DE69115308T2

DE69115308T2 - Method and device for mixing solids and liquids

Info

Publication number: DE69115308T2
Application number: DE69115308T
Authority: DE
Inventors: James J Althouse Iii; Robert Hitt
Original assignee: Sofitech NV
Current assignee: Sofitech NV
Priority date: 1990-03-09
Filing date: 1991-03-01
Publication date: 1996-05-15
Anticipated expiration: 2011-03-02
Also published as: RU2079353C1; CA2037797A1; JPH04271821A; EP0445875B1; EP0445875A1; NO910936L; DE69115308D1; NO910936D0; JP2662104B2; CN1066804A; BR9100951A; NO180000B; NO180000C; CA2037797C; CN1030692C

Description

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Mischen von Feststoffteilchen mit einer flüssigen Zusammensetzung und insbesondere zum kontinuierlichen Mischen von Zementteilchen mit Mischwasser oder Mischfluid in der Öl-, Gas- oder Erdwärmeindustrie zum Zementieren von Bohrlöchern.This invention relates to a method and apparatus for continuously mixing solid particles with a liquid composition and in particular for continuously mixing cement particles with mixing water or mixing fluid in the oil, gas or geothermal industries for cementing wells.

Background: Description of the state of the art

Verfahren zum Mischen von Materialien wurden lange in zwei allgemeine Klassen unterteilt. In der ersten davon, den chargenweisen Mischverfahren, werden die erforderlichen Mengen der Komponenten des Gemisches in ein Gefäß eingebracht. Die Komponenten werden in dem Gefäß gerührt oder umlaufen gelassen, um ein vorgegebenes Volumen des Gemisches herzustellen. Gemäß der zweiten allgemeinen Klasse von Mischverfahren, kontinuierlichen Mischverfahren, werden vorgegebene Mengen der erforderlichen Komponenten des Gemisches in einen Mischbereich zudosiert. Hier werden sie miteinander vermischt und das entstehende Gemisch in einer Rate gleich der Volumenrate der zugeführten Komponenten entnommen. Der Mischbereich besteht oftmals aus einem einfachen Rührgefäß, aber verschiedene Formen von Ejektoren, Strahlmischern und dergleichen, in denen Mischen durch Mitreißen bewerkstelligt wird, sind ebenfalls bekannt.Methods for mixing materials have long been divided into two general classes. In the first of these, batch mixing methods, the required amounts of the components of the mixture are introduced into a vessel. The components are stirred or circulated in the vessel to produce a predetermined volume of the mixture. According to the second general class of mixing methods, continuous mixing methods, predetermined amounts of the required components of the mixture are metered into a mixing area. Here they are mixed together and the resulting mixture is removed at a rate equal to the volume rate of the components fed. The mixing area often consists of a simple stirring vessel, but various forms of ejectors, jet mixers and the like in which mixing is accomplished by entrainment are also known.

Das Erfordernis für und Vorteile von kontinuierlichen Mischverfahren gegenüber chargenweisen Mischverfahren in vielen Anwendungen sind in der Technik wohlbekannt. Zu den Vorteilen zählen die Fähigkeit, die vorbestimmten Verhältnisse des Gemisches im Lauf des Mischens kontinuierlich zu verändern, die Beseitigung von Bestand oder Lagerung von gemischtem Material vor allen weiteren Schritten in einem sequentiellen Verfahren und die Fähigkeit, eine große Leistungsmenge auf ein kleines Mischvolumen anzuwenden, wodurch die Komponenten wirksamer miteinander vermischt werden.The need for and advantages of continuous mixing processes over batch mixing processes in many applications are well known in the art. The advantages include the ability to continuously vary the predetermined proportions of the mixture during mixing, the elimination of inventory or storage of mixed material prior to any subsequent steps in a sequential process, and the ability to apply a large amount of power to a small mixing volume, thereby mixing the components together more effectively.

Ein wichtiger Nachteil von kontinuierlichen Mischverfahren war in der Technik ebenfalls seit langem bekannt. Konventionelle kontinuierliche Mischverfahren erfordern, daß der Zufluß jeder Komponente, der Ausfluß des entstandenen Gemisches und die Anteile der entsprechenden Komponenten gleichzeitig gesteuert werden müssen. Beispielsweise ist es, falls eine Veränderung in den Anteilen zweier Komponenten angesetzt ist, nicht ausreichend, die Fließrate von nur einer von diesen in den Mischer zu verändern, um die Spezifikation zu bewirken. Die Entnahmerate des Gemisches muß gleichzeitig geändert werden. Falls dies nicht geschähe, würde der Mischbereich überfließen oder zurückgehen und das kontinuierliche Mischverfahren enden. Wenn nachfolgende Schritte in einem sequentiellen Verfahren es erfordern, daß ein Gemisch mit einer bestimmten Rate zugeführt wird, wie es häufig der Fall ist wenn kontinuierliche Mischverfahren vorteilhaft sind, müssen die Raten jeder zugeführten Komponente gleichzeitig geändert werden, um sowohl die vorbestimmten Anteile als auch die vorbestimmte Entnahmerate aus dem Mischer zu erhalten. Das Erfordernis einer gleichzeitigen Steuerung multipler Variablen führt zu komplexen Bemessungssteuersystemen, bei denen die Vorteile kontinuierlicher Verfahren durch die Nachteile hoher Kosten und Unzuverlässigkeit aufgewogen werden.An important disadvantage of continuous mixing processes has also long been recognized in the art. Conventional continuous mixing processes require that the inflow of each component, the outflow of the resulting mixture and the proportions of the corresponding components must be controlled simultaneously. For example, if a change in the proportions of two components is required, it is not sufficient to change the flow rate of only one of them into the mixer to effect the specification. The discharge rate of the mixture must be changed simultaneously. If this were not done, the mixing area would overflow or recede and the continuous mixing process would terminate. If subsequent steps in a sequential process require that a mixture be fed at a certain rate, as is often the case when continuous mixing processes are advantageous, the rates of each component fed must be changed simultaneously to obtain both the predetermined proportions and the predetermined discharge rate from the mixer. The need to simultaneously control multiple variables results in complex design control systems in which the advantages of continuous methods are outweighed by the disadvantages of high cost and unreliability.

Zingg und Stoskopf offenbarten in US-Patent Nr. 3 256 181 (1966) ein Verfahren, bei dem viele der Vorteile kontinuierlicher Mischverfahren erhalten bleiben und bei dem der oben beschriebene Nachteil überwunden werden kann. Das Verfahren beruht auf einem Druckausgleichsprinzip. Flüssigkeit wird unter Druck einem Mischbereich zugeführt und gewirbelt, so daß ein "Auge" im Zentrum des Mischbereichs zu der Atmosphäre hin geöffnet wird. Rotation eines ringförmigen Fluidkörpers erzeugt einen Druck an der Umfangsfläche des Fluidkörpers, der den Druck der Zufuhrflüssigkeit ausgleicht. Flüssigkeit kann nicht in das Auge fließen und aus dem Mischbereich herausfließen. Noch kann Atmosphärenluft durch den rotierenden ringförmigen Flüssigkeitskörper durchtreten, um den Mischbereich zu erreichen. Wenn eine bestimmte Menge von Material (von dem im allgemeinen angenommen wird, daß es dichter als die Flüssigkeit ist) in das Auge zudosiert wird, wird es durch Rotation in die unter Druck stehende Flüssigkeit herausgeschleudert, mit der Flüssigkeit gemischt und das Gemisch unter Druck aus dem Mischbereich entnommen.Zingg and Stoskopf disclosed in US Patent No. 3,256,181 (1966) a process that retains many of the advantages of continuous mixing processes and overcomes the disadvantage described above. The process is based on a pressure equalization principle. Liquid is pressure to a mixing zone and swirled so that an "eye" in the center of the mixing zone is opened to the atmosphere. Rotation of an annular body of fluid creates a pressure on the peripheral surface of the fluid body which equalizes the pressure of the feed liquid. Liquid cannot flow into the eye and out of the mixing zone. Nor can atmospheric air pass through the rotating annular body of fluid to reach the mixing zone. When a certain amount of material (generally assumed to be denser than the liquid) is metered into the eye, it is ejected by rotation into the pressurized liquid, mixed with the liquid, and the mixture discharged from the mixing zone under pressure.

In typischen Ausführungsformen des von Zingg und Stoskopf beschriebenen Verfahrens wird die der Mischkammer zugeführte Flüssigkeit durch einen Zentrifugalpumpenimpeller unter Druck gesetzt. Diese Ausführungsformen machen eine Klasse von kontinuierlichen Mischern mit "konstantem Volumen" aus. Wenn eine Veränderung im Verhältnis der Komponenten erforderlich ist, ist es ausreichend, die Fließrate der in das Auge des Mischbereichs eingeführten Komponente zu verändern. Eine Veränderung in der Fließrate von Material in das Auge hat eine Nettodruckänderung im Mischbereich zur Folge. Diese Druckänderung wird die entgegengesetzte (Volumen-) Änderung im Fluß der durch den Zentrifugalpumpenimpeller zugeführten Flüssigkeit induzieren, um das Druckgleichgewicht im Mischbereich aufrechtzuerhalten. Demzufolge wird eine Steuerung des Verhältnisses von Komponenten des Gemisches vereinfacht. Zingg und Stoskopf (1966) erkannten nicht, daß die einfache Steuerung der Hauptvorteil einer der Ausführungsformen ihres Verfahrens sein könnte. Ihr potentieller Wert wurde lediglich in der nachfolgenden Praxis und Weiterentwicklung ihres Verfahrens erkannt.In typical embodiments of the process described by Zingg and Stoskopf, the liquid fed to the mixing chamber is pressurized by a centrifugal pump impeller. These embodiments constitute a class of "constant volume" continuous mixers. When a change in the ratio of components is required, it is sufficient to change the flow rate of the component introduced into the eye of the mixing region. A change in the flow rate of material into the eye results in a net pressure change in the mixing region. This pressure change will induce the opposite (volume) change in the flow of liquid fed by the centrifugal pump impeller to maintain pressure equilibrium in the mixing region. Consequently, control of the ratio of components of the mixture is simplified. Zingg and Stoskopf (1966) did not realize that ease of control could be the main advantage of one of the embodiments of their process. Their potential value was only recognized in the subsequent practice and further development of their procedure.

Nachfolgende Praxis und Weiterentwicklung des von Zingg und Stoskopf offenbarten Verfahrens zum Mischen eines teilchenförmigen Materials und einer pumpbaren Flüssigkeit haben ebenso ergeben, daß es unter vielen Bedingungen von praktischem Interesse heutzutage nicht nützlich ausgeführt werden kann. Wenn das Volumenverhältnis von Feststoffteilchen zu Flüssigkeit erhöht wird, ergibt die Anwendung des Verfahrens von Zingg und Stoskopf ein nach und nach weniger akzeptables Gemisch oder solche Aufschlämmung. Das Produkt wird zu einer mitgerissene Luft enthaltende Suspension verklumpter Teilchen. Dieses verklumpte Gemisch ist in der durch das Verfahren hergestellten Form nicht verwendbar. Zusätzlich verursacht das Mitreißen von Luft einen beträchtlichen Druckverlust im Mischbereich, so daß die Wirksamkeit der Anwendung des Verfahrens gering ist.Subsequent practice and development of the process disclosed by Zingg and Stoskopf for mixing a particulate material and a pumpable liquid has also shown that it cannot be usefully carried out today under many conditions of practical interest. As the volume ratio of solid particles to liquid is increased, the use of the process of Zingg and Stoskopf results in a progressively less acceptable mixture or slurry. The product becomes a suspension of agglomerated particles containing entrained air. This agglomerated mixture is not usable in the form produced by the process. In addition, the entrainment of air causes a significant pressure loss in the mixing area, so that the effectiveness of using the process is low.

Die potentiell geringe Leistungsfähigkeit des Verfahrens von Zingg und Stoskopf wurde zum Zeitpunkt seiner Offenbarung nicht erkannt. Ihr Verfahren war ursprünglich vorgesehen, um angewandt zu werden bei der Herstellung einer Aufschlämmung von Sand oder sandähnlichen Teilchen und einer Gelzusammensetzung, welche in Behandlungen verwendet wird, die darauf abzielen, die Produktionseffizienz von Bohrlöchern zu erhöhen. Zum Zeitpunkt der Offenbarung des Verfahrens betrug ein typisches Volumenverhältnis von Teilchen zu Flüssigkeit 1:10. Verhältnisse von bis zu 1:4 wurden berichtet, aber diese stellten außergewöhnlich hohe Feststoffbeladungen dar und waren vorgesehen, um die Grenzen der damaligen Praxis auszutesten. Ein besseres Verständnis der Verfahren in Zusammenhang mit der Behandlung von Bohrlöchern und Verbesserungen in der Gelzusammensetzung und der dazu gehörigen Ausrüstung haben in modernen Behandlungen zur Verwendung von Aufschlämmungen mit einem Volumenverhältnis, das 1:1 überschreitet, geführt. Bei diesen hohen Volumenverhältnissen erzeugt die Anwendung des Verfahrens von Zingg und Stoskopf oftmals einen mitgerissene Luft enthaltenden Schlamm, der zur Verwendung ungeeignet ist.The potentially low performance of the Zingg and Stoskopf process was not recognized at the time of its disclosure. Their process was originally intended to be used in the preparation of a slurry of sand or sand-like particles and a gel composition used in treatments aimed at increasing the production efficiency of wells. At the time of the process disclosure, a typical particle to liquid volume ratio was 1:10. Ratios of up to 1:4 were reported, but these represented exceptionally high solids loadings and were intended to test the limits of practice at the time. A better understanding of the processes involved in well treatment and improvements in the gel composition and associated equipment have led to the use of slurries with a volume ratio exceeding 1:1 in modern treatments. At these high volume ratios, the application of the Zingg and Stoskopf process often produces a sludge containing entrained air that is unsuitable for use.

