静态混合器的选择及设计应用.pdf

2 4 静 态混 合器 的选 择及 设 计 应 用 静态混合器的选择及设计应用 蟹造 (青 岛 化 工 厂，青 岛 市 2 6 60 4 2)T 0 o t-(、7 摘要简述 1静态混 合器 的结构特点、混 合机 理及 混合形态。介绍 7静态混合器 在反应 系统 中的选 用，着 重介 绍 了静态混合器在 盐水 中和反应系统 中的应用实倒 关 键 词 兰 璺堂 机 理混 合 彤 态反 应 系 统差 墨 生 墨 臣 _ 岳 浚 1 前言 2 静态混合器的选择 在化工及其它工业生产过程 中，长期 以来 一直采用在流体管路 中设置折流板或迷宫来扰 乱流体的流动或改变流体的运动方 向，促进热 传导和层流状 态下 的反应。利用带有折流板和 缩扩管的管路，或采用喷射 口等产生湍流混 合，也常是可行的办法。但 由于这些装置过于简单，对于粘度 范围很宽 的流体，他们都不 能作 为进 行混 合搅拌的有效手段。另外，虽然靠机械 传动驱动 的混 合机构仍 是 目前混 合搅拌操作 中的主流，但这种具有机 械传动部分的搅拌机 已难 以满 足近年来对生 产工 艺的连续化、高效化、节 能化、装置小型 化以及免除经常性 维修等方面的迫切要求。静态混合器 的定义为“借助流体管路 的不 同结 构，而又没有 机械可 动部分 的流体管路结 构体”因而借助于折流板或简单 的迷宫和流体 的惯性(湍流区和过渡区)进 行混 合的管路结构 体，均不属于静态混 合器。静态混 合器 的发 展始 于 7 0年代初，在 化 工、石油、化 纤、油脂、食 品和环境保护等领 域逐步得 到应 用，而且在作 为化工单元操作 的 搅拌、萃取、气体吸收、反应、热 交换、溶解、分散、粉粒料 混 合等方 面迅 速发展 进而 使有 效利用这 种特 点的应 用机械 和应用系统的开发 不断地取 得可喜 的成 果。静态混 合器的结构 种类 很多，美国肯尼斯 公 司的 1 8 O。扭 曲叶片错开 9 0 排列 的斯塔 梯克 混 合器、罗斯公 司的交 替重 叠的斜波形板式单 元体相 互错 开 9 O。排 列 的罗斯 1 S G 型混 合 器、科 马克斯公 可的板 的两端相 互折 成 4 5 的辩马 克斯混 合器及瑞士 苏尔士公 司的交替重叠的斜 波形 板式 单 元体相 互 错开 9 0。排 列 的 S MV 型 静 态 混 合 器 和 窄 平 板 相 互 错 开 9 0。排 列 的 B KM 型等 静态混 合器。这些 静态 混合器 各有 优缺点 在其性能方面亦有很大 的差别，但他 们均可使流体在层流或 湍流 的状 态下进行 混 合 操 作。通常将管路断面 中流体 的分 割层数作为混 合度的指标。而混 合器 的指 标仅适 用于两 种流 体的混 合比 1：1，而且是层流 的场 合。如当混 合比为 1 0：2或 1 0 0 t 1 时，很多混合器的混合 度会急剧下降；有些在 层流 时能很好的混合，但 在湍流时混合性能降低 其次即使能够混合 各种流体(液 体、气体、流动的粘弹性 体、靠液 体 或气体进行流动的粉粒料)的混 合器，但 用其相 同结构混 合粉粒料的为数甚少 因粉粒料 的内 部摩擦系数 比壁面摩擦 系数大得 多，所 以选 用 静态混合器时，应充分考虑以上各点否则在 实际应用 中可能事与愿违。维普资讯 http:/ 化 I装 备技 术第 2 0卷 第 2期 l 9 9 9年 3流体 的混 合机理 对于层流和湍流等不 同的场 合，静态混 合 器 内流体混合的机理差别很大。层 流时是“分 割 一位置移动 一重新汇 合”的三要 素对 流体进 行有规则 的反 复作 用，从而述到混合；湍流时，除 上三要 素外 由于流体在流 动的断面 方向 产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体 的细 微部分进 一步被 分割而 混合。