一种液体喷射混合器及其设计方法与流程

1.本发明涉及液体混合均质领域，特别是涉及一种液体喷射混合器及其设计方法。


背景技术：

2.多种流体混合工艺在造纸及水处理等很多领域得到广泛应用，而混合工艺对混合均匀度有很高的要求，以免影响生产工艺及最终的制品质量。
3.然而，现有的技术流体混合技术及流体混合设备存在着诸多缺陷，不是混合均匀度不达标就是设备过于复杂，混合均匀度不达标会影响制品质量，设备过于复杂会造成初始成本和维护成本过高。例如，造纸工艺中需要给浆液加入多种药液并进行混合，传统的做法有两种：一种是简单的将药液及浆液分为多股管路，直接注入工作容器罐内进行混合，这种混合技术的混合均匀度较低，纸浆纤维的留着率低，药剂和纸浆纤维容易挂壁，严重影响了纸品质量，而且常常因挂壁剥落导致的停机，给用户带来一定的经济损失；另一种是采用较为庞大的搅拌混合设备，这种自带驱动电机的动力设备能耗高，可靠性差，工艺流程线较长，药品消耗量较大，这使得污水处理量也增加不少，因此这种混合技术运行与维护成本也很高。


技术实现要素：

4.为了解决上述问题，本发明提供一种液体喷射混合器及其设计方法，可以很好解决现有技术的混合均匀度不达标、结构复杂、运行与维护成本高等诸多缺陷。
5.为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
6.一种液体喷射混合器，包括分散喷射头、稳流段、射流混合段、数支加药管路和浆液管路，所述分散喷射头、稳流段和射流混合段从左至右依次连接与布置，液体从右至左依次流过所述射流混合段、稳流段和分散喷射头；所述加药管路包括从下至上依次连接的短管、加药阀门、加药管接头、加药过滤器和加药软管接头，液体从上至下依次流过所述加药软管接头、加药过滤器、加药管接头、加药阀门和短管；所述浆液管路包括从下至上依次连接的弯管、阀门、管接头、过滤器和软管接头，液体从上至下依次流过所述软管接头、过滤器、管接头、阀门和弯管。
7.所述分散喷射头在其轴线上设置有分散锥，所述分散锥的锥尖向右，所述分散喷射头设有第一圆柱孔，分散喷射头的头部设有1圈或2圈沿圆周均布的数个头部小孔，分散喷射头的周部设有1圈或2圈沿圆周均布的数个圆周小孔，所述头部小孔和圆周小孔均与第一圆柱孔相通；所述稳流段在其外圆周设置有盘状安装法兰，在其内部设有稳流管内孔；所述射流混合段包括混合管和安装于其左端的喷嘴；所述混合管设置有从左至右依次布置的扩张的第一锥形孔、第二圆柱孔和收缩的第二锥形孔，所述混合管的左端设置有圆柱状的配流头，所述配流头上半周设有1～4个注药孔；所述注药孔通过所述短管与所述加药管路连接，所述加药管路的支数同所述注药孔的数量，并取决于所加药品的数量；所述喷嘴具有一个收缩的第三锥形孔，喷嘴的头部深入所述第二锥形孔内，并与所述第二锥形孔形成一
28.取所述喷嘴的第三锥形孔的锥角：d5为22
°
～30
°
29.则所述喷嘴出口的直径：c4＝c5‑
l.tg(0.5d5)
30.则所述喷嘴入口的流速：v
11
＝4q1/(πc
52
)
31.则所述喷嘴出口的流速：v
12
＝4q1/(πc
42
)
32.应满足v
11
＝5～8m/s，v
12
＝15～20m/s
33.否则应调整有关参数
34.(4)根据伯努利方程：
35.对于喷嘴第三锥形孔入口断面及出口断面
[0036][0037]
得
[0038]
其中，γ为浆液比重，p1、p2分别为喷嘴入口及出口处的压力，v
11
、v
12
分别为喷嘴入口及出口处的流速，ζ为局部阻力系数
[0039]
(5)稳流管内孔的直径与流速的关系：
[0040][0041]
其中，q0、v0、c2分别为稳流管内孔的总流量、流速及直径，且流速v0应满足
[0042]
v0＝3～5m/s
[0043]
(6)分散喷射头的有关参数
[0044]
取所述分散锥的锥角在45
°
～65
°
