静态混合器昀微颜研究与工业化应用进展

石大留恋

从化学工程出发，采用新的设备和技术，通过强化化工生
产过程来实现安全、清洁、高效化工生产是化学工业发展是一个
明显趋势。在大宗有机化工原料生产过程引入静态混合反应和
装置得到化工过程强化既能显著减小工厂和设备体积又能高效
节能、清洁、可持续发展的化工生产。
1静态混合器简介
静态混合器是工艺流程中一种在线的新型、高效混合设备。
静态混合器是借助于流体管路的各种不同结构混合单元，得以在
很宽的雷诺数范围内进行流体混合的一种管状混合设备。国内外
已进行工业性生产或正在使用着的静态混合器主要型号有SK
型、SV型、SX型、SH型、sL型和Rosa—IsG型以及单管多旋Ⅱ静态
混合器。目前国内主要研究和广泛应用的是SK静态混合器和SV
型，其中SK静态混合器已经被认为“标准静态混合器”。
2静态混合器微观研究进展
近年来随着计算机性能的提高和计算流体力学的发展，各
种CFD软件功能日益强大，静态混合器的数值模拟渐趋成熟；
同时激光多普勒测速技术的广泛应用和不断发展，为揭示静态
混合器内部流动特性的研究提供了基础，因此国内许多学者在
对其进行微观研究并取得了相应的进展，丰富了静态混合器的
应用基础研究。
分别对SK型、SV型静态混合器的流体力学性能和传热性
能口 行了研究时，首次从理论上提出将流体在静态混合器中的
流动分解为直线运动和旋转运动，然后用流体力学和传热学的
理论对这两种运动状态下静态混合管的流体力学性能和传热性
★来稿百期：2006-09-29★基金项目：国家“十五”科技攻关项目(20o4BA3l9B1)
设计领域，可以实施液压系统的异地协同设计，对液压系统的设
计提供了一个全新的计算机辅助手段。创建基于网络环境下的
液压系统协同设计环境，提高了液压系统设计质量，降低了设计
成本，缩短了设计周期。
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维普资讯 http://www.cqvip.com
一212一 禹言芳等：静态混合器的微观研究与．r-g4~,应用进展 第5期
能进行分析研究，分别得到这两种运动状态下流动阻力(Ap)和
努塞尔数(』、 )的计算式，然后进行叠加得到sK型静态混合管
和』、 的计算式，并与通过实验测定不同流量、管径下流体流
经静态混合管的压力降和传热效率进行比较分析。
利用数值模拟计算 在分析了气泡平均驰豫时间的基础
上，结合 湍流模型，利用平衡流模型模拟静态混合器内形成的
稀疏湍流气泡流，得到了混合器内两相流流场；并通过空气一水
系统的压力降实验指出：计算流体力学模拟能够很好地预测
SMV型静态混合器内气泡流的压降，是静态混合器设计的有效
手段；利用PIV技术测量了混合单元后的各个流动工况下的流
场，分析了流场的特性；模拟结果与实验结果对比表明，流场特
性的模拟是可行的。
采用计算流体动力学CFI)方法，计算了含静态混合元件
炉管内的流场I．】。数值模拟结果表明，采用静态混合元件的乙烯
炉管中流体的混台被强化，从而强化了传热。根据其数值模拟的
速度场，提出了一种基于速度分析的CFI)结果评价方法，定性
和近似定量地演绎了工程测试的数据，使计算模型和数值模拟
结果在实验中得到了验证。
在研究Kenies静态混合器的基础上自行开发研制了混合
元件可以变速转动的旋转式Kenics静态混合器阁，并通过CFI)
软件的数值模拟与实验室的实验论证得到其具有较好的混合性
能。
采用大涡模拟方法 对内置翼片管式静态混合器内部的
流场和浓度场进行了研究，对比了3种不同结构尺寸的翼片的
混合效果和沿混合器轴线的压力损失。数值模拟结果表明：小翼
片的压力损失最小，但混合效果最差；长翼片的混合效果略好于
大翼片，但其压力损失仅为大翼片的67％。同时还发现，在长翼
