靜態(tài)混合器昀微顏研究與工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展

石大留戀

從化學(xué)工程出發(fā)，采用新的設(shè)備和技術(shù)，通過強(qiáng)化化工生
產(chǎn)過程來實(shí)現(xiàn)安全、清潔、高效化工生產(chǎn)是化學(xué)工業(yè)發(fā)展是一個(gè)
明顯趨勢(shì)。在大宗有機(jī)化工原料生產(chǎn)過程引入靜態(tài)混合反應(yīng)和
裝置得到化工過程強(qiáng)化既能顯著減小工廠和設(shè)備體積又能高效
節(jié)能、清潔、可持續(xù)發(fā)展的化工生產(chǎn)。
1靜態(tài)混合器簡(jiǎn)介
靜態(tài)混合器是工藝流程中一種在線的新型、高效混合設(shè)備。
靜態(tài)混合器是借助于流體管路的各種不同結(jié)構(gòu)混合單元，得以在
很寬的雷諾數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行流體混合的一種管狀混合設(shè)備。國內(nèi)外
已進(jìn)行工業(yè)性生產(chǎn)或正在使用著的靜態(tài)混合器主要型號(hào)有SK
型、SV型、SX型、SH型、sL型和Rosa—IsG型以及單管多旋Ⅱ靜態(tài)
混合器。目前國內(nèi)主要研究和廣泛應(yīng)用的是SK靜態(tài)混合器和SV
型，其中SK靜態(tài)混合器已經(jīng)被認(rèn)為“標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)混合器”。
2靜態(tài)混合器微觀研究進(jìn)展
近年來隨著計(jì)算機(jī)性能的提高和計(jì)算流體力學(xué)的發(fā)展，各
種CFD軟件功能日益強(qiáng)大，靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬漸趨成熟；
同時(shí)激光多普勒測(cè)速技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，為揭示靜態(tài)
混合器內(nèi)部流動(dòng)特性的研究提供了基礎(chǔ)，因此國內(nèi)許多學(xué)者在
對(duì)其進(jìn)行微觀研究并取得了相應(yīng)的進(jìn)展，豐富了靜態(tài)混合器的
應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
分別對(duì)SK型、SV型靜態(tài)混合器的流體力學(xué)性能和傳熱性
能口 行了研究時(shí)，首次從理論上提出將流體在靜態(tài)混合器中的
流動(dòng)分解為直線運(yùn)動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，然后用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的
理論對(duì)這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下靜態(tài)混合管的流體力學(xué)性能和傳熱性
★來稿百期：2006-09-29★基金項(xiàng)目：國家“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目(20o4BA3l9B1)
設(shè)計(jì)領(lǐng)域，可以實(shí)施液壓系統(tǒng)的異地協(xié)同設(shè)計(jì)，對(duì)液壓系統(tǒng)的設(shè)
計(jì)提供了一個(gè)全新的計(jì)算機(jī)輔助手段。創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的
液壓系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計(jì)環(huán)境，提高了液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低了設(shè)計(jì)
成本，縮短了設(shè)計(jì)周期。
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一212一 禹言芳等：靜態(tài)混合器的微觀研究與．r-g4~,應(yīng)用進(jìn)展 第5期
能進(jìn)行分析研究，分別得到這兩種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下流動(dòng)阻力(Ap)和
努塞爾數(shù)(』、 )的計(jì)算式，然后進(jìn)行疊加得到sK型靜態(tài)混合管