Portlandzementaufschlämmungen sind ein zweites Beispiel eines Flüssigkeits-Teilchensystems, bei dem die Anwendung des Verfahrens kein akzeptables Produkt erzeugt. Pumpbare Portlandzementaufschlämmungen werden in Bohrlöcher eingeführt, um Rohre oder Gehäuse an der Gesteinsseite des Bohrlochs zu befestigen. Diese Aufschlämmungen haben oftmals Volumenverhältnisse von Teilchen zu Flüssigkeit, die 1:1 überschreiten. Die Anwendung des Verfahrens von Zingg und Stoskopf ergibt eine in hohem Maße verklumpte, mitgerissene Luft enthaltende Aufschlämmung von sehr niedriger Qualität. Andere Beispiele von Systemen, welche hohe Volumenverhältnisse von Teilchen zu Flüssigkeit erfordern, werden den Fachleuten offensichtlich sein.Portland cement slurries are a second example of a fluid-particle system where application of the process does not produce an acceptable product. Pumpable Portland cement slurries are introduced into wells to secure pipes or casings to the rock side of the well. These slurries often have particle to liquid volume ratios that exceed 1:1. Application of the Zingg and Stoskopf process results in a highly clumped, air-entrained slurry of very low quality. Other examples of systems requiring high particle to liquid volume ratios will be apparent to those skilled in the art.

Das Verfahren von Zingg und Stoskopf ist mangelhaft, da es kein Mittel umfaßt, um das Verhältnis der zufließenden Materialien an ihren Kontaktpunkt zu regulieren. Obwohl das Gesamtverhältnis von Teilchen zu Flüssigkeit gesteuert werden kann, kann ihr Verhältnis, wenn sie anfangs gemischt werden, nicht gesteuert werden. Das Verfahren von Zingg und Stoskopf verlangt das Einbringen von Teilchen in die Flüssigkeit in einem ungesteuerten Volumenverhältnis, das immer viel höher ist als das für das Produktgemisch vorgeschriebene. Das Ergebnis ist eine mitgerissene Luft enthaltende Paste oder Masse von Agglomeraten, die nicht einfach in eine gleichmäßige Aufschlämmung einer akzeptablen Qualität zu dispergieren ist. Der Grund, warum dieses Ergebnis eine notwendige Konsequenz der Anwendung ihres Verfahrens ist und der Grund, warum dies ein unüberwindbarer Defekt dieses Verfahrens ist, kann am besten erklärt werden durch Betrachtung der verschiedenen Vorrichtungsformen, die verwendet wurden, um ihr Verfahren anzuwenden.The process of Zingg and Stoskopf is defective because it does not include a means of regulating the ratio of the influent materials at their point of contact. Although the overall ratio of particles to liquid can be controlled, their ratio when they are initially mixed cannot be controlled. The process of Zingg and Stoskopf requires the introduction of particles into the liquid in an uncontrolled volume ratio which is always much higher than that prescribed for the product mixture. The result is an entrained air-containing paste or mass of agglomerates which is not easily dispersed into a uniform slurry of acceptable quality. The reason why this result is a necessary consequence of the application of their process and the reason why this is an insurmountable defect of this process can best be explained by considering the various forms of apparatus which have been used to apply their process.

Die von Zingg und Stoskopf in US-Patent Nr. 3 326 536 (1967) offenbarte Mischvorrichtung wurde im heutigen Gebrauch durch die zuerst von Althouse in US-Pat. Nr. 4 453 829 (1984) beschriebene Vorrichtung ersetzt. Beide sind Mischer für ein kontinuierliches Verfahren, worin flüssige und feste Materialien mit einer relativ hohen Rate durch ein relativ kleines Mischvolumen eingespeist werden. Das Mischvolumen wird durch hydrodynamische Gradienten, welche durch die Vorrichtungen induziert werden, nahezu konstant gehalten. Das heißt, gemäß dem von Zingg und Stoskopf (1966) beschriebenen Verfahren wirkt ein rotierendes Element als Zentrifugalpumpenimpeller und induziert einen Fluß von Flüssigkeit und Aufschlämmung durch ein Gehäuse. Ein zweites rotierendes Element, üblicherweise als "Slinger" bezeichnet, wird verwendet, um ein atmosphärisches Auge an der Oberseite des Mischers zu öffnen, wo Feststoffe direkt eingeführt werden können. Diese zwei rotierenden Elemente erzeugen ein hydraulisches Gleichgewicht zwischen ihnen, so daß jede Änderung im Fluß von Feststoffen durch den Slinger dynamisch kompensiert wird durch eine Änderung in dem vom Impeller induzierten Fluß von Flüssigkeit. Demgemäß bleibt das Mischvolumen, obwohl bezüglich der Fließrate von Materialien durch den Mischer klein, annähernd konstant. Fremdmittel zur Volumen- oder Flüssigkeits-Fluß-Steuerung werden nicht verwendet.The mixing device disclosed by Zingg and Stoskopf in U.S. Patent No. 3,326,536 (1967) has been replaced in current use by the device first described by Althouse in U.S. Patent No. 4,453,829 (1984). Both are mixers for a continuous process in which liquid and solid materials at a relatively high rate through a relatively small mixing volume. The mixing volume is kept nearly constant by hydrodynamic gradients induced by the devices. That is, according to the process described by Zingg and Stoskopf (1966), a rotating element acts as a centrifugal pump impeller and induces a flow of liquid and slurry through a casing. A second rotating element, commonly referred to as a "slinger," is used to open an atmospheric eye at the top of the mixer where solids can be directly introduced. These two rotating elements create a hydraulic equilibrium between them so that any change in the flow of solids through the slinger is dynamically compensated by a change in the flow of liquid induced by the impeller. Accordingly, the mixing volume, although small relative to the flow rate of materials through the mixer, remains nearly constant. No external means of volume or liquid flow control are used.

Bedeutende Nachteile von Vorrichtungen wie den von Althouse (1984) und von Zingg und Stoskopf (1967) beschriebenen wurden in der Literatur diskutiert. Verbesserte Versionen von Anordnungen auf Basis des Slinger-Impeller-Gleichgewichtsprinzips werden von MacIntire in den US-Patenten Nr. 4 614 435 (1986) und 4 671 665 (1987) beschrieben. Maclntire offenbart darin ein Mittel, welches gestattet, daß Luft sich aus dem Gehäuse von Vorrichtungen dieser Art selbst entlüftet. Seine Verbesserung war gerechtfertigt aufgrund der Beobachtung, daß Vorrichtungen dieses Typs eine begrenzte Feststoffflußkapazität aufweisen. Wenn die Feststofffließrate einen bestimmten Wert erreicht, der anscheinend eine Funktion der Größe des Slingers darstellt, bricht die Ansaugung ihres Impellers zusammen und hört auf, als eine effektive Zentrifugalpumpe zu wirken. Das Gehäuse wird mit Feststoffen überfüllt, und das Mischverfahren muß angehalten werden. In einer typischen Anwendung eines kontinuierlichen Ölfeldmischers kann ein unvorhergesehenes Abschalten teure Behebungsmaßnahmen nach sich ziehen und stellt oftmals eine schwerwiegende Sicherheitsgefährdung dar.Significant disadvantages of devices such as those described by Althouse (1984) and by Zingg and Stoskopf (1967) have been discussed in the literature. Improved versions of arrangements based on the slinger-impeller equilibrium principle are described by MacIntire in U.S. Patent Nos. 4,614,435 (1986) and 4,671,665 (1987). MacIntire therein discloses a means of allowing air to self-vent from the housing of devices of this type. His improvement was justified by the observation that devices of this type have a limited solids flow capacity. When the solids flow rate reaches a certain value, which appears to be a function of the size of the slinger, the suction of their impeller collapses and ceases to act as an effective centrifugal pump. The housing becomes overfilled with solids and the mixing process must be stopped. In a typical application of a continuous oilfield mixer, an unforeseen Shutting down can result in expensive remedial measures and often poses a serious safety risk.

MacIntire (1986, 1987) schreibt die Kapazitätsbeschränkung der im zufließenden Feststoffstrom mitgerissenen Luft zu, die durch Zentrifugalkräfte in das Gehäuse hinausbefördert wird. Diese mitgerissene Luft kann ihren Weg zum Impellersog finden, was zu einem Ansaugzusammenbruchszustand führt. Der Impeller kann dem Mischbereich nicht länger unter Druck stehendes Fluid zuführen, und das Verfahren muß angehalten werden. Er offenbart ein Mittel, welches gestattet, diese Luft, bevor sie den Ansaugbereich des Impellers erreicht, zurück zur Atmosphäre zu entlüften.MacIntire (1986, 1987) attributes the capacity limitation to air entrained in the incoming solids stream, which is forced out into the casing by centrifugal forces. This entrained air can find its way into the impeller suction, leading to a suction breakdown condition. The impeller can no longer supply pressurized fluid to the mixing area and the process must be stopped. He discloses a means of allowing this air to be vented back to the atmosphere before it reaches the suction area of the impeller.

Wie ausgeführt, umfaßt die Vorrichtung von MacIntire kein anderes Mittel als den in ihrem Gehäuse etablierten radialen Druckgradienten, um einen Luftstrom zur Entlüftung sicherzustellen. Wenn die mitgerissene Luft ausreichend fein dispergiert ist und das Gemisch im Gehäuse ausreichend viskos ist, kann Luft zur Ansaugung des Impellers befördert werden, trotz der Bereitstellung eines Mittels, welches ihre Entlüftung gestattet. Diese Bedingungen sind in der Praxis üblich und werden durch eine Erhöhung des Feststoff-Flüssigkeitsverhältnisses des Gemisches verstärkt.As stated, the MacIntire device does not include any means other than the radial pressure gradient established in its casing to ensure air flow for venting. If the entrained air is sufficiently finely dispersed and the mixture in the casing is sufficiently viscous, air can be conveyed to the suction of the impeller despite the provision of a means to allow its venting. These conditions are common in practice and are aggravated by increasing the solid-liquid ratio of the mixture.

Fachleute könnten sich verschiedene Mittel vorstellen, welche es der Luft erleichtern, zur Entlüftung zu gelangen, anstelle zu der Ansaugung des Impellers. Eine einfache Lösung wäre es, der Zentrifugalpumpenimpeller in einem getrennten Gehäuse unterzubringen, wie in der von Zingg und Stoskopf (1967) bevorzugten Ausführungsform ihrer Vorrichtung beschrieben. Keines dieser Mittel überwindet jedoch die weitere Schwierigkeit, daß mitgerissene Luft auch vom Mischer abgegeben werden kann. Mischer dieses Typs werden üblicherweise verwendet, um Plungerpumpen eine unter Druck gesetzte Aufschlämmung zuzuführen. Eine Aufschlämmung, die mitgerissene Luft enthält, ist relativ elastisch, und ihre Komprimierbarkeit führt zu einer starken Verminderung der Leistung von Plungerpumpen. Zusätzlich wird der Fluß von Feststoffen in dem Mixer üblicherweise durch Rückkopplung von einem Instrument oder "Densitometer" gesteuert, welches verwendet wird, um die Dichte der Aufschlämmung am Auslaß des Mischers zu messen. Die Dichte einer mitgerissene Luft enthaltenden Aufschlämmung kann nicht in irgendeiner angemessenen Weise mit einem Sollwert oder einer gewünschten Dichte in Beziehung gebracht werden. Ein Steuersystem dieses Typs wird immer mehr oder weniger ungenau sein.Those skilled in the art could devise various means to facilitate air flow to the vent rather than to the impeller intake. A simple solution would be to house the centrifugal pump impeller in a separate housing, as described in the preferred embodiment of their device by Zingg and Stoskopf (1967). However, none of these means overcomes the further difficulty that entrained air can also be discharged from the mixer. Mixers of this type are commonly used to feed a pressurized slurry to plunger pumps. A slurry containing entrained air is relatively elastic, and its compressibility results in a strong Reduction in the performance of plunger pumps. In addition, the flow of solids in the mixer is usually controlled by feedback from an instrument or "densitometer" which is used to measure the density of the slurry at the outlet of the mixer. The density of a slurry containing entrained air cannot be related in any reasonable way to a set point or desired density. A control system of this type will always be more or less inaccurate.

Das Problem des Mitreissens von Luft bei einer hohen Feststofffließrate ist das Ergebnis eines Mangels im Konzept der Vorrichtungen auf Basis des von Zingg und Stoskopf (1966) offenbarten Verfahrens. Die Erklärung von MacIntire des Entstehens der Schwierigkeit ist unvollständig, und seine Verbesserung betrifft lediglich ein Symptom des tatsächlichen Problems. Alle Vorrichtungen, welche das Slinger-Impeller-Gleichgewichtsprinzip verwenden, wie ursprünglich von Zingg und Stosskopf (1966) offenbart, bringen Feststoffteilchen mit einer flüssigen Zusammensetzung in einer Abfolge in Kontakt, die bekanntmaßen eine mit der geringstmöglichen Effizienz ist.The problem of air entrainment at high solids flow rates is the result of a flaw in the design of devices based on the process disclosed by Zingg and Stoskopf (1966). MacIntire's explanation of the origin of the difficulty is incomplete, and his improvement addresses only a symptom of the real problem. All devices using the slinger-impeller equilibrium principle as originally disclosed by Zingg and Stosskopf (1966) contact solid particles with a liquid composition in a sequence known to be one of the least efficient possible.