片背后可形成两个逆向旋转的大涡，使混合器中心区域速度梯
度增大，剪切作用明显，湍流强度增强。该流场结构能有效地驱
使混合器中心高浓度流体流向壁面，从而增大高浓度流体和低
浓度流体的接触面积，改善混合条件，而且压力损失仅是SK型
静态混合器的1／12～l，3m，故长翼片是一种值得推广使用的翼
片结构形式。
从微尺度流动的特征出发嘲，设计了一种新型静态微型混
合器，通过在微通道内设置导流块的方式诱发横向的速度分量，
减少混合长度，从而增强分子扩散作用，达到分子级混合。运用
流场仿真技术分析了微型混合器内流场的运动规律，阐述了发
生混合的机理。罗丹明染料的混合试验可以直观地检测微型混
合器的混合效果，同时采用计算图像灰度值标准差的方法定量
分析了微型混合器的性能与结构参数、流量的关系。
采用PIV和压差计法{91对改进型Ross静态混合器中对牛
顿流体的流动进行了实验研究，并对空管和5单元的改进型
Ross静态混合器的流动进行了数值模拟，将实验与数值模拟结
果进行了比较，证实二者的结果一致。并得到改进型Ross静态
混合器中牛顿流体流动的压力降与雷诺数和静态混合器长径比
的关系为：△p14．723R,aLss(／／O)~~-puz／2；同时指出在Re=20000
时，实验压力降的=因子有最大值；整个静态混合器的压力降
(流动阻力)主要集中在混合单元区域。
3静态混合器的工业化应用进展
将静态混合应用于化学反应过程的研究逐年增多，国外应
用静态混合反应技术取代传统的机械搅拌聚合釜，已在聚合物
的本体聚合等生产中得到应用，瑞士苏尔士的静态混合聚苯乙
烯技术工业化，首次在日本大油墨公司化工厂以3万 的规模
投入生产，德国已将直径为ck=1250mm静态混合器用于锦纶6
聚合塔，比利时有直径为4,=1600mm的静态混合器作为聚合塔
正在使用。
相对于国外。国内静态混合及静态混合反应技术的应用尚
较少，研究开发的单位也较集中。上海化工研究院在混合元件的
研究开发方面做了大量的工作，其水平处国内领先；清华大学利
用静态混合技术进行萃取等应用研究，处于国内领先水平；浙江
大学利用静态混合反应技术进行乙氧基化反应的研究取得了较
好的效果。
油田三次采油中，需将聚合物母液和水经由静态混合器混
合后注入井下，由于聚合物是一种高分子物质，分子链持别长，
受剪切作用易被剪断，剪断后的高分子聚合物使井下油层中的
驱油效果明显下降。在工业生产中，一般要求当聚丙烯酰胺溶液
通过静态混合器时，其黏度降低率应小于2％。目前，从化工行
业移植过来用于油田聚合物站上的静态混合器大体有SMV型、
SMX型、SML型、K型和K型与SMX型组合型，这些混合器大
都没有针对注聚合物溶液的特殊要求进行专门研究。从现场使
用效果来看，这些静态混合器对于聚合物黏度的降低过大。何浩
淼、黄雄斌【 等人在分析和选择KENICS—I型、ROSE—I型和立交
盘静态混合器三种静态混器进行混和实验研究，三种混合元件
都是低降解的静态混合器，当混合元件的个数不超过585个时，
黏度降低率均小于2％ ，都达到了工业生产的要求，其中立交盘
元件的降解最小，ROSE—I型元件的降解最大；混合实验表明：对
于聚丙烯酰胺溶液推荐使用ROSE—I型和立交盘静态混合器。
4结论
静态混合技术改变了反应介质混合的方式、转化率高、安
全性能好，能够显著提高产品收率和质量，缩短反应周期，降低
生产装置投资，减少“三废”排放量。将静态混合反应技术及其装
置引入大宗有机化工原料生产过程，取代传统的搅拌反应技术
及反应器，将大大推进我国大宗有机化工原料生产技术进步，应
用到更多类型的化工反应和工业生产领域，对实现各种大型反
应装备的国产化和利用高新技术改造传统产业均具有明显的示
范作用。
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