和』、 的計(jì)算式，并與通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定不同流量、管徑下流體流
經(jīng)靜態(tài)混合管的壓力降和傳熱效率進(jìn)行比較分析。
利用數(shù)值模擬計(jì)算 在分析了氣泡平均馳豫時(shí)間的基礎(chǔ)
上，結(jié)合 湍流模型，利用平衡流模型模擬靜態(tài)混合器內(nèi)形成的
稀疏湍流氣泡流，得到了混合器內(nèi)兩相流流場(chǎng)；并通過空氣一水
系統(tǒng)的壓力降實(shí)驗(yàn)指出：計(jì)算流體力學(xué)模擬能夠很好地預(yù)測(cè)
SMV型靜態(tài)混合器內(nèi)氣泡流的壓降，是靜態(tài)混合器設(shè)計(jì)的有效
手段；利用PIV技術(shù)測(cè)量了混合單元后的各個(gè)流動(dòng)工況下的流
場(chǎng)，分析了流場(chǎng)的特性；模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明，流場(chǎng)特
性的模擬是可行的。
采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)CFI)方法，計(jì)算了含靜態(tài)混合元件
爐管內(nèi)的流場(chǎng)I．】。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用靜態(tài)混合元件的乙烯
爐管中流體的混臺(tái)被強(qiáng)化，從而強(qiáng)化了傳熱。根據(jù)其數(shù)值模擬的
速度場(chǎng)，提出了一種基于速度分析的CFI)結(jié)果評(píng)價(jià)方法，定性
和近似定量地演繹了工程測(cè)試的數(shù)據(jù)，使計(jì)算模型和數(shù)值模擬
結(jié)果在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。
在研究Kenies靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上自行開發(fā)研制了混合
元件可以變速轉(zhuǎn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)式Kenics靜態(tài)混合器閣，并通過CFI)
軟件的數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)論證得到其具有較好的混合性
能。
采用大渦模擬方法 對(duì)內(nèi)置翼片管式靜態(tài)混合器內(nèi)部的
流場(chǎng)和濃度場(chǎng)進(jìn)行了研究，對(duì)比了3種不同結(jié)構(gòu)尺寸的翼片的
混合效果和沿混合器軸線的壓力損失。數(shù)值模擬結(jié)果表明：小翼
片的壓力損失最小，但混合效果最差；長(zhǎng)翼片的混合效果略好于
大翼片，但其壓力損失僅為大翼片的67％。同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)翼
片背后可形成兩個(gè)逆向旋轉(zhuǎn)的大渦，使混合器中心區(qū)域速度梯
度增大，剪切作用明顯，湍流強(qiáng)度增強(qiáng)。該流場(chǎng)結(jié)構(gòu)能有效地驅(qū)
使混合器中心高濃度流體流向壁面，從而增大高濃度流體和低
濃度流體的接觸面積，改善混合條件，而且壓力損失僅是SK型
靜態(tài)混合器的1／12～l，3m，故長(zhǎng)翼片是一種值得推廣使用的翼
片結(jié)構(gòu)形式。
從微尺度流動(dòng)的特征出發(fā)嘲，設(shè)計(jì)了一種新型靜態(tài)微型混
合器，通過在微通道內(nèi)設(shè)置導(dǎo)流塊的方式誘發(fā)橫向的速度分量，
減少混合長(zhǎng)度，從而增強(qiáng)分子擴(kuò)散作用，達(dá)到分子級(jí)混合。運(yùn)用
流場(chǎng)仿真技術(shù)分析了微型混合器內(nèi)流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，闡述了發(fā)
生混合的機(jī)理。羅丹明染料的混合試驗(yàn)可以直觀地檢測(cè)微型混
合器的混合效果，同時(shí)采用計(jì)算圖像灰度值標(biāo)準(zhǔn)差的方法定量
分析了微型混合器的性能與結(jié)構(gòu)參數(shù)、流量的關(guān)系。
采用PIV和壓差計(jì)法{91對(duì)改進(jìn)型Ross靜態(tài)混合器中對(duì)牛
頓流體的流動(dòng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對(duì)空管和5單元的改進(jìn)型
