靜態混合器昀微顏研究與工業化應用進展

石大留戀

從化學工程出發，采用新的設備和技術，通過強化化工生
產過程來實現安全、清潔、高效化工生產是化學工業發展是一個
明顯趨勢。在大宗有機化工原料生產過程引入靜態混合反應和
裝置得到化工過程強化既能顯著減小工廠和設備體積又能高效
節能、清潔、可持續發展的化工生產。
1靜態混合器簡介
靜態混合器是工藝流程中一種在線的新型、高效混合設備。
靜態混合器是借助于流體管路的各種不同結構混合單元，得以在
很寬的雷諾數范圍內進行流體混合的一種管狀混合設備。國內外
已進行工業性生產或正在使用著的靜態混合器主要型號有SK
型、SV型、SX型、SH型、sL型和Rosa—IsG型以及單管多旋Ⅱ靜態
混合器。目前國內主要研究和廣泛應用的是SK靜態混合器和SV
型，其中SK靜態混合器已經被認為“標準靜態混合器”。
2靜態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的發展，各
種CFD軟件功能日益強大，靜態混合器的數值模擬漸趨成熟；
同時激光多普勒測速技術的廣泛應用和不斷發展，為揭示靜態
混合器內部流動特性的研究提供了基礎，因此國內許多學者在
對其進行微觀研究并取得了相應的進展，豐富了靜態混合器的
應用基礎研究。
分別對SK型、SV型靜態混合器的流體力學性能和傳熱性
能口 行了研究時，首次從理論上提出將流體在靜態混合器中的
流動分解為直線運動和旋轉運動，然后用流體力學和傳熱學的
理論對這兩種運動狀態下靜態混合管的流體力學性能和傳熱性
★來稿百期：2006-09-29★基金項目：國家“十五”科技攻關項目(20o4BA3l9B1)
設計領域，可以實施液壓系統的異地協同設計，對液壓系統的設
計提供了一個全新的計算機輔助手段。創建基于網絡環境下的
液壓系統協同設計環境，提高了液壓系統設計質量，降低了設計
成本，縮短了設計周期。
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一212一 禹言芳等：靜態混合器的微觀研究與．r-g4~,應用進展 第5期
能進行分析研究，分別得到這兩種運動狀態下流動阻力(Ap)和
努塞爾數(』、 )的計算式，然后進行疊加得到sK型靜態混合管
和』、 的計算式，并與通過實驗測定不同流量、管徑下流體流
經靜態混合管的壓力降和傳熱效率進行比較分析。
利用數值模擬計算 在分析了氣泡平均馳豫時間的基礎
上，結合 湍流模型，利用平衡流模型模擬靜態混合器內形成的
稀疏湍流氣泡流，得到了混合器內兩相流流場；并通過空氣一水
系統的壓力降實驗指出：計算流體力學模擬能夠很好地預測
SMV型靜態混合器內氣泡流的壓降，是靜態混合器設計的有效
手段；利用PIV技術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；模擬結果與實驗結果對比表明，流場特
性的模擬是可行的。
采用計算流體動力學CFI)方法，計算了含靜態混合元件
爐管內的流場I．】。數值模擬結果表明，采用靜態混合元件的乙烯
爐管中流體的混臺被強化，從而強化了傳熱。根據其數值模擬的
速度場，提出了一種基于速度分析的CFI)結果評價方法，定性
和近似定量地演繹了工程測試的數據，使計算模型和數值模擬
結果在實驗中得到了驗證。
在研究Kenies靜態混合器的基礎上自行開發研制了混合
元件可以變速轉動的旋轉式Kenics靜態混合器閣，并通過CFI)
軟件的數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 對內置翼片管式靜態混合器內部的
流場和濃度場進行了研究，對比了3種不同結構尺寸的翼片的
混合效果和沿混合器軸線的壓力損失。數值模擬結果表明：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％。同時還發現，在長翼
片背后可形成兩個逆向旋轉的大渦，使混合器中心區域速度梯
度增大，剪切作用明顯，湍流強度增強。該流場結構能有效地驅
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
片結構形式。
從微尺度流動的特征出發嘲，設計了一種新型靜態微型混
合器，通過在微通道內設置導流塊的方式誘發橫向的速度分量，
減少混合長度，從而增強分子擴散作用，達到分子級混合。運用
流場仿真技術分析了微型混合器內流場的運動規律，闡述了發
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準差的方法定量
分析了微型混合器的性能與結構參數、流量的關系。
采用PIV和壓差計法{91對改進型Ross靜態混合器中對牛
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靜態混合器的流動進行了數值模擬，將實驗與數值模擬結
果進行了比較，證實二者的結果一致。并得到改進型Ross靜態
混合器中牛頓流體流動的壓力降與雷諾數和靜態混合器長徑比
的關系為：△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；整個靜態混合器的壓力降
(流動阻力)主要集中在混合單元區域。
3靜態混合器的工業化應用進展
將靜態混合應用于化學反應過程的研究逐年增多，國外應
用靜態混合反應技術取代傳統的機械攪拌聚合釜，已在聚合物
的本體聚合等生產中得到應用，瑞士蘇爾士的靜態混合聚苯乙
烯技術工業化，首次在日本大油墨公司化工廠以3萬 的規模
投入生產，德國已將直徑為ck=1250mm靜態混合器用于錦綸6
聚合塔，比利時有直徑為4,=1600mm的靜態混合器作為聚合塔
正在使用。
相對于國外。國內靜態混合及靜態混合反應技術的應用尚
較少，研究開發的單位也較集中。上海化工研究院在混合元件的
研究開發方面做了大量的工作，其水平處國內領先；清華大學利
用靜態混合技術進行萃取等應用研究，處于國內領先水平；浙江
大學利用靜態混合反應技術進行乙氧基化反應的研究取得了較
好的效果。
油田三次采油中，需將聚合物母液和水經由靜態混合器混
合后注入井下，由于聚合物是一種高分子物質，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
驅油效果明顯下降。在工業生產中，一般要求當聚丙烯酰胺溶液
通過靜態混合器時，其黏度降低率應小于2％。目前，從化工行
業移植過來用于油田聚合物站上的靜態混合器大體有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。從現場使
用效果來看，這些靜態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
盤靜態混合器三種靜態混器進行混和實驗研究，三種混合元件
都是低降解的靜態混合器，當混合元件的個數不超過585個時，
黏度降低率均小于2％ ，都達到了工業生產的要求，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型和立交盤靜態混合器。
4結論
靜態混合技術改變了反應介質混合的方式、轉化率高、安
全性能好，能夠顯著提高產品收率和質量，縮短反應周期，降低
生產裝置投資，減少“三廢”排放量。將靜態混合反應技術及其裝
置引入大宗有機化工原料生產過程，取代傳統的攪拌反應技術
及反應器，將大大推進我國大宗有機化工原料生產技術進步，應
用到更多類型的化工反應和工業生產領域，對實現各種大型反
應裝備的國產化和利用高新技術改造傳統產業均具有明顯的示
范作用。
參考文獻
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