Die physikalischen Eigenschaften von Gemischen von Feststoffteilchen in Flüssigkeiten werden durch das Verhältnis der zwei im Gemisch stark beeinflußt. Eine Daumenregel lehrt, daß das teilchenförmige Material immer in die gewünschte Menge von Fluid eingebracht werden sollte, so daß die Feststoffkonzentration durch allmähliche Zugabe von Feststoffen auf den gewünschten Gehalt gebracht wird und niemals umgekehrt. Die Überlegung hinter dieser Regel ist, daß die scheinbare Viskosität einer Aufschlämmung von Teilchen in einer Flüssigkeit langsam mit der Zugabe von Teilchen ansteigt, bis ein kritischer Wert erreicht wird, an welchem Punkt das Gemisch sich von einem Fluid in eine Paste oder Masse teilweise benetzter Agglomerate wandelt. Es erfordert mehrere Größenordnungen weniger Energie, fließfähige Teilchen in eine Aufschlämmung zu dispergieren, als eine Paste in eine Flüssigkeit zu dispergieren. Das Ausmaß des entsprechenden Energiebedarfs (bei dem gleichen Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis) ist in hohem Maß eine Funktion der Teilchengröße. Grober Sand in relativ niedriger Konzentration bildet keine stabilen Agglomerate. Sehr feine Teilchen, wie Portlandzementteilchen, bilden leicht eine schwer handzuhabende Paste. Somit wird, wenn man im Gegensatz zu der Regel mischt, die Qualität des gemischten Produktes in hohem Maße eine Funktion der physikalischen Eigenschaften und des Verhältnisses der Komponenten des Gemisches sein.The physical properties of mixtures of solid particles in liquids are greatly influenced by the ratio of the two in the mixture. A rule of thumb teaches that the particulate material should always be introduced into the desired amount of fluid so that the solids concentration is brought to the desired level by gradual addition of solids and never vice versa. The reasoning behind this rule is that the apparent viscosity of a slurry of particles in a liquid increases slowly with the addition of particles until a critical value is reached at which point the mixture changes from a fluid to a paste or mass of partially wetted agglomerates. It requires several orders of magnitude less energy to disperse flowable particles into a slurry than to disperse a paste into a liquid. The magnitude of the corresponding energy requirement (at the same solid-liquid ratio) is to a large extent a function of particle size. Coarse sand in relatively low concentrations does not form stable agglomerates. Very fine particles, such as Portland cement particles, easily form a paste that is difficult to handle. Thus, if mixed contrary to the rule, the quality of the mixed product will be to a large extent a function of the physical properties and ratio of the components of the mixture.

In Mischern auf Basis des von Zingg und Stoskopf (1966) offenbarten Verfahrens werden Feststoffe immer in eine teilweise oder vollständig entwickelte Aufschlämmung eingebracht, wobei eine mitgerissene Luft enthaltende Paste mit abnormal hoher Dichte zu erzeugt wird. Im normalen Betriebsverlauf befindet sich der Mischer in einem stationären Zustand. Seine Abgaberate ist durch geeignete externe Steuerung festgesetzt, üblicherweise durch Festsetzen des Durchsatzes der durch den Mischer versorgten Plungerpumpen. Die Dichte und Konsistenz der abgegebenen Aufschlämmung wird durch die Rate von Feststoffzufluß gesteuert und wird gleichfalls festgesetzt durch Rückkopplungssteuerung mittels eines Densitometers. Der Großteil der Aufschlämmung im Gehäuse hat notwendigerweise die gleiche Dichte und Konsistenz wie die abgegebene Aufschlämmung. Feststoffe werden am Slinger kontinuierlich in diese Aufschlämmung eingebracht, wo ein lokales Volumen einer Aufschlämmung oder Paste, welche schwerer als gewünscht ist, gebildet wird. Flüssigkeit wird kontinuierlich am Impeller eingebracht, wo ein lokales Volumen einer leichter als gewünschten Aufschlämmung gebildet wird. Diese zwei Aufschlämmungen werden jeweils in die im Gehäuse umlaufende Aufschlämmung gefördert, zur gewünschten Dichte weitervermischt und weiterhin im Kreislauf gepumpt. Die am Slinger erzeugte schwerer als gewünschte Aufschlämmung weist Eigenschaften auf, die die Leistung des gesamten Systems vermindern.In mixers based on the process disclosed by Zingg and Stoskopf (1966), solids are always introduced into a partially or fully developed slurry, producing an entrained air-containing paste of abnormally high density. In the normal course of operation, the mixer is in a steady state. Its discharge rate is set by suitable external control, usually by setting the flow rate of the plunger pumps fed by the mixer. The density and consistency of the discharged slurry is controlled by the rate of solids inflow and is also set by feedback control using a densitometer. The majority of the slurry in the housing necessarily has the same density and consistency as the discharged slurry. Solids are continuously introduced into this slurry at the slinger, where a local volume of slurry or paste heavier than desired is formed. Fluid is continuously introduced at the impeller where a local volume of lighter than desired slurry is formed. These two slurries are each fed into the slurry circulating in the housing, further mixed to the desired density and continued to be pumped around the circuit. The heavier than desired slurry produced at the slinger has properties that reduce the performance of the entire system.

Die verklumpte Paste muß in der zuvor vermischten Aufschlämmung und Auffüllflüssigkeit dispergiert werden, um eine Mischung der korrekten Dichte und Konsistenz zu bilden, bevor sie aus dem Gehäuse abgegeben wird. Die zu ihrer Dispersion erforderliche Energie ist mehrere Größenordnungen höher als diejenige, die erforderlich ist, um Feststoffteilchen im gewünschten Verhältnis in frischer Flüssigkeit zu dispergieren. Da die dem Mischer zugeführte Energie relativ konstant ist, nimmt die Produktgualität schnell ab, wenn das Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis erhöht wird.The clumped paste must be dispersed in the previously mixed slurry and make-up liquid to form a mixture of the correct density and consistency before it is discharged from the housing. The energy required to disperse it is several orders of magnitude higher than that required to disperse solid particles in the desired ratio in fresh liquid. Since the energy supplied to the mixer is relatively constant, product quality decreases rapidly as the solid-to-liquid ratio is increased.

Bei hohen Feststofffließraten erfolgt eine Dispersion überall im Mischer (und nicht nur im Bereich des Slingers), so daß die in Agglomeraten mitgerissene Luft den Sog des Impellers erreichen kann. Bei noch höheren Feststofffließraten hat der Mischer keine ausreichende Leistung, um diese Agglomerate vollständig zu dispergieren, und sie werden bei der Entnahme herausgepumpt, was zu einer nicht konsistenten, mitgerissene Luft enthaltenden Aufschlämmung einer sehr geringen Qualität führt.At high solids flow rates, dispersion occurs throughout the mixer (not just in the slinger area) allowing air entrained in agglomerates to reach the impeller suction. At even higher solids flow rates, the mixer does not have sufficient power to fully disperse these agglomerates and they are pumped out at discharge, resulting in an inconsistent, air-entrained slurry of very low quality.

Ein zweiter wichtiger Nachteil von Mischern auf Basis des Slinger-Impeller-Gleichgewichtsprinzips ist es, daß sie sich bei hohen Fließkapazitäten mit Luft anfüllen. Die Größe des atmosphärischen Auges im Slinger wird durch ein Gleichgewicht von Slinger-Rückhaltedruck und Impellerentladedruck, wie von Althouse (1984) im oben zitierten Patent erklärt, bestimmt. Wenn die Kapazität des Mischers erhöht wird, fällt der Impellerentladedruck aus zwei Gründen ab. Erstens führt ein Fluidfluß durch einen Zentrifugalimpeller zu einer subtraktiven Netto-Fluidgeschwindigkeit bezüglich der tangentialen Fluidgeschwindigkeit, welche einen Entladedruck im Gehäuse erzeugt. Zweitens wachsen, wenn die Kapazität erhöht wird, die Fluidreibungsverluste in den Zuführleitungen zum Mischer. Diese Verluste führen zu einer Abnahme im Absolutdruck im Gehäuse. Es ist der absolute Gehäusedruck, der durch den Slinger im Gleichgewicht gehalten und "zurückgehalten" wird, um ein Auge zu bilden, in das Feststoffe zugegeben werden. Wenn die Mischerkapazität erhöht wird, wird das atmosphärische Auge im Slinger größer.A second important disadvantage of mixers based on the slinger-impeller equilibrium principle is that they fill with air at high flow capacities. The size of the atmospheric eye in the slinger is determined by a balance of slinger retention pressure and impeller discharge pressure, as explained by Althouse (1984) in the patent cited above. As the capacity of the mixer is increased, the impeller discharge pressure drops for two reasons. First, fluid flow through a centrifugal impeller results in a subtractive net fluid velocity with respect to the tangential fluid velocity, which creates discharge pressure in the housing. Second, as capacity is increased, fluid friction losses in the feed lines to the mixer increase. These losses lead to a decrease in absolute pressure in the housing. It is the absolute housing pressure that is balanced and "held back" by the slinger to form an eye into which solids are added. When the As mixer capacity is increased, the atmospheric eye in the Slinger becomes larger.

In einer idealen Vorrichtung kann der Radius des Auges nicht größer sein als der Radius des Slingers, solange der Druck im Mischbereich größer als Atmosphärendruck ist. In realen Vorrichtungen, welche nach Zingg und Stoskopf (1966) konstruiert wurden, ist der Flüssigkeitszufuhrdruck größer als Atmosphärendruck. So sollte im Prinzip niemals Luft den Mischbereich erreichen. In der Praxis kann dies vorkommen. Der Grund dafür ist wie folgt.In an ideal device, the radius of the eye cannot be larger than the radius of the slinger as long as the pressure in the mixing area is greater than atmospheric pressure. In real devices, designed according to Zingg and Stoskopf (1966), the liquid supply pressure is larger than atmospheric pressure. So, in principle, air should never reach the mixing area. In practice, this can happen. The reason for this is as follows.

Die Gründe der oben beschriebenen Vergrößerung des Auges treten üblicherweise gemeinsam auf und mit additiver Wechselwirkung. Bei hohen Kapazitäten wird das Auge so groß, daß der ringförmige Körper von rotierender Flüssigkeit und zufließenden Teilchen sehr dünn wird. Zusätzlich folgt der Großteil des Stroms zufließender Feststoffe Wegstrecken entlang der Vorderkante der Slingerschaufeln. Die "Wand", welche Luft davon abhält, in den Mischbereich einzudringen, wird instabil und das Auge in hohem Maße unregelmäßig. Atmosphärische Luft gelangt über den Umkreis des Slingers hinaus und flutet das Gehäuse. Als Ergebnis verliert der Mischer in katastrophaler Weise Ansaugung und versagt seinen Dienst.The causes of eye enlargement described above usually occur together and with additive interaction. At high capacities, the eye becomes so large that the annular body of rotating fluid and influent particles becomes very thin. In addition, most of the influent solids flow follows paths along the leading edge of the slinger blades. The "wall" that prevents air from entering the mixing area becomes unstable and the eye becomes highly irregular. Atmospheric air gets beyond the perimeter of the slinger and floods the housing. As a result, the mixer catastrophically loses suction and fails.

In einer typischen Anwendung des Mischers wird Auffüllfluid von einem Lagertank zugeführt. Wenn der Stand in diesem Tank während des Verlaufs eines kontinuierlichen Mischverfahrens fällt, nimmt der hydrostatische Druck, der am Flüssigkeitseinlaß zum Impeller zur Verfügung steht, ab. Somit wird das atmosphärische Auge durch den effektiven Verlust von absolutem Gehäusedruck im Mischer weiter vergrößert. Zingg und Stoskopf (1966, 1967) offenbarten einen Vorratstank mit konstantem Stand, um dieses unerwünschte Verhalten zu unterdrücken, aber ihre Lösung erfordert ein zusätzliches Anlagenteil und wurde niemals weitverbreitet verwendet. In der Praxis werden die Abnahme der Produktqualität und das Risiko des Ansaugzusammenbruchs gesteigert durch die Empfindlichkeit von Mischern auf Basis des Slinger-Impeller-Gleichgewichtsprinzips gegenüber dem absoluten verfügbaren Druck an ihrem Einlaß.In a typical application of the mixer, make-up fluid is supplied from a storage tank. As the level in this tank falls during the course of a continuous mixing process, the hydrostatic pressure available at the liquid inlet to the impeller decreases. Thus, the atmospheric eye is further increased by the effective loss of absolute casing pressure in the mixer. Zingg and Stoskopf (1966, 1967) disclosed a constant-level storage tank to suppress this undesirable behavior, but their solution requires an additional piece of equipment and has never been widely used. In practice, the decrease in product quality and the risk of suction breakdown increased by the sensitivity of mixers based on the Slinger-Impeller equilibrium principle to the absolute available pressure at their inlet.

Die von MacIntire (1986, 1987) beschriebene Vorrichtung, welche vorsieht, es der Luft zu gestatten, sich selbst zu entlüften, erhöht in der Tat das Risiko, daß Luft das Gehäuse flutet. Es gibt eine Grenzfläche von Aufschlämmung und atmosphärischer Luft an oder in der Nähe der Umgebung der Entlüftung während des Betriebs des Mischers. Das heißt, die Entlüftung dient dazu, ein atmosphärisches Auge zu öffnen, welches dem durch den Slinger geöffneten sehr ähnlich ist. Die Größe dieses Entlüftungsauges wird durch die gleichen Regeln, die auf den Slinger zutreffen, reguliert. Somit wächst, wenn der Gehäusedruck abfällt, die atmosphärische Grenzfläche an der Entlüftung radial auswärts. Bei hoher Mischerkapazität wird diese Grenzfläche nahezu auf dem Durchmesser des Impellers anwachsen, und von der Entlüftung wird Luft über den Rand des Impellers überfließen. Der Mischer wird vermutlich unverzüglich und in katastrophaler Weise an Ansaugung verlieren, mit Feststoffen fluten und den Dienst versagen.The device described by MacIntire (1986, 1987) which provides for allowing air to vent itself actually increases the risk of air flooding the casing. There is a slurry-atmospheric air interface at or near the vicinity of the vent during operation of the mixer. That is, the vent serves to open an atmospheric eye very similar to that opened by the slinger. The size of this vent eye is regulated by the same rules that apply to the slinger. Thus, as the casing pressure drops, the atmospheric interface at the vent grows radially outward. At high mixer capacity, this interface will grow to nearly the diameter of the impeller, and air from the vent will overflow over the edge of the impeller. The mixer will likely immediately and catastrophically lose suction, flood with solids and fail.