Ross靜態(tài)混合器的流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，將實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬結(jié)
果進(jìn)行了比較，證實(shí)二者的結(jié)果一致。并得到改進(jìn)型Ross靜態(tài)
混合器中牛頓流體流動(dòng)的壓力降與雷諾數(shù)和靜態(tài)混合器長(zhǎng)徑比
的關(guān)系為：△p14．723R,aLss(／／O)~~-puz／2；同時(shí)指出在Re=20000
時(shí)，實(shí)驗(yàn)壓力降的=因子有最大值；整個(gè)靜態(tài)混合器的壓力降
(流動(dòng)阻力)主要集中在混合單元區(qū)域。
3靜態(tài)混合器的工業(yè)化應(yīng)用進(jìn)展
將靜態(tài)混合應(yīng)用于化學(xué)反應(yīng)過程的研究逐年增多，國外應(yīng)
用靜態(tài)混合反應(yīng)技術(shù)取代傳統(tǒng)的機(jī)械攪拌聚合釜，已在聚合物
的本體聚合等生產(chǎn)中得到應(yīng)用，瑞士蘇爾士的靜態(tài)混合聚苯乙
烯技術(shù)工業(yè)化，首次在日本大油墨公司化工廠以3萬 的規(guī)模
投入生產(chǎn)，德國已將直徑為ck=1250mm靜態(tài)混合器用于錦綸6
聚合塔，比利時(shí)有直徑為4,=1600mm的靜態(tài)混合器作為聚合塔
正在使用。
相對(duì)于國外。國內(nèi)靜態(tài)混合及靜態(tài)混合反應(yīng)技術(shù)的應(yīng)用尚
較少，研究開發(fā)的單位也較集中。上�；�工研究院在混合元件的
研究開發(fā)方面做了大量的工作，其水平處國內(nèi)領(lǐng)先；清華大學(xué)利
用靜態(tài)混合技術(shù)進(jìn)行萃取等應(yīng)用研究，處于國內(nèi)領(lǐng)先水平；浙江
大學(xué)利用靜態(tài)混合反應(yīng)技術(shù)進(jìn)行乙氧基化反應(yīng)的研究取得了較
好的效果。
油田三次采油中，需將聚合物母液和水經(jīng)由靜態(tài)混合器混
合后注入井下，由于聚合物是一種高分子物質(zhì)，分子鏈持別長(zhǎng)，
受剪切作用易被剪斷，剪斷后的高分子聚合物使井下油層中的
驅(qū)油效果明顯下降。在工業(yè)生產(chǎn)中，一般要求當(dāng)聚丙烯酰胺溶液
通過靜態(tài)混合器時(shí)，其黏度降低率應(yīng)小于2％。目前，從化工行
業(yè)移植過來用于油田聚合物站上的靜態(tài)混合器大體有SMV型、
SMX型、SML型、K型和K型與SMX型組合型，這些混合器大
都沒有針對(duì)注聚合物溶液的特殊要求進(jìn)行專門研究。從現(xiàn)場(chǎng)使
用效果來看，這些靜態(tài)混合器對(duì)于聚合物黏度的降低過大。何浩
淼、黃雄斌【 等人在分析和選擇KENICS—I型、ROSE—I型和立交
盤靜態(tài)混合器三種靜態(tài)混器進(jìn)行混和實(shí)驗(yàn)研究，三種混合元件
都是低降解的靜態(tài)混合器，當(dāng)混合元件的個(gè)數(shù)不超過585個(gè)時(shí)，
黏度降低率均小于2％ ，都達(dá)到了工業(yè)生產(chǎn)的要求，其中立交盤
元件的降解最小，ROSE—I型元件的降解最大；混合實(shí)驗(yàn)表明：對(duì)
于聚丙烯酰胺溶液推薦使用ROSE—I型和立交盤靜態(tài)混合器。
4結(jié)論
靜態(tài)混合技術(shù)改變了反應(yīng)介質(zhì)混合的方式、轉(zhuǎn)化率高、安
全性能好，能夠顯著提高產(chǎn)品收率和質(zhì)量，縮短反應(yīng)周期，降低
生產(chǎn)裝置投資，減少“三廢”排放量。將靜態(tài)混合反應(yīng)技術(shù)及其裝
置引入大宗有機(jī)化工原料生產(chǎn)過程，取代傳統(tǒng)的攪拌反應(yīng)技術(shù)
及反應(yīng)器，將大大推進(jìn)我國大宗有機(jī)化工原料生產(chǎn)技術(shù)進(jìn)步，應(yīng)
用到更多類型的化工反應(yīng)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對(duì)實(shí)現(xiàn)各種大型反
應(yīng)裝備的國產(chǎn)化和利用高新技術(shù)改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)均具有明顯的示
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