，所述头部小孔和圆周小孔的直径为6～10mm，所述头部小孔和圆周小孔的流速为18～25m/s。
[0045]
(7)其它参数：
[0046]
其它尺寸根据结构设计来确定。
[0047]
与现有技术相比较，本发明的有益效果是：
[0048]
1.混合均匀度度高：具有四级均质功能，提高了纸浆纤维的留着率，药剂和纸浆纤维不易挂壁，保证了纸品质量。
[0049]
2.结构简单，可靠性高：仅有简单的流道结构，无需维护。
[0050]
3.能耗及维护成本低，具有很高的经济效益：无需配套动力，因而无额外能耗，药品消耗量较小，降低了污水处理量，因此运行与维护成本低，经济效益高。
附图说明
[0051]
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制，在附图中：
[0052]
图1是本发明的轴测视图。
[0053]
图2为本发明的主视剖面图。
[0054]
图3为本发明的混合管示意图。
[0055]
图4为本发明的安装布置示意图。
[0056]
图5为本发明的设计示意图。
[0057]
图中：1、分散喷射头，2、稳流段，3、射流混合段，4、加药管路，5、浆液管路，21、安装法兰，31、混合管，32、喷嘴，40、短管，41、加药阀门，42、加药管接头，43、加药过滤器，44、加药软管接头，50、弯管，51、阀门，52、管接头，53、过滤器，54、软管接头，101、头部小孔，102、圆周小孔，103、分散锥，104、第一圆柱孔，201、稳流管内孔，311、第一锥形孔，312、第二圆柱孔，313、第二锥形孔，314、注药孔，315、配流头，321、第三锥形孔。
具体实施方式
[0058]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0059]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0060]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；机械连接可以是焊接、铆接、螺纹连接或法兰连接等；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0061]
如图1至图4所示，本发明提供一种液体喷射混合器，包括分散喷射头1、稳流段2、射流混合段3、数支加药管路4和浆液管路5，分散喷射头1、稳流段2和射流混合段3从左至右依次连接与布置，液体从右至左依次流过射流混合段3、稳流段2和分散喷射头1。加药管路4包括从下至上依次连接的短管40、加药阀门41、加药管接头42、加药过滤器43和加药软管接头44，液体从上至下依次流过加药软管接头44、加药过滤器43、加药管接头42、加药阀门41和短管40。浆液管路5包括从下至上依次连接的弯管50、阀门51、管接头52、过滤器53和软管接头54，液体从上至下依次流过软管接头54、过滤器53、管接头52、阀门51和弯管50。软管接头54和提供浆液的外接压力管路连接，加药软管接头44和提供药液的外接药液管路连接，一般情况下外接管路和药液管路都采用软管，如有特殊情况也可采用硬管，以满足不同的需要。
[0062]
分散喷射头1在其轴线上设置有分散锥103，分散锥103的锥尖向右，分散喷射头1设有第一圆柱孔104，分散喷射头1的头部设有1圈或2圈沿圆周均布的数个头部小孔101，分散喷射头1的周部设有1圈或2圈沿圆周均布的数个圆周小孔102，头部小孔101和圆周小孔102均与第一圆柱孔104相通，头部小孔101和圆周小孔102的圈数与总数量由浆液和药液的总流量决定，总流量越大则头部小孔101和圆周小孔102的圈数与总数量就越多。稳流段2在其外圆周设置有盘状安装法兰21，在其内部设有稳流管内孔201，安装法兰21用于将液体喷射混合器固定于工作容器的外侧罐壁。射流混合段3包括混合管31和安装于其左端的喷嘴