US-Patent 3 606 270 beschreibt einen kontinuierlichen Leistungsmischer mit einer ringförmigen Einlaßzone (44) für Flüssigkeit und einem Zufuhrrohr (28) für teilchenförmiges Material, welches in dem Ringraum (44) zentriert ist. Beschickungen sowohl mit flüssigem als auch teilchenförmigem Material werden durchgeführt in einer speziell angeordneten Zentrifugalpumpe, welche einen Impeller (11) mit Schaufeln (12) aufweist, wobei eine Einsparung (13) eines zentralen "Auges" freigelassen ist. Die Flüssigkeit und die Teilchen fallen ungesteuert in das Auge, so daß das Auge nicht stabilisiert werden kann.US Patent 3,606,270 describes a continuous power mixer with an annular inlet zone (44) for liquid and a feed pipe (28) for particulate material centered in the annular space (44). Feeds of both liquid and particulate material are carried out in a specially arranged centrifugal pump having an impeller (11) with blades (12) leaving a recess (13) of a central "eye". The liquid and particles fall into the eye uncontrolled so that the eye cannot be stabilized.

US-Patent 2 147 053 beschreibt einen Zementmischer, bei dem eine Turbine (27) durch einen Wasserstrahl (22) angetrieben wird und dann der Wasser/Zementteilchenmischung "Bewegung" vermittelt, während ein Sogphänomen das Einspeisen von Zement unterstützt.US Patent 2 147 053 describes a cement mixer in which a turbine (27) is driven by a water jet (22) and then imparts "movement" to the water/cement particle mixture while a suction phenomenon supports the feeding of cement.

Items and Benefits

Gemäß ihrem ersten Aspekt stellt die Erfindung ein Verfahren bereit zum Mischen einer pumpbaren Flüssigkeit und eines aus Teilchen bestehenden Materials, umfassend:According to its first aspect, the invention provides a method of mixing a pumpable liquid and a particulate material, comprising:

(a) Wirbeln eines Flüssigkeitskörpers mittels einer Turbinenvorrichtung um eine Achse derart, daß ein Strudel oder ein Auge erzeugt wird, dessen Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Atmosphäre im wesentlichen mit der Rotationsachse des Flüssigkeitskörpers koaxial ist, und derart, daß von der Grenzfläche zum Umfangsradius des Flüssigkeitskörpers ein steigender radialer Druckgradient erzeugt wird,(a) whirling a body of liquid by means of a turbine device about an axis in such a way that a vortex or an eye is created, the interface between the liquid and the atmosphere being substantially coaxial with the axis of rotation of the body of liquid, and in such a way that an increasing radial pressure gradient is created from the interface to the circumferential radius of the body of liquid,

(b) Einstellen des Drucks einer anzusetzenden Flüssigkeit derart, daß er größer ist als der Minimaldruck und geringer als der Maximaldruck des wirbelnden Flüssigkeitskörpers,(b) adjusting the pressure of a liquid to be applied so that it is greater than the minimum pressure and less than the maximum pressure of the swirling liquid body,

(c) Einbringen einer Zufuhr der anzusetzenden Flüssigkeit in den wirbelnden Flüssigkeitskörper über einen ringförmigen Abschnitt, dessen Innenradius größer ist als der Radius des Auges und dessen Außenradius kleiner ist als der Radius des wirbelnden Flüssigkeitskörpers,(c) introducing a supply of the liquid to be prepared into the swirling liquid body via an annular section whose inner radius is larger than the radius of the eye and whose outer radius is smaller than the radius of the swirling liquid body,

(d) Einbringen von teilchenförmigem Material in das Auge und Schleudern der Teilchen durch die Grenzfläche und in die anzusetzende Flüssigkeit, wo die zwei miteinander vermischt werden,(d) introducing particulate material into the eye and propelling the particles through the interface and into the liquid to be prepared where the two are mixed together,

(e) Entnehmen des Gemisches der zwei bei einem Radius, der größer ist als der des wirbelnden Flüssigkeitskörpers.(e) withdrawing the mixture of the two at a radius greater than that of the swirling fluid body.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung, in 7 beansprucht, stellt die Erfindung ein Verfahren zum Mischen einer pumpbaren Flüssigkeit und eines aus Teilchen bestehenden Materials bereit, umfassend:According to a further aspect of the invention, claimed in 7, the invention provides a method for mixing a pumpable liquid and a particulate material comprising:

(a) Wirbeln eines Flüssigkeitskörpers um eine Achse durch Anlegen einer Kraft an eine Turbine derart, daß ein Strudel erzeugt wird, dessen Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und der Atmosphäre im wesentlichen mit der Rotationsachse der Turbine koaxial ist, und derart, daß von der Grenzfläche zum Umfangsradius der Turbine ein steigender radialer Druckgradient erzeugt wird,(a) swirling a body of liquid about an axis by applying a force to a turbine such that a vortex is produced whose interface between the liquid and the atmosphere is substantially coaxial with the axis of rotation of the turbine and such that an increasing radial pressure gradient is produced from the interface to the circumferential radius of the turbine,

(b) Wirbeln eines Körpers einer anzusetzenden Flüssigkeit an der gegenüberliegenden Seite der Turbine derart, daß ein abnehmender radialer Druckgradient erzeugt wird, von einem Radius der größer ist als der des Strudels bis zu einem Radius der größer ist als ein Zehntel des Radius des Strudels,(b) swirling a body of liquid to be prepared on the opposite side of the turbine in such a way that a decreasing radial pressure gradient is created from a radius greater than that of the vortex to a radius greater than one-tenth of the radius of the vortex,

(c) Einbringen von wirbelnder anzusetzender Flüssigkeit in den wirbelnden Flüssigkeitskörper über einen ringförmigen Einlaßabschnitt, dessen Innenradius größer ist als der Radius des Strudels und dessen Außenradius kleiner ist als der Radius der Turbine,(c) introducing swirling liquid to be prepared into the swirling liquid body via an annular inlet section whose inner radius is larger than the radius of the vortex and whose outer radius is smaller than the radius of the turbine,

(d) Einbringen von teilchenförmigem Material in den Strudel und Schleudern der Teilchen durch die Grenzfläche und in die anzusetzende Flüssigkeit, wo die zwei miteinander vermischt werden,(d) introducing particulate material into the vortex and throwing the particles through the interface and into the liquid to be prepared, where the two are mixed together,

(e) Entnehmen des Gemisches der zwei aus einem die Turbine enthaltenden Gehäuse,(e) removing the mixture of the two from a casing containing the turbine,

(f) Einbringen von frischer anzusetzender Flüssigkeit in den Körper anzusetzender Flüssigkeit aus einer Flüssigkeitsansaugleitung zu der Turbine.(f) introducing fresh make-up liquid into the body of make-up liquid from a liquid suction line to the turbine.

Wie in 8 beansprucht, stellt die Erfindung auch eine Vorrichtung zum Mischen von Flüssigkeit und teilchenförmigen Feststoffen bereit, umfassend:As claimed in 8, the invention also provides an apparatus for mixing liquid and particulate solids, comprising:

(a) eine Ummantelung oder ein geschlossenes Gehäuse (20) mit einer im allgemeinen runden Umfangswand, einer Oberseite, einem Boden, einem Auslaßmittel (58) für das Gemisch, wobei das Auslaßmittel für das Gemisch mit der Umf angswand gekoppelt ist, einer Einlaßleitung (17) für teilchenförmigen Feststoff, wobei die Einlaßleitung mittig an der Oberseite angeordnet ist, einem ringförmiges Einlaßmittel (46) für Flüssigkeiten, wobei das Einlaßmittel für Flüssigkeiten mittig im Boden angeordnet ist,(a) a casing or closed housing (20) having a generally circular peripheral wall, a top, a bottom, a mixture outlet means (58), the mixture outlet means being coupled to the peripheral wall, a particulate solid inlet conduit (17), the inlet conduit being centrally located on the top, an annular liquid inlet means (46), the liquid inlet means being centrally located in the bottom,

(b) eine drehbare Turbine (22), wobei die Turbine innerhalb des Gehäuses und in Abstand zu der Umfangswand angeordnet ist, die Rotationsachse der Turbine koaxial zu der Längsachse des Gehäuses ist, die Turbine einen offenen Abschnitt aufweist, der gegenüber der Einlaßbohrung für teilchenförmige Feststoffe liegt, und einen offenen Abschnitt, der gegenüber dem Einlaßmittel für Flüssigkeiten liegt,(b) a rotatable turbine (22), the turbine being disposed within the housing and spaced from the peripheral wall, the axis of rotation of the turbine being coaxial with the longitudinal axis of the housing, the turbine having an open portion facing the particulate solids inlet bore and an open portion facing the liquids inlet means,

(c) eine Fortsetzung der Ummantelung oder des Gehäuses (20) die mit dem ringförmigen offenen Abschnitt (26) der Turbine eine Einlaßzone (40) bildet, welche unterhalb des Umfangsteils der Turbine gelegen ist,(c) a continuation of the casing or housing (20) which, together with the annular open portion (26) of the turbine, forms an inlet zone (40) located below the peripheral part of the turbine,

(d) Mittel zum Drehen der Turbine.(d) Means for rotating the turbine.

Das hierin offenbarte Verfahren und die hierin offenbarte Vorrichtung weisen keinen der Nachteile auf, die in den Prinzipien und der Praxis der im Stand der Technik gelehrten inhärent waren, sondern beinhalten die Gegenstände eines einfachen kontinuierlichen Mischsystems mit konstantem Volumen. Das Verfahren beruht auf der Erfindung eines Mittels, bei dem Feststoffteilchen in einem Strom frisch zufließender Flüssigkeit eingebracht werden können, bevor diese Flüssigkeit in eine Aufschlämmung der gewünschten Dichte in einem Gehäuse umlaufen gelassen wird. Das hydraulische Gleichgewicht wird auf Basis eines unterschiedlichen zu dem im Stand der Technik angewendeten Prinzip aufrecht erhalten. Das Verfahren und die Vorrichtung haben gegenüber den in der derzeitigen Praxis verwendeten weitere Vorteile.The method and apparatus disclosed herein do not have any of the disadvantages inherent in the principles and practice taught in the prior art, but incorporate the subject matter of a simple, constant volume, continuous mixing system. The method is based on the invention of a means by which solid particles can be introduced into a stream of freshly incoming liquid before that liquid is introduced into a Slurry of the desired density is circulated in a housing. The hydraulic equilibrium is maintained on the basis of a different principle from that used in the prior art. The method and the device have further advantages over those used in current practice.

Demgemäß ist es ein primärer Gegenstand der Erfindung, ein verbessertes Mischverfahren und eine verbesserte Mischvorrichtung bereitzustellen zum kontinuierlichen und raschen Vermischen von einer Flüssigkeit und teilchenförmigen Feststoffen, insbesondere bei hoher Feststoffkonzentration und insbesondere, wenn die Feststoffe aus feinen Teilchen bestehen.Accordingly, it is a primary object of the invention to provide an improved mixing method and apparatus for continuously and rapidly mixing a liquid and particulate solids, particularly at high solids concentrations and particularly when the solids consist of fine particles.

Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, einen verbesserten Mischer bereitzustellen, welcher über einen weiten dynamischen Fließbereich von Feststoffen und Flüssigkeiten betrieben werden kann, während das Risiko nicht vorhersehbarer Abschaltungen und unerwünschter Abweichungen der Qualität des Gemisches auf ein Minimum reduziert wird.Another object of the invention is to provide an improved mixer which can operate over a wide dynamic flow range of solids and liquids while minimizing the risk of unpredictable shutdowns and undesirable deviations in the quality of the mixture.

Ein weiterer Gegenstand ist es, einen verbesserten Mischer bereitzustellen, dessen Eigenmaterialbestand niedrig ist und worin rasche Veränderungen im Volumen der zu vermischenden Materialien durchgeführt werden können, während vorbestimmte Verhältnisse der Komponenten beibehalten werden.Another object is to provide an improved mixer which has a low self-stock and in which rapid changes in the volume of materials to be mixed can be made while maintaining predetermined ratios of the components.

Ein weiterer Gegenstand ist es, einen verbesserten Mischer bereitzustellen, welcher einen positiven Fließdruck der gemischten Aufschlämmung entwickelt, welcher nützlich ist, die Aufschlämmung ohne das Erfordernis einer Pumpe oder dergleichen zu einer weiteren Anlage zu bewegen.Another object is to provide an improved mixer which develops a positive flow pressure of the mixed slurry useful in moving the slurry to further equipment without the need for a pump or the like.

Ein weiterer Gegenstand ist es, einen verbesserten kontinuierlichen Mischer bereitzustellen, bei welchem der Mechanismus weiterhin betrieben werden kann, obwohl die Zufuhrleitung des Mischers geschlossen oder anderweitig abgeschaltet wurde.Another object is to provide an improved continuous mixer in which the mechanism can continue to operate even though the supply line to the mixer has been closed or otherwise shut off.

Ein weiterer Gegenstand ist es, einen verbesserten Mischer bereitzustellen, welcher kontinuierlich ein Flüssigkeits-Feststoff-Gemisch mit einer vorbestimmten Dichte herstellt.Another object is to provide an improved mixer which continuously produces a liquid-solid mixture having a predetermined density.

Ein weiterer Gegenstand ist es, einen verbesserten Mischer bereitzustellen, insbesondere zum Mischen von Zementteilchen und Wasser in der Ölfeldindustrie mit keiner oder wenig Luft in der Zementaufschlämmung, wobei eine genaue Dichtemessung gestattet wird.Another object is to provide an improved mixer, particularly for mixing cement particles and water in the oil field industry with little or no air in the cement slurry, allowing accurate density measurement.

