靜態(tài)混合器昀微顏研究與工業(yè)化應用進展

石大留戀

從化學工程出發(fā)，采用新的設備和技術，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(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)被認為“標準靜態(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的廣泛應用和不斷發(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，因此國內(nèi)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(tài)混合器的
應用基礎研究。
分別對SK型、SV型靜態(tài)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(tài)混合器中的
流動分解為直線運動和旋轉(zhuǎn)運動，然后用流體力學和傳熱學的
理論對這兩種運動狀態(tài)下靜態(tài)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(tǒng)的異地協(xié)同設計，對液壓系統(tǒng)的設
計提供了一個全新的計算機輔助手段。創(chuàng)建基于網(wǎng)絡環(huán)境下的
液壓系統(tǒng)協(xié)同設計環(huán)境，提高了液壓系統(tǒng)設計質(zhì)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(tài)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(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
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：計算流體力學模擬能夠很好地預測
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(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，設計了一種新型靜態(tài)微型混
合器，通過在微通道內(nèi)設置導流塊的方式誘發(fā)橫向的速度分量，
減少混合長度，從而增強分子擴散作用，達到分子級混合。運用
流場仿真技術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準差的方法定量
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)化應用進展
將靜態(tài)混合應用于化學反應過程的研究逐年增多，國外應
用靜態(tài)混合反應技術取代傳統(tǒng)的機械攪拌聚合釜，已在聚合物
的本體聚合等生產(chǎn)中得到應用，瑞士蘇爾士的靜態(tài)混合聚苯乙
烯技術工業(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)混合反應技術的應用尚
較少，研究開發(fā)的單位也較集中。上海化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)領先；清華大學利
用靜態(tài)混合技術進行萃取等應用研究，處于國內(nèi)領先水平；浙江
大學利用靜態(tài)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(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，一般要求當聚丙烯酰胺溶液
通過靜態(tài)混合器時，其黏度降低率應小于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)混合技術改變了反應介質(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)混合反應技術及其裝
置引入大宗有機化工原料生產(chǎn)過程，取代傳統(tǒng)的攪拌反應技術
及反應器，將大大推進我國大宗有機化工原料生產(chǎn)技術進步，應
用到更多類型的化工反應和工業(yè)生產(chǎn)領域，對實現(xiàn)各種大型反
應裝備的國產(chǎn)化和利用高新技術改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)均具有明顯的示
范作用。
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