahlmischer

Aus der US-PS 4 333 499 (J. L. Beck) ist eine Einrichtung zum Abbau des Druckes eines Fluids bekannt, die eine Wirbelkammer mit einem tangentialen Einlaß und einem axialen Auslaß aufweist. Die Strömung eines Fluids, die in die Wirbelkammer mit hohem Druck und niedriger Geschwindigkeit eintritt, wird in eine Fluidströmung niedrigen Druckes und hoher Geschwindigkeit, die aus dem axialen Auslaß austritt, umgewandelt. Zur Verringerung der hohen Rotationsgeschwindigkeit des aus dem axialen Auslaß austretenden Fluids ist eine Verteileranordnung vorgesehen.

Aus der DE-OS 33 38 997 (A. El-Saie) ist eine Mischvorrichtung mit einer konischen Kammer bekannt, die tangentia-Ie Einlasse aufweist, die schräg zur Achse der konischen Kammer verlaufen. Eine Suspension, die in die konische Kammer eingeführt wird, mischt sich mit einem die Kammer durchströmenden rotierenden Fluid. Die Einrichtung kann zum Mischen eines Fluids, wie Wasser oder Suspension, mit einem zugeführten Fluidstrom, der ebenfalls Wasser oder Suspension oder auch Feststoffe enthalten kann, verwendet werden. Die bekannte Einrichtung ist jedoch verhältnismäßig groß, so daß die Anlagekosten entsprechend hoch sind und außerdem viel Raum für die Installation benötigt wird.

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Bei der vorliegenden Erfindung werden Feststoffe oder Fluide, wie eine Suspension auf andere Weise mit einer zugeführten Strömung gemischt, nämlich mittels eines Wirbel-Ejektors oder einem Wirbel-Ejektor-Strahlmischer. Es ist bekannt, zum Mischen von Feststoffen mit einem Strom hoher Geschwindigkeit einen Ejektor zu verwenden und dann die kinetische Energie der Strömung hoher Geschwindigkeit in potentielle Druckenergie umzuwandeln. Bei den bekannten Einrichtungen dieser Art ist jedoch eine Verengung in der Hochdruckleitung erforderlich. Eine solche Verengung behindert jedoch das Hindurchtreten von Fluidströmen, die größere Teilchen, wie eine Codesuspension enthalten.

Durch die vorliegende Erfindung soll dementsprechend ein Strahlmischer angegeben werden, der im Weg des zugeführten Stromes keine Verengungen enthält, so daß das zugeführte Fluid größere Körper oder teilchenförmige Feststoffe enthalten kann, ohne daß die Gefahr besteht, daß der Einlaßteil des Ejektors verstopft oder übermäßig verschleißt.

Eine Einrichtung gemäß der Erfindung enthält im wesentlichen eine Wirbelkammer mit einem tangentialen Hochdruckeinlaß und einem axialen Auslaß. Dem tangentialen Einlaß wird ein Fluid, wie eine Suspension, gewöhnlich mit hohem 5 Druck und niedriger Geschwindigkeit zugeführt. Das Fluid wird beim Verlassen durch den axialen Auslaß in eine Strömung mittleren Druckes und hoher Geschwindigkeit umgewandelt. Ein zweiter axialer Einlaß gestattet das Einspritzen von Niederdruckfluid oder Feststoffen von einer anderen Quelle in den Wirbel.

Die Einrichtung kann mit einer Belüftungsvorrichtung versehen sein, um eine Kavitation in der Kammer zu verhindern, im Falle daß der Druck in der Wirbelkammer unter den Atmosphärendruck absinkt.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Ejektor-Strahlmischers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, dabei ist eine Wand einer Wirbelkammer der Einrichtung zum Teil weggebrochen, um einen axialen Auslaß und die Rotation der diesen verlassenden Fluide sichtbar zu machen; und

Fig. 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht der Einrichtung gemäß Fig. 1, in der die Strömungsverteilung in der Wirbelkammer und im Auslaß dargestellt sind.

Der in Fig. 1 dargestellte Ejektor-Strahlmischer enthält eine Wirbelkammer 10 mit einer ümfangswand 11, einer ersten Seitenwand 12 und einer zweiten Seitenwand 13. In der Wirbelkammer 10 mündet tangential ein Hochdruckeinlaß 14. Die Seitenwand 13 hat eine öffnung, an der ein axialer Auslaß 15 angebracht ist- Durch die Seitenwand 12 erstreckt sich ein axialer Einlaß 16 in die Wirbelkammer 10. Ein- und Auslässe werden durch Rohre gebildet. Der axiale Einlaß 16 ist mit einer Belüftungseinrichtung 17, wie einem Rückschlagventil versehen, das Luft in die Kammer 10 einzuführen gestattet, wie durch einen Pfeil 21 angedeutet ist, falls der Druck in der Kammer 10 unter den Atmosphärendruck absinkt. Eine solche Vorrichtung verhindert eine Kavitation in der Kammer 10. Die Strömung eines Fluids von einer Einlaßleitung 19 zum Einlaß 16 ist durch ein Ventil 18 steuerbar. Aus Gründen, die noch erläutert werden, hat das den Einlaß bildende Rohr 16 eine in die Kammer 10 reichende Verlängerung 20, die beispielsweise bis nicht ganz zur Mitte der Kammer reichen kann.