Noch weitere Gegenstände und Vorteile werden beim Durchsehen der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnungen offensichtlich werden.Still other objects and advantages will become apparent upon review of the following description and drawings.

drawings

Figur 1 ist ein Aufriß der Mischvorrichtung dieser Erfindung, großteils im Schnitt.Figure 1 is an elevational view of the mixing apparatus of this invention, largely in section.

Figur 2 ist eine stufenweise Schnittansicht mit Blickrichtung von oben auf den Mischer.Figure 2 is a step-wise sectional view looking from above at the mixer.

Figur 3 ist ein Aufriß von vorn der in einer alternativen Ausführungsform dieser Erfindung verwendeten Turbine, großteils im Schnitt.Figure 3 is a front elevational view, largely in section, of the turbine used in an alternative embodiment of this invention.

Die Figuren 4 und 5 stellen einen Aufriß von zwei erfindungsgemäßen Mischern, welche für Ölfeldanwendungen bevorzugt sind von vorne dar, großteils im Schnitt.Figures 4 and 5 show a front elevational view, largely in section, of two mixers according to the invention which are preferred for oilfield applications.

Gemäß dem breiten Konzept der Erfindung wird ein ringförmiger Flüssigkeitskörper in einem Gehäuse durch eine Turbine oder ein Impellerelement gewirbelt. Die Rotation der Flüssigkeit dient dazu, ansteigende radiale Geschwindigkeits- und Druckgradienten in der Flüssigkeit zu erzeugen. An einem endlichen inneren Radius wird der absolute Druck als ein Minimum angenommen. An einem endlichen äußeren Radius ist der absolute Druck derjenige, der durch die Rotation des ringförmigen Flüssigkeitskörpers zwischen diesen Radien plus dem des Innenradius aufgebaut wird. Zugeführte Flüssigkeit wird in den wirbelnden Flüssigkeitskörper über einem ringförmigen Abschnitt, dessen Innenradius größer ist als der Innenradius des rotierenden Flüssigkeitskörpers und dessen Außenradius kleiner ist als der Außenradius des rotierenden Flüssigkeitskörpers, eingebracht. Der Druck der Zufuhrflüssigkeit wird derart reguliert, daß er mit dem des rotierenden ringförmigen Flüssigkeitskörpers über den Abschnitt, an dem das Zufuhrfluid eingebracht wird, nahezu übereinstimmt.According to the broad concept of the invention, an annular body of fluid in a housing is swirled by a turbine or impeller element. The rotation of the fluid serves to create increasing radial velocity and pressure gradients in the fluid. At a finite inner radius, the absolute pressure is assumed to be a minimum. At a finite outer radius, the absolute Pressure that developed by the rotation of the annular fluid body between these radii plus that of the inner radius. Feed fluid is introduced into the swirling fluid body over an annular section having an inner radius greater than the inner radius of the rotating fluid body and an outer radius less than the outer radius of the rotating fluid body. The pressure of the feed fluid is regulated to nearly match that of the rotating annular fluid body over the section where the feed fluid is introduced.

Der Innenradius des rotierenden Fluidkörprs definiert ein "Auge". Das Gehäuse ist über dem kreisförmigen Abschnitt des Auges gegenüber der Atmosphäre offen, und somit ist der Druck am Innenradius des rotierenden ringförmigen Flüssigkeitskörpers auf Atmosphärendruck festgelegt. Zufuhrflüssigkeit wird in einem Radius eingebracht, welcher größer ist als der des Auges, und bei einem Druck leicht oberhalb Atmosphärendruck. Somit wird der Druckgradient im rotierenden Fluidkörper nicht gestört, und das System bleibt im Gleichgewicht. Zufuhrflüssigkeit kann das Auge weder fluten und aus dem Gehäuse zur Atmosphäre hinausfließen, noch kann Atmosphärenluft die Quelle der Zufuhrflüssigkeit erreichen, noch kann sie in das Gemisch eingebracht werden.The inner radius of the rotating fluid body defines an "eye". The housing is open to the atmosphere over the circular portion of the eye, and thus the pressure at the inner radius of the rotating annular fluid body is fixed at atmospheric pressure. Feed fluid is introduced at a radius larger than that of the eye, and at a pressure slightly above atmospheric pressure. Thus the pressure gradient in the rotating fluid body is not disturbed, and the system remains in equilibrium. Feed fluid cannot flood the eye and flow out of the housing to the atmosphere, nor can atmospheric air reach the source of the feed fluid, nor can it be introduced into the mixture.

Feststoffteilchen und dergleichen können in das Auge eingebracht werden, wo sie mit der zufließenden Zufuhrflüssigkeit, welche über den ringförmigen Abschnitt ankommt, in Kontakt treten. Heftiges Mischen findet im rotierenden Flüssigkeitskörper statt, wo Feststoffe und zufließende Zufuhrflüssigkeit in engen Kontakt gebracht werden.Solid particles and the like can be introduced into the eye where they come into contact with the incoming feed liquid arriving via the annular section. Vigorous mixing takes place in the rotating liquid body where solids and incoming feed liquid are brought into close contact.

Die zufließenden Feststoffteilchen und die zufließende Flüssigkeit werden kontinuierlich in den richtigen Anteilen oder im vorgeschriebenen Komponentenverhältnis für das Gemisch miteinander in Kontakt gebracht. Feststoffe werden nicht in eine bereits gemischte Aufschlämmung in Umlauf gebracht, so daß die Bildung von Agglomeraten ausgeschlossen ist.The incoming solid particles and the incoming liquid are continuously brought into contact with each other in the correct proportions or in the prescribed component ratio for the mixture. Solids are not Already mixed slurry is circulated so that the formation of agglomerates is excluded.

Flüssigkeit oder Aufschlämmung wird vom Gehäuse abgezogen bei einem Druck, der durch die Rotation des ringförmigen Körpers von Gemisch in der Turbine erzeugt wird. Somit wird lediglich ein Mittel benötigt um den Flüssigkeitskörper zu drehen, um Feststoffe in die Zufuhrflüssigkeit vorwärtszutreiben, um die Komponenten miteinander zu vermischen und um die entstehende Aufschlämmung zum Entladen aus dem Gehäuse unter Druck zu setzen.Liquid or slurry is withdrawn from the casing at a pressure created by the rotation of the annular body of mixture in the turbine. Thus, only a means is required to rotate the liquid body, to propel solids into the feed liquid, to mix the components together, and to pressurize the resulting slurry for discharge from the casing.

Mit Bezug insbesondere auf Figur 1 wird die Mischvorrichtung dieser Erfindung, außer wie angegeben, im allgemeinen durch den Buchstaben M bezeichnet. Über dem Mischer befindet sich ein Bunker oder Silo 10. Der Bunker dient als Behälter für Feststoffteilchen und ist mit einem Mittel (Ventil 1) 12 zum Regulieren des Feststoffflusses ausgestattet, welches den Fluß von Feststoffen in einen Feststoffeinlaßkegel 16 des Mischers steuert.Referring particularly to Figure 1, the mixing apparatus of this invention is generally designated by the letter M, except as indicated. Above the mixer is a hopper or silo 10. The hopper serves as a container for solid particles and is provided with a solids flow regulating means (valve 1) 12 which controls the flow of solids into a solids inlet cone 16 of the mixer.

Ein Antriebsschaft 18 ist innerhalb des Feststoffeinlaßkegels 16 angeordnet, so daß die Unterseite des Antriebsschaftes durch einen Feststoffeinlaß 17 des Mischers und in ein Gehäuse 20 hinein reicht. Der Antriebsschaft 18 ist an ein Rotationsantriebsmittel (nicht gezeigt) gekoppelt, das durch ein Element des Mischers gehalten sein kann oder nicht, wie es die Installationserfordernisse vorschreiben. Das mischendedruckaufbauende Element des Mischers ist eine Turbine 22, die mittels einer Bolzenverbindung 24 an der Unterseite des Antriebsschafts 18 befestigt ist.A drive shaft 18 is disposed within the solids inlet cone 16 so that the bottom of the drive shaft extends through a solids inlet 17 of the mixer and into a housing 20. The drive shaft 18 is coupled to a rotary drive means (not shown) which may or may not be supported by a member of the mixer as installation requirements dictate. The mixing pressure building element of the mixer is a turbine 22 which is secured to the bottom of the drive shaft 18 by a bolted connection 24.

Die Turbine 22 ist innerhalb des Gehäuses 20 koaxial mit der Längsachse des Gehäuses angeordnet. Die Turbine hat einen Einsatz 26, an dem mehrere Schaufeln 28 angebracht sind. Diese Schaufeln erstrecken sich in einer Radialrichtung einwärts entlang der Oberseite des Einsatzes 26 bis zu einem Radius, der annähernd gleich oder etwas geringer ist als Radius 30 (Fig. 2) des atmosphärischen Auges des Mischers unter "Nominalbedingungen", die nachstehend definiert sind. Das atmosphärische Auge ist ein im allgemeinen zylindrisches Volumen, welches durch die Grenzfläche 32 von atmosphärischer Luft mit Fluidzusammensetzung im Mischer definiert wird. Die Grenzfläche ist in Fig. 2 als eine Wellenlinie gezeichnet, um anzudeuten, daß sie in der Praxis niemals vollkommen glatt oder zylindrisch ist. In der bevorzugten Ausführungsform reichen die Schaufeln nicht voll in das Auge hinein, um eine Beeinflussung des Flusses von Feststoffen in die Turbine zu vermeiden.The turbine 22 is disposed within the housing 20 coaxially with the longitudinal axis of the housing. The turbine has an insert 26 to which a plurality of blades 28 are attached. These blades extend in a radial direction inwardly along the top of the insert 26 to a radius, which is approximately equal to or slightly less than radius 30 (Fig. 2) of the atmospheric eye of the mixer under "nominal conditions" defined below. The atmospheric eye is a generally cylindrical volume defined by the interface 32 of atmospheric air with fluid composition in the mixer. The interface is drawn as a wavy line in Fig. 2 to indicate that in practice it is never completely smooth or cylindrical. In the preferred embodiment, the vanes do not extend fully into the eye to avoid interfering with the flow of solids into the turbine.

Die Schaufeln 28 erstrecken sich auch in einer radialen Richtung einwärts entlang der Unterseite des Einsatzes 26 bis zu einem inneren Radius, der wie folgt bestimmt werden sollte.The vanes 28 also extend in a radial direction inwardly along the bottom of the insert 26 to an inner radius which should be determined as follows.

Auswählen eines "nominalen Augendurchmessers" mit einer aus reichenden Querschnittsfläche, um den maximalen Feststofffluß, welcher für Normalbetrieb vorgegeben ist, zuzulassen.Select a "nominal eye diameter" with sufficient cross-sectional area to allow the maximum solids flow specified for normal operation.

Auswählen eines ausreichenden Turbinendurchmessers und einer ausreichenden Betriebsgeschwindigkeit, um einen vorgegebenen Entladedruck aufzubauen, unter der Annahme, daß der Druck am Radius des Auges atmosphärisch ist. Der äußere Turbinenradius sollte normalerweise annähernd der zweifache des nominalen Augenradius sein.Select a sufficient turbine diameter and operating speed to develop a given discharge pressure, assuming that the pressure at the radius of the eye is atmospheric. The outer turbine radius should normally be approximately twice the nominal eye radius.

Es darf niemals zugelassen werden, daß der Druck am Umfang des Turbineneinsatzes 36 niedriger als Atmosphärendruck liegt, ansonsten wird Luft Zugang zum Ansaugbereich der Turbine haben. Dieser ungünstige Zustand wird ausgeschlossen, indem der Radius der Innenkante der Schaufeln in der Ansaugung 34 geringer ist als der Umfangsradius des Einsatzes 36. Um das genaue Verhältnis zu bestimmen, muß ein minimaler verfügbarer positiver Nutzsaugdruck (VPNSD) angegeben werden. Der im ringförmigen Fluidkörper zwischen dem Radius bei 34 und dem Radius bei 36 bei der angegebenen Rotationsgeschwindigkeit der Turbine aufgebaute Druck sollte größer sein als die Differenz zwischen Atmosphärendruck und dem minimalen erwarteten VPNSD.The pressure at the periphery of the turbine insert 36 must never be allowed to be less than atmospheric pressure, otherwise air will have access to the turbine intake area. This unfavorable condition is eliminated by making the radius of the inner edge of the blades in the intake 34 less than the periphery radius of the insert 36. To determine the exact relationship, a minimum available positive suction pressure (VPNSD) must be specified. The pressure in the annular body of fluid between the radius at 34 and the radius at 36 at the specified rotational speed of the turbine The pressure built up should be greater than the difference between atmospheric pressure and the minimum expected VPNSD.

Dann muß ein maximaler VPNSD angegeben werden. Wenn die Vorrichtung unter dieser Bedingung betrieben wird, ist der absolute Druck am Umfang des Einsatzes 36 der maximale VPNSD plus die Differenz zwischen Atmosphärendruck und dem minimalen VPNSD. Dieser Druck steht im Gleichgewicht mit dem im ringförmigen Fluidkörper aufgebauten Druck zwischen dem tatsächlichen Augenradius und dem Umfang des Einsatzes 36 plus Atmosphärendruck. Der nominale Augenradius wird in diesem Zusammenhang verwendet, um den Radius des Einsatzes aufzufinden. Dann muß der Innenradius der Saugschaufelkanten gefunden werden. Falls diese schräggestellt sind, wie in Fig. 1 gezeigt, wird ein hydraulischer Durchschnitt verwendet. Es sollte ebenfalls bemerkt werden, daß, falls der Radius des Einsatzes größer ist als etwa 75 % der Turbine, es notwendig sein kann, manche der Angaben abzuwandeln.A maximum VPNSD must then be specified. When the apparatus is operated under this condition, the absolute pressure at the periphery of the insert 36 is the maximum VPNSD plus the difference between atmospheric pressure and the minimum VPNSD. This pressure is in equilibrium with the pressure built up in the annular body of fluid between the actual eye radius and the periphery of the insert 36 plus atmospheric pressure. The nominal eye radius is used in this context to find the radius of the insert. Then the inside radius of the suction blade edges must be found. If these are canted as shown in Fig. 1, a hydraulic average is used. It should also be noted that if the radius of the insert is greater than about 75% of the turbine, it may be necessary to modify some of the specifications.