32。混合管31设置有从左至右依次布置的扩张的第一锥形孔311、第二圆柱孔312和收缩的第二锥形孔313，混合管31的左端设置有圆柱状的配流头315，配流头315上半周设有1～4个注药孔314。注药孔314通过短管40与加药管路4连接，加药管路4的支数同注药孔314的数量，并取决于所加药品的数量。喷嘴32具有一个收缩的第三锥形孔321，喷嘴32的头部深入第二锥形孔313内，并与第二锥形孔313形成一个空腔，喷嘴32用于喷射浆液。
[0063]
液体喷射混合器具有四级均质功能，几种药液通过注药孔314后的混合为一级均质，一级均质完成了几种药液混合，浆液通过第三锥形孔321喷射后与药液的混合为二级均质，药液与浆液形成的混合液经过分散锥103及头部小孔102或圆周小孔102后的分散为三级均质，混合液由头部小孔101或圆周小孔102喷出后与工作容器罐内的物料的混合为四级均质。相比于现有技术的药液混合设备仅有的一级混合，本实施例的四级均质混合不但能使药液与浆液充分混合，提高了纸品质量，而且极大地节省了药液用量与成本。
[0064]
液体喷射混合器通过安装法兰固定于工作容器的外侧罐壁，分散喷射头1伸入工作容器罐内，数个液体喷射混合器沿圆周均布于工作容器的罐壁，液体喷射混合器和工作容器的罐壁之间静密封可以采用橡胶密封垫或密封圈。
[0065]
头部小孔101、圆周小孔102、分散锥103、第一圆柱孔104、稳流管内孔201、第一锥形孔311、第二圆柱孔312、第二锥形孔313和第三锥形孔321形成的内部通道表面进行抛光处理，粗糙度值小于ra0.025um，以减小表面腐蚀及减少微小固体物附着，因为金属表面腐蚀与其粗糙度有关，粗糙度越小腐蚀就越小；金属表面的杂质附着量也与其粗糙度有关，粗糙度越小杂质越不易附着。
[0066]
分散锥103的锥角在45
°
～65
°
，头部小孔101和圆周小孔102的直径为6～10mm；第一锥形孔311的锥角为12.5
°
～17.5
°
，第三锥形孔321的锥角约为22
°
～30
°
，第二锥形孔313的锥角比第三锥形孔321的锥角大20
°
。各角度取值根据具体设计确定，要满足头部小孔101和圆周小孔102在立体空间均匀喷射。
[0067]
注药孔314的直径取决于所加药液的流量，不同的药液流量对应不同的注药孔314的直径，通过注药孔314的药液的流速为12～15m/s。
[0068]
第三锥形孔321的入口流速为5～8m/s，第三锥形孔321的出口流速为15～20m/s。第二圆柱孔312的流速为12～15m/s，稳流管内孔201的流速为3～5m/s，头部小孔101和圆周小孔102的流速为18～25m/s。
[0069]
液体喷射混合器的材质为不锈钢，具体不锈钢的牌号取决于药液及浆液的腐蚀性。各元件之间除了焊接的连接方式外，其余各元件之间静密封均采用橡胶垫或橡胶圈。
[0070]
如图1至图5所示，本发明还提供了一种液体喷射混合器的设计方法，包括以下步骤：
[0071]
(1)确定初始参数：
[0072]
已知浆液流量q1和药液流量q2、q3、q4(以有三种药液为例)，
[0073]
则混合后药液的流量：q＝q2+q3+q4[0074]
浆液与药液混合后的总流量：q0＝q1+q＝q1+q2+q3+q4[0075]
取浆液管路5中流速：v1＝3～4m/s
[0076]
取加药管路4中流速：v2＝v3＝v4＝4～5m/s
[0077]
(2)浆液管路5的直径：
[0078][0079]
同理，加药管路4的直径分别为：
[0080][0081]
根据d1、d2、d3和d4来确定浆液管路5和加药管路4的通径，在确定阀门51、管接头52、过滤器53、软管接头54、弯管50、加药阀门41、加药管接头42、加药过滤器43、加药软管接头44和短管40的规格。