虽然 各种混 合器的差异并不取决 于混 合三 要素之首 的位 置移动的 方式，但采 用不同 的方 式，混 合器的结构和混 合性 能却 有很大的差别。4 静态混 合器的混合形态 静 态混 合器的 一般 特 征和优 缺 点见 表 1。静态混合器在基本工 艺流程中的组合方法见图 1所示的两种类 型。在实际应 用中往往将 多种 基本流程组 合在一起 使用。两 种液体汇合部位 的结构，应根据 瘾体的粘度、密度、混 合 比、表 I 静态混合器的特征 项目 特征 优点 缺点 没 有 机 械 翳 曩 ：稚囊 可 动 部 丹 小部位设 置 结构 同娄 部 件 的 组 台体 设 备造价 低 靓 程软 长 减体 通道 复 杂 流体 阻 力，移动 混 台 包 能量揖 失少 无流体 的 括屡 斑混 台)破碎混 台 混 台时 间 恒、耗能少，混 混音撮 作 自流混 台 台状志可 控制 在赢体 断 面 内混 台 鼽向混 音 待混 捞判 斑体、特 柱料 条带状 混 混合形 态 台(层流)层流 一 互溶性等来确定。尤其当两种液体 一接触 就反 应或凝胶 而相 变时，更要注意汇 合部位 的结 构、流速 及混 合器的选 择。主剂 图 1静卷混 台器基 车工 艺漉程 4 1层流的混 合 经 静 态混 合器 混 合后的流 体的混 合形 态 与经具有传动部件的混 合机 或搅 拌机 混 合的混 合形态，有 明显的差别。图 2表 示采用静态混 合器 混 合两种 流体 时 产 生的 典 型层 流 混 合状 态。混 合状态 由条带状变为连续 的或不连续 的 线状及粒子状，而状态的变 化取 决于流体混 合 时的雷诺数和韦伯数。例如 当流速、粘鹿、混 合器直径一定时，如果流体 间表 面张 力大，流 体的混 合形态则从条带状转 向线状，进而变化 到粒子状 图 2层流 中的混 旨状惑 连 续 线 状 C 国 连 续 线状 维普资讯 http:/ 2 6 静态混合器 的选 择及 设计应用 混 合器的单 元效和 直径 随流体 的性 质(粘 度、互溶性、密度)、混合比、希望达到的混合状 态、接触面上液体的结构变化等而不同，可通 过试 验和 经验来确定。通常基于雷诺效并经试 验 确定混 合器 的放大 倍数。但当雷 诺数 R e 1 0 0(严格地 说在 l以下)时，混 合程度、混合状 态与雷 诺效无关，只取决于 混合器 的单元 效。因 此，只要混合统一流体，不论其流速和混合器 直 径多大，经试验确定的单元数都适用。混 合两种有互溶性的牛顿流体时，其 粘度、混 合比与混 合难易程度之 间的关系列于表 2。表 2 混合的难 易程度 4 2 湍流混 合 适合于湍流混 合的静态混 合器采用的是扭 曲叶片的形式。其理 由是，随 着流速 的增大，在 流动的断面方向会产生很 多激 烈的 涡流和很强 的剪切力。由于这种强大的剪切力 的存在，故 可有效地发生气液、液液、固液等的分散及液 液、固液 的溶解。除扭 曲叶片形 式外，其它形式的静态混 合 器，也可 以进行湍流混合，但其供给流体 的能 量大多消耗于流体与壁面的摩擦，用于流体之 间的摩 擦很少。所以，从耗能的角度来看，这 些 结构 劣于扭曲叶片形式的混合器。5混 合 效 果 两种 流体进行 混 合时 的混 合效果 M 可用 下式表示：M-f(p,，P l，P：，l，DF，Q，Ql Q2，V，D，L，)(1)若将该式用无 因次量表示，则 M=f(NR ，Nw o，n，l h，Q】Q2，L D，1 D)(2)式 中 密度 Q一 流 量 粘度 一流 速 L 一混 合器长度 一表 面张 力 D一混 合器 直径 D 一扩 张系数 z 一混 合器 实际长度 一雷 诺效 一 韦 伯 数 一弗鲁德数 一 施密特数 物理量 中下标 l和 2均表示 单一流 体 下标 t 表示混 合流体。