Die Fachleute werden ebenfalls erkennen, daß angemessene Sicherheitsfaktoren bei allen Berechnungen aufgenommen werden sollten. Sie werden ebenfalls bemerken, daß die Berechnung der genauen Abmessungen in Abhängigkeit des bestimmten Typs oder der Art einer für eine bestimmte Anwendung ausgewählten Turbine weiter verfeinert werden kann.Those skilled in the art will also recognize that appropriate safety factors should be included in all calculations. They will also note that the calculation of the exact dimensions can be further refined depending on the particular type or style of turbine selected for a particular application.

Um für einen ruhigen Fluß zu sorgen, sind ein Fortsatz des Gehäuses 20 und des Einsatzes 26 so ausgebildet, um einen ringförmigen Turbineneinlaß 40 zwischen ihnen zu bilden. Die Querschnittsfläche dieses Einlasses sollte so gewählt werden, daß das Fluid im Sog nicht beschleunigt wird, gemäß bewährter Hydraulikpraxis. Der Turbineneinlaß 40 ist direkt und glatt mit dem Flüssigkeitsansaugeinlaß 42 verbunden, der ebenfalls zwischen dem Einsatz 26 und der inneren Gehäusewand gebildet ist. Statorschaufeln 44, welche eine Vorrotation der Flüssigkeit unterdrücken und die Leistung des Mischers besser vorhersagbar machen, sollten in der Flüssigkeitsansaugung durch Befestigung an der Innenwand des Gehäuses installiert werden. Der ringförmige Ansaugeinlaß setzt sich glatt in einen kreisförmigen Abschnitt am Flüssigkeitseinlaß zum Mischer 46 fort. Ein Verteiler oder eine Fluidzufuhrleitung 48 ist vorgesehen, um Flüssigkeit von einem Flüssigkeitsreservoir 49 zu liefern.To ensure smooth flow, an extension of the housing 20 and the insert 26 are formed to form an annular turbine inlet 40 between them. The cross-sectional area of this inlet should be chosen so that the fluid is not accelerated in the suction, according to good hydraulic practice. The turbine inlet 40 is directly and smoothly connected to the liquid suction inlet 42, which is also formed between the insert 26 and the inner housing wall. Stator blades 44, which suppress pre-rotation of the liquid and make the performance of the mixer more predictable, should be provided in the liquid suction by mounting on the inner wall of the housing. The annular suction inlet continues smoothly into a circular section at the liquid inlet to the mixer 46. A manifold or fluid supply line 48 is provided to supply liquid from a liquid reservoir 49.

Die Turbinenschaufeln 28 erstrecken sich in einer Radialrichtung auswärts zur Umfangsf läche der Turbine und sind gemäß anerkannter Turbinenkonstruktionsprinzipien gebogen. In der gezeigten bevorzugten Ausführungsform ist ein oberes Deckband 50 auf der Turbine angebracht, zwischen der Feststoff-Innenkante der Schaufeln 38 und der Umfangsfläche der Turbine. Das Deckband 50 dient dazu, mehrere Fließpassagen 52 zwischen den Schaufeln zu definieren und verhindert, daß zufließende Feststoffe die Oberkanten der Schaufeln und die Innenwand des gegenüberliegenden Gehäuses 20 verschleißen. Die Höhe dieser Passagen sollte konstant sein, so daß das ausfließende Gemisch in der Turbine in Radialrichtung verlangsamt wird. Die Verlangsamung dient dazu, Ejektoreffekte, welche ein Mitreissen von Luft induzieren könnten, zu minimieren. Mehrere Rückpumpschaufeln 54 werden gemäß Standardpraxis verwendet, um einen Rückfluß von Materialien in den Spalt zwischen dem Deckband und der Innenwand des Gehäuses zu verhindern, welcher Spalt ebenfalls als Mittel zur Luftabsaugung dient.The turbine blades 28 extend in a radial direction outwardly of the peripheral surface of the turbine and are curved in accordance with accepted turbine design principles. In the preferred embodiment shown, an upper shroud 50 is mounted on the turbine, between the solid inner edge of the blades 38 and the peripheral surface of the turbine. The shroud 50 serves to define a plurality of flow passages 52 between the blades and prevents incoming solids from wearing the upper edges of the blades and the inner wall of the opposing casing 20. The height of these passages should be constant so that the outgoing mixture in the turbine is slowed down in the radial direction. The slowing down serves to minimize ejector effects which could induce air entrainment. A plurality of pump-back vanes 54 are used in accordance with standard practice to prevent backflow of materials into the gap between the shroud and the inner wall of the casing, which gap also serves as a means for air evacuation.

Die Turbine 22 entlädt über ihren Umfang in ein Aufnahmevolumen 55, welches durch eine Fortsetzung des Gehäuses 20 definiert ist. In der bevorzugten Ausführungsform ist das Aufnahmevolumen des Gehäuses 55 "halb-schneckenförmig". Die Querschnittsfläche dieses Volumens, wenn senkrecht zum Tangentialfluß des Gemisches im Gehäuse betrachtet, wird ausgehend von einer Kante 56 (Fig. 2) direkt vor dem Entladeauslaß 58 erhöht. Die Gesetzmäßigkeit der Erhöhung wird der anerkannten Hydraulikpraxis entnommen und sollte zu der Entfernung entlang des Umfangs des Mischers zum Entladeauslaß arithmetisch sein. Die gesamte Querschnittsfläche wird jedoch immer ausreichend groß ausgelegt, daß das Aufnahmevolumen des Gehäuses 55 den Umlauf des Gemisches zuläßt. Dieses Merkmal dient dazu, alle Unregelmäßigkeiten im Fluß von Feststoffen in den Mischer zu dämpfen, wodurch eine genauere Steuerung der Qualität des Gemisches bereitgestellt wird. Im allgemeinen sollte die Querschnittsfläche an keiner Stelle geringer sein als die Querschnittsfläche des Auslasses 58, die durch Standardhydraulikpraxis bestimmt wird.The turbine 22 discharges over its circumference into a receiving volume 55 which is defined by an extension of the housing 20. In the preferred embodiment, the receiving volume of the housing 55 is "semi-helical". The cross-sectional area of this volume, when viewed perpendicular to the tangential flow of the mixture in the housing, increases from an edge 56 (Fig. 2) immediately in front of the discharge outlet 58. The law of the increase is taken from accepted hydraulic practice and should be arithmetic to the distance along the circumference of the mixer to the discharge outlet. The total cross-sectional area, however, is always designed to be sufficiently large that the receiving volume of the housing 55 accommodates the circulation of the mixture. This feature serves to dampen any irregularities in the flow of solids into the mixer, thereby providing more precise control of the quality of the mixture. In general, the cross-sectional area should not be less at any point than the cross-sectional area of the outlet 58, which is determined by standard hydraulic practice.

In der gezeigten Ausführungsform ist das Gehäuse entlang der Längsachse des Mischers schneckenförmig. Diese Ausbildung ist gegenüber dem Standardverfahren einer radialen schneckenförmigen Ausbildung aus zwei Gründen bevorzugt. Erstens wird die Geschwindigkeit und folglich der Druck gegenüber der Entladung der Turbine relativ konstant gehalten. Somit bleibt das Auge mit dem Feststoffeinlaß symmetrisch, wodurch das Risiko eines Fluidnebels über einen Abschnitt dieses Einlasses hinweg vermieden wird. Zweitens stellt sie eine Vorrichtung mit einem kleineren Gesamtdurchmesser bereit, was günstiger und ökonomischer ist.In the embodiment shown, the housing is helical along the longitudinal axis of the mixer. This design is preferred over the standard method of radial helical design for two reasons. Firstly, the velocity and hence pressure is kept relatively constant across the discharge of the turbine. Thus, the eye remains symmetrical with the solids inlet, avoiding the risk of fluid mist across a section of that inlet. Secondly, it provides a device with a smaller overall diameter, which is more convenient and economical.

Um, soweit notwendig, für eine bessere Dämpfung und eine bessere Steuerung zu sorgen, kann ein bestimmter Anteil des entladenen Gemisches aus der Entladung des Mischers 58 mittels einer Umlaufleitung 60 zur Flüssigkeitszufuhrleitung des Mischers 48 rückgeführt oder zurück in Umlauf gebracht werden. Das Ausmaß der Rückführung ist proportional zu der für diese Leitung ausgewählten Größe und kann durch Regeln und Prinzipien, die den Fachleuten gut bekannt sind, bestimmt werden. Ein Ventil (Ventil 2) 62 wird bereitgestellt, so daß der Mischer entsprechend den hierin beschriebenen Umständen entweder im Umlaufmodus oder im direkten Modus betrieben werden kann.To provide better damping and control, where necessary, a certain portion of the discharged mixture from the discharge of mixer 58 may be recycled or recirculated to the liquid supply line of mixer 48 by means of a recirculation line 60. The amount of recirculation is proportional to the size selected for this line and can be determined by rules and principles well known to those skilled in the art. A valve (valve 2) 62 is provided so that the mixer can be operated in either the recirculation mode or the direct mode according to the circumstances described herein.

Die genaue Konfiguration der Turbine 22 hängt von der gewünschten Leistung einer bevorzugten Ausführungsform ab. Die Figuren 1 und 2 veranschaulichen eine Turbine des radialen Typs, die insbesondere für die Spezifikation einer niedrigen spezifischen Geschwindigkeit geeignet ist. Sie würde gewählt werden, wenn ein relativ hoher Entladedruck, bezogen auf die Kapazität, erforderlich ist. Bei höheren spezifischen Geschwindigkeiten, wenn Kapazität wichtiger ist als Entladedruck, würde eine Francis-Konfiguration angegeben werden. Eine Turbine vom Vortex-Typ ist in Fig. 3 gezeigt, wobei die Namen und Bezugszeichen der Teile beibehalten werden. Diese Konfiguration würde beispielsweise angegeben werden, wenn stark scheuernde Feststoffe verarbeitet würden und wenn geringe Zwischenräume in den Fließstrecken von Feststoffen oder Aufschlämmung besonders unerwünscht wären.The exact configuration of the turbine 22 depends on the desired performance of a preferred embodiment. Figures 1 and 2 illustrate a radial type turbine which is particularly suitable for the specification of a low specific speed. It would be selected when a relatively high discharge pressure relative to capacity is required. At higher specific velocities, when capacity is more important than discharge pressure, a Francis configuration would be specified. A vortex type turbine is shown in Fig. 3, the names and reference numbers of parts being retained. This configuration would be specified, for example, when processing highly abrasive solids and when small clearances in the flow paths of solids or slurry would be particularly undesirable.

Schaufeln, die in den ringförmigen Saugbereich hineinreichen um den Druck der Zufuhrflüssigkeit zu regulieren, sind aufgrund der Einfachheit in die bevorzugte Ausführungsform aufgenommen. Die Fachleute werden ebenfalls erkennen, daß verschiedene allgemein bekannte Mittel zum Steuern des Drucks der zufließenden Zufuhrflüssigkeit ebenfalls verwendet werden könnten. Beispielsweise könnte eine regulierte Niederdruckzusatzpumpe in die Leitung zwischen dem Flüssigkeitsreservoir 49 und der Fluidzufuhrleitung 48 eingebracht werden. Dieses Mittel und andere ähnlicher Art können gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls ausgewählt werden.Vanes extending into the annular suction region to regulate the pressure of the feed liquid are included in the preferred embodiment for simplicity. Those skilled in the art will also recognize that various well-known means for controlling the pressure of the incoming feed liquid could also be used. For example, a regulated low-pressure booster pump could be placed in the line between the liquid reservoir 49 and the fluid supply line 48. This means and others of a similar nature can also be selected in accordance with the method of the invention.

Die Erfindung kann veranschaulicht werden, indem ein typischer Betrieb beschrieben wird, wobei Portland-Zementpulver mit Wasser gemischt wird, um eine Zementaufschlämmung zu erhalten, die zum Pumpen in ein Bohrloch geeignet ist, um eine hydraulische Abdichtung zwischen dem Gehäuse und den Gesteinsformationen gegenüber diesem Gehäuse zu bereitzustellen.The invention can be illustrated by describing a typical operation wherein Portland cement powder is mixed with water to obtain a cement slurry suitable for pumping into a wellbore to provide a hydraulic seal between the casing and the rock formations opposite that casing.