Der beschriebene Wirbel-Ejektor-Strahlmischer arbeitet folgendermaßen: Ein Fluid unter hohem Druck wird in Richtung eines Pfeiles 22 in den Einlaß 14 eingeführt und tritt durch diesen tangential in die Kammer 10 ein, wo das Fluid mit hoher Geschwindigkeit längs der äußeren Umfangswand 11 der Kammer 10 rotiert. Infolge der Rotationsgeschwindigkeit strömt das Material oder Fluid in Richtung eines Pfeiles 23, so daß ein Wirbelbereich 29 zwischen der rohrförmigen Verlängerung 20 und einer Auslaßöffnung 24, an der das den Auslaß 15 bildende Rohr ansetzt. Das Material, das in die Auslaßöffnung 24 eintritt, hat eine extrem hohe Rotationsgeschwindigkeit und einen sehr niedrigen Druck. Es rotiert weiter, während es durch das Rohr 15 des Auslasses abfließt, wie durch Pfeile 25 angedeutet ist. In das Einlaßrohr 19 können Fluide oder Feststoffe in Richtung eines Pfeiles 26 durch das Ventil 18 und das den axialen Einlaß 16 bildende Rohr, das in die Kammer 10 mündet, eingeführt werden. Fluide oder Feststoffe werden dabei in die Kammer 10 bei einem Druck eingeführt, der geringfügig oberhalb des Druckes liegt, der am Wirbel 29 oder in der Mitte der Kammer 10 herrscht. Das eingeführte Material gelangt dann zur Auslaßöffnung 24 des axialen Auslasses 15, wo es sich mit den rotierenden Fluiden mischt und es wird dann durch den axialen Auslaß 15 mit mittlerem Druck ausgestoßen.

Zur weiteren Erläuterung der FIuidverteilung wird auf Fig. 2 Bezug genommen. In Umfangsrichtung der Kammer 10 strömen Fluide, die in Richtung des Pfeiles 22 in die Kammer eingespritzt worden sind. Das in die Wirbelkammer 10 eintretende Fluid rotiert um die bzw. in der Kammer Fluide treten in die Kammer 10 mit hohem Druck und niedriger Geschwindigkeit ein und verlassen sie mit niedrigem Druck und hoher Geschwindigkeit. Wenn die Geschwindigkeit im stromabwärts gelegenen Teil des Auslasses 15 abnimmt,

baut sich der Druck zum Teil wieder auf, so daß das Fluid schließlich einen mittleren Druck und eine niedrige Geschwindigkeit hat. Das Fluid oder die Suspension (Schlamm) wird dazu neigen, einen Wirbel zwischen dem Ende der rohrförmigen Verlängerung 20 und der allgemeinen Strömung durch die Auslaßöffnung 24 in das den axialen Auslaß 15 darstellende Rohr zu bilden. Der Wirbel 29 kann dann das zugeführte Material aufnehmen, das vom Einlaß 16 in Richtung des Pfeiles 28 in den Wirbel 29 eingeführt wird. Wenn das Rohr 16 im Verhältnis zum Innendurchmesser des den Auslaß 15 bildenden Rohres zu groß ist, besteht die Neigung, daß sich auch innerhalb des Rohres des Einlasses 16 ein Wirbel bildet, der eine Strömungsumkehr des Fluids längs des Rohres bewirken kann. Wenn eine solche Situtation auftritt, müssen der Durchmesser des den Einlaß 16 bildenden Rohres und oder des den Auslaß 15 bildenden Rohres geändert werden, und zwar muß der Durchmesser des den Einlaß 16 bildenden Rohres kleiner oder der den Auslaß 15 bildenden Rohres größer gemacht werden, um eine Rückströmung von Fluiden zu verhindern.

Die Verlängerung 20 soll sich soweit wie möglich in die Kammer 10 erstrecken, um eine Rückströmung zu verhindern; sie soll jedoch nicht so weit in die Kammer reichen, daß der Abstand zwischen dem Ende der Verlängerung 20 und der Auslaßöffnung 24 kleiner als der Durchmesser der Feststoffteilchen wird, die in den tangentialen Einlaß 14 eingeführt werden. Der Einlaß 16 mit der Verlängerung 20 wirkt dann also als Ejektor-"Düse", durch den das durch den Einlaß zugeführte Material in Richtung der Pfeile 28 in den an der öffnung 24 des axialen Auslasses 15 gebildeten Wirbel ausgestoßen wird. Hier mischen sich dann das Material oder die Fluide mit dem schnell rotierenden Fluid im Auslaß 15. Das durch den tangentialen Einlaß eintretende Material und das durch den axialen Einlaß 16 eintretende Material verlassen den Auslaß 15 in Richtung eines Pfeiles 30.