在层流且高粘度时，因可忽略惯 性、重 力、密度 的差异，故可将 n、N、p p 忽 略不计。但 在层流且 低粘度时，即使可 忽略 也不能忽略 、及 p。p 。在静态 混 合器 中，特别 当层 流时，混合 比Q。Q。及粘度 比仉 是对混 合效果影响很大 的因数。在湍流 中，可忽略 因数 P m 的影 响 不太大，但其他 因数对混 合效果却有一 定的影 响。一般可 用层 流中流体 的层数表 示混合效果：N=A，口 式 中一 混 合层数 混 合前 的液 流效”一单元数“一混 合器特性值(混合器每个 单元的流 体分割 层数)典型混合器 的特性值 a见表 3。表 3 棍 台器类型 特性 值 n I-i 塔 悌克混 台器(美国)I-i【s G型 已 台器 美国)柑料 用)高 教棍 台萱 摹(日车)(粒料用)维普资讯 http:/ 化 I装备技 术 第 2 0卷 第 2期 1 9 9 9年 2 7 6 静 态混 合器在化工反应单元 中的应用 6 1管道 反应器 将静态混 合器作为管道反应器 用于各 种反 应系统，是 目前正在研 究的课题，其成果正在 不断地显现出来。将静态管道混 合器作为管道 反应器使用，能够获得过去的管道反应器所达 不到的效果：采用静态管道混合器。可使参加 反应 的流体迅速地进行 混 合、分散，以致反应 各组分及温度能够均 匀化；与中空管相比，因 为流体接近 塞流。所以减少 了流体的异常滞 留，可获得质量均 一的反应物。另外，由于采用静态管道 混 合器 还 能实 现反应的连续 化、装置 小型化和节省能源等 目 的。静态管道馄 合器 可用于聚合反应、中和反 应、凝 集处理等 多种 反应 体系，其应用 的领域 正在不断拓展。6 2聚 合反应 因为聚 合反 应一般 都产生 大量 的反应 热，而且流体的粘度高、传热速度慢，所 以常有局 部过热 现象，致使 反应 生成物 的质量较差。对 于这种 聚 合反应 体系，为防止产 生局部过热，可 在反应器 内安 装搅 拌器 或设 置折流板等，以促 进流 体均 匀混 合 但是，即使 采用这种方法，反 应器 内的 流体温度分布 不均及 流体的异常滞留 还是时有发生。若在聚 台反应体 系中应用静态混 合器，就 可使管 内流体温度分布均匀、异常滞 留减少、反 应生成物质量及其收率得到提高 关于静态管 道 混 合器 使 管 内流 体温 度 分布 均 匀的 显著 效 果，以及将静态混 合器作为热交换器使用的情 况，已有 报道。根据这些报道，流体的温差可 控制 3 4；另外在聚苯乙烯、硅酮、聚丙烯、低密度 聚乙烯 等装置 中也使用过或正在使 用静 态管道混 合器 6 3中和 反 应 在 中和反应 中应用静态管道混 合器的典型 倒 子是 p H值的调节，可用来连续地 混台及 中 和废 水 或化工过 程 生产 中的 流体。目前 因 p H 值 的调节几 乎都 采用间歇式处理 方法 故需 设 置较大的储液池等 因而 占地 面积较大。有效 地 使用静态混 合器，可使 p H 调节装置 既 紧凑 又能实现操作连续化，因而提高 效率。采用此法时，首先测定被处理液 的 p H值 然后 添 加同设定值 的偏差 刚好 相抵的 调节 剂 其次利用静态混 合器将调节剂和处理液 体在瞬 时 内连续 进行混 合。由于存在 若干个纵 向混 合 则可使溶液均匀排除，即所谓一 次通 过的方式。与过去的间歇式 相 比，本方式的特点是可在狭 小的设 备空问。就能连 续地 调节 p H值。采用这 样的 p H调 节装置，可实 现废 水和生 产过 程 中 的 p H调节的 合理化、省 力化，基本流程如图 3 所 示 未处理 的废水 被送 入该 装置后 通过截 留机构、静态混 合器进入缓冲罐，然 后经 p H 信 号发 生器，被 处理浓 的 p H值即接近设 定值。