Zu Beginn des Betriebs treibt ein Antriebsmittel den Antriebsschaft 18 und die Turbine 22 an. Sobald die Turbine in Bewegung ist, wird Wasser an den Einlaß des Mischers 48 gefördert. Das Wasser fließt durch die Flüssigkeitseinlaßpassage, definiert durch den Flüssigkeitseinlaß 46 des Mischers, den Flüssigkeitssaugeinlaß 42 und den ringförmigen Turbineneinlaß 40 in die Turbine. Das Wasser wird durch die Turbine in Rotation versetzt und baut Druck und Geschwindigkeit auf, während es in das Aufnahmevolumen 55 des Gehäuses ausfließt. Luft im Mischer wird durch den Spalt zwischen dem oberen Turbinendeckband 50 und der Innenwand des Gehäuses 20 direkt gegenüber entladen. Somit kann der Mischer sogar dann angefahren werden, wenn es günstig ist, seinen Auslaß 58 blockiert zu belassen. Sobald der Mischer in dieser Weise angefahren wurde und pumpt, bleibt er in einem Ansaugzustand, sogar falls zugelassen wird, daß der Absolutdruck entlang der Flüssigkeitseinlaßstrecke unter Atmosphärendruck abfällt.At the start of operation, a drive means drives the drive shaft 18 and the turbine 22. Once the turbine is in motion, water is delivered to the inlet of the mixer 48. The water flows into the turbine through the liquid inlet passage defined by the mixer liquid inlet 46, the liquid suction inlet 42 and the annular turbine inlet 40. The water is forced into rotation by the turbine and builds pressure and velocity as it flows out into the housing receiving volume 55. Air in the mixer is discharged through the gap between the upper turbine shroud 50 and the inner wall of the housing 20 directly opposite. Thus, the mixer can be started even when it is convenient to leave its outlet 58 blocked. Once started in this manner and pumping, the mixer will remain in a priming condition even if the absolute pressure along the liquid inlet path is allowed to drop below atmospheric pressure.

Nachdem der Mischer angefahren wurde, wird Zementpulver in die Turbine zudosiert entlang der Feststoffeinlaßstrecke, welche definiert wird durch das Fließregulationsmittel 12, den Feststoffeinlaßkegel 16, den Feststoffeinlaß 17 und die Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche 32. Das Wasser und die Zementteilchen werden an diesem Punkt miteinander in Kontakt gebracht. Sie gelangen dann durch die Passagen in die Turbine 52, wo sie vermischt und als eine Aufschlämmung unter Druck gesetzt werden. Unter diesen Bedingungen wird der Mischer mit geöffnetem Ventil 62 im Umlaufmodus betrieben. Wenn die Dichte der Aufschlämmung den gewünschten Wert erreicht, wie durch ein Meßmittel bestimmt, wird der Auslaß geöffnet, und die Aufschlämmung fließt unter Druck zu einer Hochdruckpumpe, die sie in ein Bohrloch fördert.After the mixer is started, cement powder is metered into the turbine along the solids inlet path defined by the flow control means 12, the solids inlet cone 16, the solids inlet 17 and the air-liquid interface 32. The water and cement particles are brought into contact with each other at this point. They then pass through the passages into the turbine 52 where they are mixed and pressurized as a slurry. Under these conditions, the mixer is operated in the recirculation mode with the valve 62 open. When the density of the slurry reaches the desired value as determined by a measuring means, the outlet is opened and the slurry flows under pressure to a high pressure pump which pumps it into a well.

Wenn das Pumpen beginnt, fließt weiterhin Zementpulver entlang der Feststoffeinlaßstrecke. Wasser wird durch die Flüssigkeitseinlaßstrecke auf Basis eines Volumengleichgewichts in den Mischer gesaugt, das heißt, daß die Rate des zufließenden Wassers der Rate der abfließenden Aufschlämmung minus der Rate des zufließenden Zementpulvers gleich ist. Somit kann die Dichte der Aufschlämmung durch Regulieren des Flusses von Zementpulver in den Mischer oder durch Regulieren des Flusses von Aufschlämmung aus dem Mischer heraus in Kombination oder einzeln gesteuert werden. Multiple Steuerhandlungen sind nicht erforderlich. Sobald der Mischer den stationären Zustand erreicht hat, kann das Umlaufventil geschlossen werden. Dieser Betrieb ist wünschenswert, wenn es erforderlich ist, daß der Mischer in etwa mit dem Maximum seiner konstruktionsbedingten Kapazität betrieben wird und Fließverluste reduziert werden müssen. Bei geringerer Kapazität sollte das Ventil geöffnet verbleiben, um eine genauere Steuerung der Dichte der Aufschlämmung beizubehalten.When pumping starts, cement powder continues to flow along the solid inlet path. Water is drawn into the mixer through the liquid inlet path on a volume balance basis, that is, the rate of incoming water is equal to the rate of outgoing slurry minus the rate of incoming cement powder. Thus, the density of the slurry can be controlled by regulating the flow of cement powder into the mixer or by regulating the flow of slurry out of the mixer in combination or individually. Multiple control actions are not required. Once the mixer reaches steady state has been reached, the bypass valve can be closed. This operation is desirable when the mixer is required to operate at approximately the maximum of its design capacity and flow losses must be reduced. At lower capacities, the valve should be left open to maintain more precise control of the slurry density.

Eine modifizierte Version des erfindungsgemäßen Mischers und die insbesondere zur kontinuierlichen Herstellung von Zementaufschlämmungen für die Öl-, Gas- oder Erdwärmeindustrie angepaßt ist, nämlich für die Zementierung von Bohrlöchern, ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. In den Figuren 1 bis 5 haben gleiche numerische Bezugszeichen die gleiche Bedeutung.A modified version of the mixer according to the invention and which is particularly adapted for the continuous production of cement slurries for the oil, gas or geothermal industry, namely for cementing boreholes, is shown in Figures 4 and 5. In Figures 1 to 5, the same numerical reference symbols have the same meaning.

Mit Bezug auf Fig. 4 enthält das Gehäuse 20 des Mischers M eine Turbine 22 mit Schaufeln 28. Die Zementteilchen fließen aus dem nicht dargestellten Bunker 10 in den Feststoffteilcheneinlaß 16, 17. Wasser oder Fluid auf Wasserbasis mit in der Ölfeldindustrie üblichen Zementierzusätzen tritt aus einem atmosphärischen Fluidreservoir entweder durch Schwerkraft oder durch eine Beschickungspumpe durch den Einlaß 46, 48 ein.Referring to Fig. 4, the housing 20 of the mixer M contains a turbine 22 with blades 28. The cement particles flow from the bunker 10 (not shown) into the solid particle inlet 16, 17. Water or water-based fluid with cementing additives common in the oilfield industry enters from an atmospheric fluid reservoir either by gravity or by a feed pump through the inlet 46, 48.

Ein Stator 80 verhindert ein Rotieren des ankommenden Fluids, wodurch die Erzeugung eines konstanten Drucks im Volumen 82 unmittelbar unterhalb der Turbine 22 gestattet wird.A stator 80 prevents rotation of the incoming fluid, thereby allowing the generation of a constant pressure in the volume 82 immediately below the turbine 22.

Das Aufnahmevolumen 55 ist am meisten bevorzugt nach außen durch eine in etwa zylindrische Wand 81 begrenzt, und am meisten bevorzugt ist der Auslaß 58 für die Aufschlämmung hinter der Wand angebracht, wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt.The receiving volume 55 is most preferably bounded externally by a generally cylindrical wall 81, and most preferably the slurry outlet 58 is located behind the wall, as shown in Figs. 4 and 5.

Eine horizontale Scheibe 83 ist oberhalb der Turbine 22 bereitgestellt, um teilweise mit den Schaufeln 28 zu überlappen, wie in Fig. 4 gezeigt. Obwohl es für den Betrieb des Mischers nicht wesentlich ist, ist diese Scheibe am meisten bevorzugt, da sie ein Entweichen von Feststoffstaub durch die Entlüftung 84 verhindert.A horizontal disc 83 is provided above the turbine 22 to partially overlap with the blades 28 as shown in Fig. 4. Although not essential to the operation of the mixer, this disc is most preferred, because it prevents solid dust from escaping through the vent 84.

Die Schaufeln 28 können sich gegebenenfalls nach unten erstrecken, um eine Schaufel 85 zu bilden, deren Zweck es ist, die Vorrichtung auch bei niedrigem Druck saugfähig zu halten und insbesondere, wenn der ganze Mischer M in einer geneigten Anordnung gebaut ist, um das nach oben Pressen des ankommenden Fluids zu unterstützen.The blades 28 may optionally extend downwards to form a blade 85, the purpose of which is to keep the device absorbent even at low pressure and, in particular, when the whole mixer M is built in an inclined arrangement, to assist in forcing the incoming fluid upwards.

Die in den Figuren 4 und 5 gezeigten Vorrichtungen weisen den Vorteil eines sehr stabilen Auges auf, was eine wesentliche Bedingung ist, um die Zwecke der Erfindung, wie oben angegeben, zu erreichen. Diesbezüglich definiert die horizontale Scheibe 86 an der Unterseite der Turbine die Position des Auges oder der Grenzfläche 32 für einen gegebenen Wasser- oder Fluiddruck am Einlaß 46.The devices shown in Figures 4 and 5 have the advantage of a very stable eye, which is an essential condition to achieve the purposes of the invention as stated above. In this regard, the horizontal disc 86 at the bottom of the turbine defines the position of the eye or interface 32 for a given water or fluid pressure at the inlet 46.

Derartige Vorrichtungen sind insbesondere nützlich zum kontinuierlichen Mischen von Zementteilchen mit Mischwasser oder Mischfluid in der Ölfeldindustrie und verwandten Industrien mit einer sehr genauen Steuerung und Überwachung der Dichte der hergestellten Aufschlämmung.Such devices are particularly useful for continuously mixing cement particles with mixing water or mixing fluid in the oilfield and related industries with very precise control and monitoring of the density of the slurry produced.

Figur 5 stellt eine weitere Version der in Fig. 4 dargestellten Vorrichtung dar, wobei der Wasser- oder Fluideinlaß 46, 48 an der Oberseite des Gehäuses 20 angeordnet ist. Wasser oder Fluid fließt entweder aus einem atmosphärischen Tank 49 durch Schwerkraft oder durch eine Beschickungspumpe.Figure 5 illustrates another version of the device shown in Figure 4, where the water or fluid inlet 46, 48 is located at the top of the housing 20. Water or fluid flows either from an atmospheric tank 49 by gravity or through a feed pump.

Am meisten bevorzugt wird das Wasser in die Oberseite der zylindrischen Kammer 90 des Mischers, wie durch den oberen Teil des Gehäuses 20 und eine horizontale Zwischenwand 91 definiert, eingebracht. Sowohl der obere Teil des Gehäuses 20 als auch die horizontale Wand 91 weisen das Merkmal einer zentralen Öffnung auf, wie in Fig. 5 dargestellt, die darauf abzielt, einen Raum bereitzustellen für die Entlüftung 84 und den Feststoffteilcheneinlaß 16.Most preferably, the water is introduced into the top of the cylindrical chamber 90 of the mixer, as defined by the upper part of the housing 20 and a horizontal intermediate wall 91. Both the upper part of the housing 20 and the horizontal wall 91 have the feature of a central opening, as shown in Fig. 5, which aims to to provide a space for the vent 84 and the particulate inlet 16.

Es ist zu bemerken, daß die horizontale Scheibe 91 nach innen zu mit einem gewissen Überlapp zu den Turbinenschaufeln 28 endet, während der obere Teil des Gehäuses 20 nach innen über das Ende der Scheibe 91 hinausragt, so daß das Auge (Grenzfläche Luft/Aufschlämmung) in einer Position erzeugt und stabilisiert werden kann, welche zwischen den zwei innen liegenden Grenzen des oberen Teils des Gehäuses 20 bzw. der Scheibe 91 liegt.It should be noted that the horizontal disk 91 terminates inwardly with some overlap to the turbine blades 28, while the upper part of the housing 20 projects inwardly beyond the end of the disk 91 so that the eye (air/slurry interface) can be created and stabilized in a position which lies between the two inward boundaries of the upper part of the housing 20 and the disk 91, respectively.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein festes System von Schaufeln, allgemein als 92 bezeichnet, oberhalb der oben erwähnten zentralen Öffnung angeordnet, so daß eine Rotation des hinzu kommenden Wassers in Kammer 90 verhindert wird.In a preferred embodiment, a fixed system of vanes, generally designated 92, is arranged above the above-mentioned central opening so that rotation of the incoming water in chamber 90 is prevented.

Die Hauptziele der Erfindung werden bewirkt, weil den Anteilen der Komponenten des Gemisches niemals gestattet wird, über einen breiten Bereich typischer Betriebsbedingungen hinweg, in irgendeinem Teil der Vorrichtung die vorgesehenen oder gewünschten Verhältnisse zu überschreiten.The primary objects of the invention are accomplished because the proportions of the components of the mixture are never allowed to exceed the designed or desired ratios in any part of the apparatus over a wide range of typical operating conditions.

Das Mischen einer Portland-Zementaufschlämmung wurde verwendet, um den Betrieb der Erfindung zu veranschaulichen, da diese Aufschlämmung notorisch schwierig auf eine Spezifikation zu mischen ist. In Vorrichtungen, die gemäß dem Stand der Technik konfiguriert sind, würde Zementpulver in eine Aufschlämmung eingebracht werden, die bereits auf die gewünschte Dichte gemischt wurde. Aber Ölfeldzementaufschlämmungen werden auf eine gewünschte Dichte gemischt, so daß eine minimale Menge von "freiem Wasser" verfügbar ist. Das heißt, der Anteil von Pulver zu Flüssigkeit ist so bestimmt, daß es einen minimalen Wasserüberschuß darüber hinaus gibt, was erforderlich ist, um das Pulver zu benetzen. Jedes zusätzliche Volumen von Zementpulver über den "Punkt von freiem Wasser" hinaus führt zu einer viskosen Paste oder Agglomeraten von teilweise benetzten und im allgemeinen mitgerissene Luft enthaltenden Feststoffen. Diese sind nur schwer durch irgendein ökonomisches Mittel in eine gleichförmige, pumpbare, luftfreie Aufschlämmung zu bringen. Der hierin offenbarte Mischer weist diesen Mangel nicht auf. Zementpulver wird direkt in Wasser eingebracht und bevor das Gemisch durch die Turbine wesentlich unter Druck gebracht wird. Somit können durch den Mischer Zementaufschlämmungen mit hoher Qualität geliefert werden, ohne das Erfordernis weiterer Verfahrensschritte.Mixing of a Portland cement slurry was used to illustrate the operation of the invention because this slurry is notoriously difficult to mix to specification. In apparatus configured according to the prior art, cement powder would be introduced into a slurry that has already been mixed to the desired density. But oilfield cement slurries are mixed to a desired density so that a minimum amount of "free water" is available. That is, the proportion of powder to liquid is determined so that there is a minimum excess of water beyond what is required to wet the powder. Any additional volume of cement powder beyond the "free water point" will result in a viscous paste or agglomerates of partially wetted and generally entrained air-containing solids. These are difficult to reduce to a uniform, pumpable, air-free slurry by any economical means. The mixer disclosed herein does not suffer from this deficiency. Cement powder is introduced directly into water and before the mixture is substantially pressurized by the turbine. Thus, high quality cement slurries can be provided by the mixer without the need for additional processing steps.