Das den Einlaß 16 bildende Rohr soll einen kleineren Durchmesser haben als das den axialen Auslaß 15 bildende Rohr. In der Praxis wird der Durchmesser des den axialen Auslaß 15 bildenden Rohres so bemessen, daß der axiale Auslaß die durch die Einlasse 14 und 16 zugeführten Ströme aufzunehmen vermag. Wenn mitgerissene Luft im Wirbel an irgendeinem Punkt stromabwärts vom axialen Auslaß 15 Probleme verursachen sollte, kann durch einen Einlaß 31 ein grenzflächenaktives Mittel, wie ein Tensid, von einem Vorrat 32 zugeführt werden, das sich dann mit dem zugeführten Material in der Wirbelkammer 10 mischt. Das grenzflächenaktive Mittel wird eine Benetzung des Materials im Auslaß 15 und ein Schäumen des Materials im Auslaß 15 bewirken, so daß sich stromabwärts vom axialen Auslaß 15 eine gleichmäßigere Mischung ergibt.

Als grenzflächenaktives Mittel wird vorteilhafterweise ein nichtionisches Surfactant einer der folgenden Zusammensetzungen verwendet:
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1) Ein ethoxilierter Alkohol mit einer Alkylkette von C₁₀ bis C.g und einer Ethoxilierung von 30 bis 80%;

2) ein Alkylphenolethoxylat mit einer 8 oder 9 Kohlenstoffatome enthaltenden Alkylkette und einem Ethoxilierungsgrad von 30 bis 80% oder

3) Blockmischpolymere von Polyoxypropylen und Polyoxyethylen.

Die axiale Dicke der Wirbelkammer 10 kann im wesentlichen gleich dem Durchmesser der den Hochdruckeinlaß 14 bildenden Röhre sein, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Das unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschriebene bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfindung läßt sich selbstverständlich in der verschiedensten Weise abwandeln, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten.

Claims (10)

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1) Ejektor-Strahlmischer, durch:

gekennze ichnet

a) eine im wesentlichen zylindrische Kammer (10) mit einer Umfangswand (11) und Stirnwänden (12,13) ;

b) einem tangentialen Einlaß (14), der durch die Umfangswand (11) in der Kammer (10) mündet;

c) einem axialen Einlaß (16), der durch die eine Stirnwand (12) geführt ist, und

d) einem Auslaß (15) an der anderen Stirnwand (13),

wobei ein Fluid, das unter hohem Druck durch den tangentialen Einlaß (14) in die Kammer (10) eintritt, in dieser einen Fluidwirbel (29) bildet, das Fluid durch den axialen Auslaß aus der Kammer austritt und Material, das durch den axialen Einlaß (16) eintritt, sich mit dem Fluid im Wirbel

mischt und zusammen mit dem Fluid vom tangentialen Einlaß (14) aus dem Auslaß (15) austritt.

2) Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich-

net, daß dem axialen Einlaß (16) ein Ventil (18) in Reihe geschaltet ist.

3) Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale Einlaß (16) mit einer Einrichtung (17) zum Verhindern des Entstehens eines Unterdruckes versehen ist.

4) Einrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Auslaß (15) eine größere Querschnittsfläche hat als der axiale Einlaß (16).

5) Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung zum Zusetzen eines nichtionischen oberflächenaktiven Mittels zu dem in die Kammer eintretenden Material.

6) Verfahren zum Mischen eines Fluidstromes mit einem zweiten Strom niedrigeren Druckes, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mittels eines unter hohen Druck stehenden Fluids ein Wirbel gebildet wird, der einen rotierenden, achsnahen

Bereich niedrigen Druckes aufweist; b) das Fluid aus dem Wirbel durch eine rotierende Fluidhülle oder -schicht mit hohlem Kern entfernt wird; c) der zweite Strom axial in den hohlen Kern injiziert wird, so daß sich der zweite Strom mit dem ersten injizierten Material mischt.

7) Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den zweiten Strom vor seiner Injizierung Luft eingeführt wird.

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8) Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Strom trockene Feststoffe enthält.

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9) Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem zweiten Strom ein nichtionisches oberflächenaktives Mittel zugesetzt wird.

10) Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, da-10 durch gekennzeichnet, daß das Hochdruckfluid eine Flüssigkeit ist und insbesondere Wasser enthält.