[0082]
(3)喷嘴32入口的直径：c5＝d1[0083]
取喷嘴32的第三锥形孔321的锥角：d5为22
°
～30
°
[0084]
则喷嘴32出口的直径：c4＝c5‑
l.tg(0.5d5)
[0085]
则喷嘴32入口的流速：v
11
＝4q1/(πc
52
)
[0086]
则喷嘴出口的流速：v
12
＝4q1/(πc
42
)
[0087]
应满足v
11
＝5～8m/s，v
12
＝15～20m/s
[0088]
否则应调整有关参数
[0089]
(4)根据伯努利方程：
[0090]
对于喷嘴32第三锥形孔321入口断面及出口断面
[0091][0092]
得
[0093]
其中，γ为浆液比重，p1、p2分别为喷嘴32入口及出口处的压力，v
11
、v
12
分别为喷嘴32入口及出口处的流速，ζ为局部阻力系数。
[0094]
在喷嘴32出口的流速v
12
足够大时，喷嘴32出口的压力有可能变为负值，即喷嘴32出口产生一定真空，并且这一负压会扩散至第二锥形孔313与喷嘴32形成的空腔。
[0095]
(5)稳流管内孔201的直径与流速的关系：
[0096][0097]
其中，q0、v0、c2分别为稳流管内孔201的总流量、流速及直径，且流速v0应满足
[0098]
v0＝3～5m/s
[0099]
(6)分散喷射头1的有关参数
[0100]
取分散锥103的锥角在45
°
～65
°
，头部小孔101和圆周小孔102的直径为6～10mm，头部小孔101和圆周小孔102的流速为18～25m/s。
[0101]
液体喷射混合器的工作原理：如图1至图4所示，造纸浆液(或其它介质，此处仅以造纸浆液加以说明)通过与软管接头54连接的压力管道进入浆液管路5，造纸浆液在流过连接于浆液管路5下端的弯管50后进入喷嘴32的第三锥形孔321。第三锥形孔321是一个收缩孔，根据伯努利方程，在流道面积忽然减小时，由于流量保持不变，所以流速急剧增加。对于
喷嘴32的第三锥形孔321入口断面及出口断面
[0102][0103]
得
[0104]
在喷嘴32出口的流速v
12
足够大时，喷嘴32出口的压力有可能变为负值，即喷嘴32出口产生一定真空，并且这一负压会扩散至第二锥形孔313与喷嘴32形成的空腔。在负压的作用下，不同的药液(或其它化工介质，此处仅以药液加以说明)经数支加药管路4被吸入到空腔，并进行混合，即为第一级均质。在负压及高速喷射的浆液液流的共同作用下，药液与浆液一起进入第二圆柱孔312进行混合与能量交换，浆液将一部分能量传递给药液，在第二圆柱孔312内的混合为第二级均质。接着药液与浆液形成的混合液进入收缩的第一锥形孔311，混合液的动压逐渐转换为静压，然后混合液进入圆柱状的稳流管内孔201进行稳压均流。最后，混合液进入分散喷射头1的第一圆柱孔104，与分散锥103发生撞击后分散，然后通过头部小孔101和圆周小孔102后高速喷射，在分散喷射头1中的分散与喷射都是为了下一步混合做好准备的均质过程，为第三级均质。数个液体喷射混合器沿圆周均布于工作容器的罐壁，液体喷射混合器通过安装法兰21固定于工作容器的外侧罐壁，分散喷射头1伸入工作容器罐内。混合液通过头部小孔101和圆周小孔102后高速喷射后，与工作容器罐内工质混合与均质，为第四级均质。
[0105]
和现有技术的混合设备相比，本发明所述的液体喷射混合器具有显著的优势。
[0106]
混合均匀度高：具有四级均质功能，提高了纸浆纤维的留着率，药剂和纸浆纤维不易挂壁，保证了纸品质量；结构简单，可靠性高：仅有简单的流道结构，无需维护；能耗及维护成本低，具有很高的经济效益：无需配套动力，因而无额外能耗，药品消耗量较小，降低了污水处理量，因此运行与维护成本低，经济效益高。
[0107]
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。