1 L 爿 亡 国 连续 p H调 节 装置基 车流 程 l 一辅 1 疫幕 z 一节 谴机构3 一 中和 荆票4 一 中和荆 储槽 5 一 静 态混 台器6 一p H信 号发生 器 另外，采用静态混 合器，可在瞬问完成被 处 理液和中和剂的混 合，因而 能缩 短处 理时问。由 于 殳有可动部分，所 以不 会发 生故障；因为能给 流体以有效 的搅拌，所 以动能 消耗 也少。当高 粘度 流体的放热反应 中存在分解反应 及其它反应 时，在这些体 系中应用静态混 台器 可提高 产品的质 量和 收率。6 4其 他 反应 有的情况 下，静态管遭混 合器可以造成 流 体流动具有接近塞流的特性，此 时可将其作 为 静态管遭反应器使用。据国外有关资料的报道 可把静 态管道 混 维普资讯 http:/ 熔融 物 料 的冷 却适 拉，2 熔融 物料的冷却造粒 皿(化 工部 上海 化工 研究琬，上 海市 2 0 0 0 6 2)T&7 摘要介绍低熔点物料的冷却造粒I 艺过程，并以喷雾塔造粒装置为主体，介绍 7各 种 雾化 器(离心 式、压 力式、气流 式)的 结 构 原理 和计 算 方 法，以及 造 拉 塔 的 结构 形 式、流 向 和 塔 内停 留 时 间计 算 方 法 等，推 荐 了其操 作 工 艺等 方 面的 参 敷 及 公 式。关 键 词 兰 兰 些 力 芝 丝 盈、芏衣1)熔融物料冷却造粒主要是为 了防止物料结 块或成团+以保持物料的流 动性 特别对一些*+*+*m*-t+*N-*合器用于 由丁烯脱氢制造丁二烯 的生产 原料 纸浆的漂 白 游 离脂 肪酸 皂化等方 面。另外 在 高压 5 0 MP a 高温 5 3 8 C下，将静态管道混 合 器应用 于有机 氯化物 的水分 解反应 亦有报道，与过去的反应器相 比 生产效 率提高 反应 时 间大约减少 了 7 5 。7 应 用实例 在 我厂 引进 意大利 DE NOR A 公司年产 6 万吨离子膜烧碱项 目配套的一次盐水生产装置 中和反应单元 中借鉴吸收 了国外先进的静态 混台技术，根据该工艺过程的实际情况，进行 了盐 水 中和 反应 系统 中静 态混 合反应器 的 设 计，该 设备投入生产运行后，取得了 良好的使 用 效 果。盐 水静态中和反应器采用的是双扭 曲螺旋 板式 静态混合器的结构形式，如图 4所示，把 扭 曲成 1 8 0。的叶 片，前 后两叶 扭 曲方 向相反，错开 9 O 排 列。根据 有关 研究表明，当采用这种 结构形式 的静 态混 合器时，混合器叶 片的扭曲 角度接 近 1 8 0。时最佳 其余的角度均使混合程 度 恶化。单个叶片的长度与直 径的比值范围为 L D=1 4 2 共有 4个 长度 单元 数。由于采用 的是扭 曲叶片，故可使流体 在管路 断面 由扭 曲 囝 4盐 水 静 忑 中 和 反 厦 器 叶 片产生流动 达到使流体相对 位置移动的 目 的。两股液流每流经一螺旋板 时，便产生分割 旋转和紊流的作用；经下一螺旋板，被再次分 割至产生反向的旋转和再度的紊 流。如此多次 反复，该反应器能使盐酸与盐 水充分混 合并 彻 底反应，完全能满足隔膜电解对盐水 p H值的 要求。由于原来间 歇式盐水 p H 值调节 处理 装 置 不能满 足生产连 续化的要求。现在采 用了 盐水静态中和反应器后 达到 了生产操作 的连 续化、省力化、节能化和装 置小 型化 并 可免 除经 常性维 修保养 和提 高产品质量 还节 省了 该项 目的投资。参考文献 1森 岛泰、橙村挥-fi r 静 止型i 昆合器应 用拄术 c 1 化 学装置。1 9 7 9 微 田雅典。旨弘静 止型混 旨器应 用技 术 化学 装置 1 9 8 I 3(日)原 新吾主编静 盎棍 旨器王靠诚 马 像衷译北 京 纺 织 工 业 出 监 桂。1 9 8 5 维普资讯 http:/