靜態(tài)混合器昀微顏研究與工業(yè)化應(yīng)用進展

石大留戀

從化學(xué)工程出發(fā)，采用新的設(shè)備和技術(shù)，通過強化化工生
產(chǎn)過程來實現(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
明顯趨勢。在大宗有機化工原料生產(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)進行流體混合的一種管狀混合設(shè)備。國內(nèi)外
已進行工業(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)混合器微觀研究進展
近年來隨著計算機性能的提高和計算流體力學(xué)的發(fā)展，各
種CFD軟件功能日益強大，靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬漸趨成熟；
同時激光多普勒測速技術(shù)的廣泛應(yīng)用和不斷發(fā)展，為揭示靜態(tài)
混合器內(nèi)部流動特性的研究提供了基礎(chǔ)，因此國內(nèi)許多學(xué)者在
對其進行微觀研究并取得了相應(yīng)的進展，豐富了靜態(tài)混合器的
應(yīng)用基礎(chǔ)研究。
分別對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，首次從理論上提出將流體在靜態(tài)混合器中的
流動分解為直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，然后用流體力學(xué)和傳熱學(xué)的
理論對這兩種運動狀態(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★基金項目：國家“十五”科技攻關(guān)項目(20o4BA3l9B1)
設(shè)計領(lǐng)域，可以實施液壓系統(tǒng)的異地協(xié)同設(shè)計，對液壓系統(tǒng)的設(shè)
計提供了一個全新的計算機輔助手段。創(chuàng)建基于網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的
液壓系統(tǒng)協(xié)同設(shè)計環(huán)境，提高了液壓系統(tǒng)設(shè)計質(zhì)量，降低了設(shè)計
成本，縮短了設(shè)計周期。
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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)用進展 第5期
能進行分析研究，分別得到這兩種運動狀態(tài)下流動阻力(Ap)和
努塞爾數(shù)(』、 )的計算式，然后進行疊加得到sK型靜態(tài)混合管
和』、 的計算式，并與通過實驗測定不同流量、管徑下流體流
經(jīng)靜態(tài)混合管的壓力降和傳熱效率進行比較分析。
利用數(shù)值模擬計算 在分析了氣泡平均馳豫時間的基礎(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；并通過空氣一水
系統(tǒng)的壓力降實驗指出：計算流體力學(xué)模擬能夠很好地預(yù)測
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)計的有效
手段；利用PIV技術(shù)測量了混合單元后的各個流動工況下的流
場，分析了流場的特性；模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比表明，流場特
性的模擬是可行的。
采用計算流體動力學(xué)CFI)方法，計算了含靜態(tài)混合元件
爐管內(nèi)的流場I．】。數(shù)值模擬結(jié)果表明，采用靜態(tài)混合元件的乙烯
爐管中流體的混臺被強化，從而強化了傳熱。根據(jù)其數(shù)值模擬的
速度場，提出了一種基于速度分析的CFI)結(jié)果評價方法，定性
和近似定量地演繹了工程測試的數(shù)據(jù)，使計算模型和數(shù)值模擬
結(jié)果在實驗中得到了驗證。
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)值模擬與實驗室的實驗論證得到其具有較好的混合性
能。
采用大渦模擬方法 對內(nèi)置翼片管式靜態(tài)混合器內(nèi)部的
流場和濃度場進行了研究，對比了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％。同時還發(fā)現(xiàn)，在長翼
片背后可形成兩個逆向旋轉(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，湍流強度增強。該流場結(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。
從微尺度流動的特征出發(fā)嘲，設(shè)計了一種新型靜態(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，
減少混合長度，從而增強分子擴散作用，達(dá)到分子級混合。運用
流場仿真技術(shù)分析了微型混合器內(nèi)流場的運動規(guī)律，闡述了發(fā)
生混合的機理。羅丹明染料的混合試驗可以直觀地檢測微型混
合器的混合效果，同時采用計算圖像灰度值標(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和壓差計法{91對改進型Ross靜態(tài)混合器中對牛
頓流體的流動進行了實驗研究，并對空管和5單元的改進型
Ross靜態(tài)混合器的流動進行了數(shù)值模擬，將實驗與數(shù)值模擬結(jié)
果進行了比較，證實二者的結(jié)果一致。并得到改進型Ross靜態(tài)
混合器中牛頓流體流動的壓力降與雷諾數(shù)和靜態(tài)混合器長徑比
的關(guān)系為：△p14．723R,aLss(／／O)~~-puz／2；同時指出在Re=20000
時，實驗壓力降的=因子有最大值；整個靜態(tài)混合器的壓力降
(流動阻力)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，比利時有直徑為4,=1600mm的靜態(tài)混合器作為聚合塔
正在使用。
相對于國外。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，
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，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
都沒有針對注聚合物溶液的特殊要求進行專門研究。從現(xiàn)場使
用效果來看，這些靜態(tài)混合器對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)混器進行混和實驗研究，三種混合元件
都是低降解的靜態(tài)混合器，當(dāng)混合元件的個數(shù)不超過585個時，
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；混合實驗表明：對
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，將大大推進我國大宗有機化工原料生產(chǎn)技術(shù)進步，應(yīng)
用到更多類型的化工反應(yīng)和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，對實現(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
范作用。
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