Aus einem Mixer auf Basis des Verfahrens Saugdruckgleichgewicht in einer einzelnen Turbine im Gegensatz zu Entladedruckgleichgewicht zwischen einem Slinger und Impeller, wie im Stand der Technik offenbart, ergeben sich manche unerwartete Vorteile. Die Turbine kann gemäß gutbekannter Konstruktionsprinzipien für Turbinenvorrichtungen ausgelegt werden. Die Schaufeln können gepfeilt sein um eine maximale Wirksamkeit oder einen Bereich maximaler Wirksamkeit für die Vorrichtung definieren. Verschleiß durch scheuernde Feststoffe wird stark vermindert.Some unexpected advantages arise from a mixer based on the principle of suction pressure equilibrium in a single turbine, as opposed to discharge pressure equilibrium between a slinger and impeller as disclosed in the prior art. The turbine can be designed according to well-known design principles for turbine devices. The blades can be swept to define a maximum efficiency or a region of maximum efficiency for the device. Wear from abrasive solids is greatly reduced.

Zusätzlich kann, da das gesamte Fluid in der Form einer pumpbaren Aufschlämmung durch die Turbine fließt, ihre hydraulische Effizienz so hoch eingestellt werden, wie es mit der Entwurfspraxis moderner Turbomaschinen konsistent ist. Das im Stand der Technik beschriebene lmpellerelement kann gemäß Standardentwurfsprinzipien entworfen werden, und seine Effizienz kann hoch sein. Aber der im Stand der Technik beschriebene Slinger dient als "Rückhalte"-Mittel. Er nimmt bei geringem erkennbarem Vorteil Motorkraft auf. Bezüglich der Aufschlämmung im Gehäuse arbeitet er in einem "Anfahr-" Zustand, wobei seine hydraulische Effizienz sehr gering ist. Die geringe von Zingg und Stoskopf (1966) beobachtete Zunahme im Entladedruck beruht auf der Tatsache, daß die Umfangsgeschwindigkeit des Slingers notwendigerweise größer ist als die des Impellers, und diese "Überschußgeschwindigkeit" durch ein geeignetes Diffusormittel als Druck wiedergewonnen werden kann. Die Wirkung ist jedoch immer gering, und ihr Beitrag zur Gesamteffizienz der im Stand der Technik beschriebenen Vorrichtungen ist praktisch vernachlässigbar. Ein Slinger verbraucht Kraft, die weder zum Pumpen noch zum Mischen dient, sondern direkt als Wärme verloren geht. Der hierin offenbarte Mischer setzt keinen ineffizienten Slinger gegen einen potentiell effizienten Impeller. Der normale Abfall des Entladedrucks bei erhöhter Kapazität wird zu einem positiven Vorteil anstelle eines unüberwindbaren Mangels im Konzept. Unter vergleichbaren Betriebsbedingungen verbraucht der Mischer etwa die Hälfte der zugeführten Energie von Maschinen die gemäß dem Stand der Technik konzipiert sind.In addition, since all the fluid flows through the turbine in the form of a pumpable slurry, its hydraulic efficiency can be set as high as is consistent with modern turbomachinery design practice. The impeller element described in the prior art can be designed according to standard design principles, and its efficiency can be high. But the slinger described in the prior art serves as a "hold-back" means. It absorbs engine power at little apparent advantage. With respect to the slurry in the casing, it operates in a "start-up" condition, its hydraulic efficiency being very low. The small increase in discharge pressure observed by Zingg and Stoskopf (1966) is due to the fact that the peripheral speed of the slinger is necessarily greater than that of the impeller, and this "excess speed" can be recovered as pressure by a suitable diffuser means. However, the effect is always small and its contribution to the overall efficiency of the devices described in the prior art is practically negligible. A slinger consumes power that is not used for pumping or mixing but is lost directly as heat. The mixer disclosed herein does not pit an inefficient slinger against a potentially efficient impeller. The normal drop in discharge pressure with increased capacity becomes a positive advantage rather than an insurmountable flaw in the design. Under comparable operating conditions, the mixer consumes about half the input power of machines designed according to the prior art.

Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist es, daß eine Turbinenkonfiguration aus einer größeren Gruppe von Standardtypen ausgewählt werden kann, als es beim Entwurf von Maschinen auf Basis der Lehre des Stands der Technik möglich war. Eine Turbinenkonfiguration kann aus einem Spektrum ausgewählt werden, dessen Grenzen im Bereich von "Radialfluß"- bis "Mischfluß"- Konfigurationen reichen. Eine "Vortex"- oder "Impeller-mit- Ausnehmung"-Konfiguration kann gemäß dieser Erfindung ebenfalls ausgewählt werden.A further advantage of the method is that a turbine configuration can be selected from a larger group of standard types than was possible when designing machines based on the teachings of the prior art. A turbine configuration can be selected from a spectrum, the limits of which range from "radial flow" to "mixed flow" configurations. A "vortex" or "impeller-with-recess" configuration can also be selected in accordance with this invention.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die hierin offenbarte Vorrichtung kleiner und billiger ist als Vorrichtungen, die gemäß dem Stand der Technik entworfen wurden.A further advantage is that the device disclosed herein is smaller and less expensive than devices designed according to the prior art.

Ein weiterer Vorteil ist, daß die hierin beschriebene Vorrichtung in einer Vielzahl von Ölfeldanwendungen verwendet werden kann. Das Mischen von Zementpulver wird verwendet, um ihren Betrieb ausführlich zu veranschaulichen, da Zementaufschlämmungen schwierig zu mischen sind. Gemäß der Lehre des Standes der Technik ausgelegte Mischer waren ausschließlich als Sandmischer vorgesehen. Sie können unter vielen Bedingungen keine Zementaufschlämmung einer akzeptablen Qualität mischen. Zementteilchen bilden leicht Pasten und Agglomerate, die aufgrund der geringen Teilchengröße schwierig in eine konsistente Aufschlämmung zu dispergieren sind. Mischer, die gemäß dem Stand der Technik entworfen wurden, können auch keine akzeptable Gel- oder Polymerlösung mischen. Wasserlösliche Polymere sind ebenfalls schwierig in wäßrigen Medien zu dispergieren. Viele von ihnen sind tatsächlich in einem Medium, das bereits gelöstes Polymer enthält, nicht dispergierbar. Folglich erzeugt ein Mischer, der Polymerpulver nicht in unmittelbaren direkten Kontakt mit einem frischen wäßrigen Medium bringt, ein Produkt minderer Qualität. Der hierin offenbarte Mischer verlangt den Kontakt von Feststoffpartikeln mit frischem Auffüllfluid im geeigneten Feststoff-Flüssigkeits-Verhältnis und hält dieses Verhältnis während ihrer Passage durch die Vorrichtung aufrecht. Folglich mischt er Aufschlämmungen mit hoher Qualität, gleichgültig, ob von Zement, Gel oder Sand.Another advantage is that the apparatus described herein can be used in a variety of oilfield applications. Mixing of cement powder is used to illustrate its operation in detail because cement slurries are difficult to mix. Mixers designed according to the teachings of the prior art were intended exclusively as sand mixers. They cannot mix cement slurry of acceptable quality under many conditions. Cement particles easily form pastes and agglomerates which are difficult to mix into a consistent slurry. Mixers designed in accordance with the prior art also cannot mix an acceptable gel or polymer solution. Water-soluble polymers are also difficult to disperse in aqueous media. In fact, many of them are not dispersible in a medium that already contains dissolved polymer. Consequently, a mixer that does not bring polymer powder into immediate direct contact with a fresh aqueous medium will produce a poor quality product. The mixer disclosed herein requires contact of solid particles with fresh make-up fluid in the appropriate solid-to-liquid ratio and maintains that ratio during their passage through the device. Consequently, it mixes high quality slurries, whether of cement, gel or sand.

Ein weiterer Vorteil ist, daß der hierin offenbarte Mischer einen großen Fluß von Feststoffteilchen, deren Dichte geringer ist als die der Flüssigkeit, die ebenfalls Bestandteil des Gemisches ist, verarbeiten kann. Gemäß dem Stand der Technik entworfene Maschinen sind fähig, kleine Verhältnisse von Feststoffen mit geringer Dichte zu verarbeiten aufgrund des Umlaufs des Gemisches in den durch die Slingerschaufeln definierten Kammern, aber sie versagen bei den typischerweise höheren Raten. Da dieser Mischer die zuströmenden Teilchen mit dem vollständigen Volumenfluß frischer Auffüllflüssigkeit an der Luft-Flüssigkeits-Grenzfläche in Kontakt bringt, ist ein Mischen von Teilchen mit geringer Dichte bei hohen Feststoff- Flüssigkeits-Verhältnissen nicht ausgeschlossen.Another advantage is that the mixer disclosed herein can handle a large flow of solid particles having a density less than that of the liquid also comprising the mixture. Prior art designed machines are capable of handling small ratios of low density solids due to the circulation of the mixture in the chambers defined by the slinger blades, but they fail at the typically higher rates. Since this mixer contacts the incoming particles with the full volume flow of fresh make-up liquid at the air-liquid interface, mixing of low density particles at high solid-liquid ratios is not precluded.

Claims

1. A method for mixing a pumpable liquid and a particulate material, comprising:

(a) whirling a body of liquid by means of a turbine device about an axis in such a way that a vortex or an eye is created, the interface between the liquid and the atmosphere being substantially coaxial with the axis of rotation of the body of liquid, and in such a way that an increasing radial pressure gradient is created from the interface to the circumferential radius of the body of liquid,

(b) adjusting the pressure of a liquid to be applied so that it is greater than the minimum pressure and less than the maximum pressure of the swirling liquid body,

(c) introducing a supply of the liquid to be prepared into the swirling liquid body via an annular section whose inner radius is larger than the radius of the eye and whose outer radius is smaller than the radius of the swirling liquid body,

(d) introducing particulate material into the eye and propelling the particles through the interface and into the liquid to be prepared where the two are mixed together,

(e) withdrawing the mixture of the two at a radius greater than that of the swirling fluid body.

2. The method according to claim 1, wherein the pressure of the liquid to be prepared is regulated by rotation of the turbine.

3. A method according to claim 2, wherein fresh liquid to be prepared is introduced at an absolute pressure between the vapor pressure of the liquid to be prepared and an absolute pressure of 1.5 atmospheres.

4. The method of claim 1, wherein the particulate material is cement and the liquid is an aqueous composition.

5. The method of claim 1, wherein the particulate material is a proppant for an earth formation and the liquid is a gel composition.

6. The method of claim 1, wherein the particulate material is a hydratable polymer and the liquid is an aqueous composition.

7. A method for mixing a pumpable liquid and a particulate material, comprising:

(a) swirling a body of liquid about an axis by applying a force to a turbine such that a vortex is created, the interface between the liquid and the atmosphere being substantially coaxial with the axis of rotation of the turbine, and such that an increasing radial pressure gradient is created from the interface to the circumferential radius of the turbine,

(b) swirling a body of liquid to be prepared on the opposite side of the turbine in such a way that a decreasing radial pressure gradient is created from a radius greater than that of the vortex to a radius greater than one-tenth of the radius of the vortex,

(c) introducing swirling liquid to be prepared into the swirling liquid body via an annular inlet section whose inner radius is larger than the radius of the vortex and whose outer radius is smaller than the radius of the turbine,

(d) introducing particulate material into the vortex and throwing the particles through the interface and into the liquid to be prepared, where the two are mixed together,

(e) removing the mixture of the two from a casing containing the turbine,

(f) introducing fresh make-up liquid into the body of make-up liquid from a liquid suction line to the turbine.

8. Apparatus for mixing liquid and particulate solids, comprising:

(a) a shell or closed housing (20) having a generally circular peripheral wall, a top, a bottom, a mixture outlet means (58), the mixture outlet means being coupled to the peripheral wall, a particulate solid inlet conduit (17), the inlet conduit being centrally located on the top, an annular liquid inlet means (46), the liquid inlet means being centrally located in the bottom,

(b) a rotatable turbine (22), the turbine being disposed within the housing and spaced from the peripheral wall, the axis of rotation of the turbine being coaxial with the longitudinal axis of the housing, the turbine having an open portion opposite the particulate solids inlet bore and an open portion (26) opposite the liquid inlet means,

(c) a continuation of the casing or housing (20) which, together with the annular open portion (26) of the turbine, forms an inlet zone (40) located below the peripheral part of the turbine,

(d) Means for rotating the turbine.

9. Apparatus according to claim 8, wherein the turbine is equipped with blades that extend into the annular inlet means for liquids.

10. Apparatus according to claim 9, wherein the inlet means for liquids is equipped with stator blades.

11. The apparatus of claim 8, wherein the configuration of the turbine is selected from the group consisting of radial flow turbines, Francis turbines and mixed flow turbines.

12. The apparatus of claim 11, wherein the turbine includes a top cover with pump-back vanes.

13. The apparatus of claim 8, wherein the configuration of the turbine is of vortex type or impeller type with recess.

14. The device of claim 8, wherein the housing is wound in an axial direction.