（化学工程专业论文）新型静态混合器传热及混合性能的研究.pdf

摘要 静态混合器是18 世纪7 0 年代发展起来的一种尤机械运动的混合 装置。当流体流过静态混合器时，流体产生分割、汇合等行为，从而 达到强化混合和传热的效果。静态混合器促进混合或传热效果的增强 都是要以阻力的增加为代价的，冈而如何提高静态混合器的混合或传 热效果并降低其阻力是当前研究的热点。本课题研究了一种低压降的 新型静态混合器一立交盘，并对其压降、传热及混合性能进行了测试。 实验首先以水、柴油、导热油及麦芽糖浆等为实验介质，测定了 雷诺数范围为l l0 - 4 4 l0 4 条件下，含有立交盘管路的压降，整合 了雷诺数与摩擦系数的数学关系式，划分了层流区、过渡区、湍流区 的边界。本课题同时研究了立交盘静态混合器对高粘流体传热过程的 强化及出口的温度分布。传热实验以麦芽糖浆为介质，分别在水平管 与垂直管中对比了空管与带盘条件下传热效果的差异，整合了传热关 联式。在爬流条件下( r e 0 1 ) ，压降约为空管的7 倍，在层流条件下 ( 0 1 r e 4 0 0 ) ，压降增加剧烈，约为空管4 0 倍。 立交盘对传热有较强促进作用，在高粘条件下有较好的应用，传热效 果约提高二到四倍，出口温度分布较空管明显均化。在各向异性的加 热条件下，由于立交盘的液体换位作用的局限性，造成水平放置的换 热管内上部液体始终在上部，下部始终在下部，因此如果配合螺旋片 使用，换热效果将会有所提高。由于实验设备的原因，仅定性的对立 交盘混合效果进行了研究，总结了立交盘混合方面的一些优缺点，并 提出了改进方案。 本课题后期结合实验数据，采用计算流体力学( c f d ) 方法，利 用f l u e n t 软件，进行了一些模拟计算。对比了不同的结构和排列方 式对立交盘压降及传热强化效果的影响，提出了改进方案。 在对静态混合器深入研究的基础上，我们独市研制开发了一种新 型静态混合器一双锥面多流道混合单元体，在本论文中对其结构和作 用进行了介绍。 关键词：静态混合器立交盘双锥混合器传热强化 摩擦系数混合 c f d a bs t r a c t t h es t a t i cm i x e ri sas e r i e so fi d e n t i c a l m o t i o n l e s si n s e r t st h a tc a nb e i n s t a l l e di np i p e s ，c o l u m n so rr e a c t o r s i tc a nb ed a t eb a c kt o18 7 4 t h e p u r p o s e o ft h ee l e m e n t si s t or e d i s t r i b u t ef l u i di nt h ed i r e c t i o n s t r a n s v e r s et ot h em a i nf l o w t h ei n c r e a s eo ft h ep r e s s u r ed r o pi s i n e l u c t a b iii t y ，s oh o wt oo p t i mi z et h eg e o m e t r yo fs t a t i cmi x e ri no r d e r t od e c r e a s et h ep r e s s u r ed r o ph a sb e c o m et h ef o c u so ft h ec u r r e n t r e s e a r c h e x p e r i m e n t sa r ep e r f o r m e dt os t u d yp r e s s u r ed r o p ，h e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ta n dm i x i n ge f f e c ti nar o u n dt u b ew i t han e wt y p eo fs t a t i c m i x e r ：c r o s s o v e rd i s k ( c o d ) e x p e r i m e n t so np r e s s u r ed r o pa r e p e r f o r m e di nt h er o u n dt u b ew i t hd i f f e r e n tn u m b e r so fc r o s s o v e rm i x e r s t h er e y n o l d sn u m b e ri s c h a n g e df r o m 1 1 0 4t o4 1 0 4b yt h e d i f f e r e n tv i s c o s i t i e so f e x p e r i m e n t a l m a t e r i a l s t h e e x p e r i m e n t a l m a t e r i a lf o rh e a tt r a n s f e re x p e r i m e n t si sm a l t o s e ，at y p eo fn e w t o n i a n f l u i dw i t hh i g hv i s c o s i t y t h ep r e s s u r ed r o pi sa b o u t7t i m e sl a r g e rt h a n t h eo n ei nt h ee m p t yt u b ef o rc r e e p i n gf l o w ( r e 0 1 ) ，10t i m e sl a r g e r f o rl a m i n a rf l o w ( 0 1 r e 4 0 0 ) t h eh e a tt r a n s f e r e n h a n c e m e n ti sa b o u t2 - 4t i m e s l a r g e r t h a n e m p t y t u b e t h e t e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o n i s g i v e ni n t h i sp a p e rt os h o wt h er e l a t i v e m e r i t so fc o dm i x e r f o rt h el i m i t a t i o no ft h ee q u i p m e n t s ，w eh a v e o n l yp e r f o r m e dq u a l i t a t i v ei n v e s t i g a t i o n so nm i x i n ge f f e c t t h er e l a t i v e m e r i t sa n dt h ei m p r o v e m e n tp r o j e c ta r em e n t i o n e di nt h i sp a p e r t h e c o m p u t a t i o n a l f l u i d d y n a mi c s ( c f d ) m e t h o d i su s e dt o i n v e s t i g a t e t h em i x i n ga n dh e a tt r a n s f e r p e r f o r m a n c ef o r d i f f e r e n t a r r a n g e m e n to fs t a t i cm i x e r a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ns t a t i cm i x e r ，w eh a v ed e v e l o p e dan e w t y p eo fs t a t i cm i x e r 一b i p y r a m i dm i x e r t h es t r u c t u r ea n df u n c t i o na r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r k e yw o r d s ： s t a t i cm i x e r ，c r o s s o v e rd i s k ， b i p y r a m i dm i x e r ， h e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t ，f r i c t i o nf a c t o r ，m i x i n g ， c f d 天津大学硕士学位论文 符号说明 c d 1 t u ，v b o c ， d a x l l k n n u p p r q r s d r e s t w 希腊字母： a 入 入 y p u 符号说明 浓度，k g m 3 静态混合器直径，m 待测管路长，m 停留时间，s 速度，m s b o d e n s t e i n 数 比热，k j k g k 。1 轴向扩散系数，m 2 s 静态混合器的长度，m 混合器总长，m 传热系数，w m 。1 静态混合器元件的数目 努塞尔数 压降，p a 普兰德数 热通量，j s 相对标准偏差 雷诺数 传热面积，i n 2 温度， 质量流量，k g s 1 传热系数， 摩擦因子 导热系数， 剪切率 密度， 粘度， w m 一 w m 一叫 k g m 3 p n s 7 l 天津人学硕j j 学位论文符号说明 o t r 卜标： d l k m o w 方差 平均停留时问s 无量纲停留时间 单位长度( 5 0 m m ) 管内 空管 平均 管外 壁面 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得天津大 生或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 学位论文作者签名：与、阡 签字日期：如岬年 f 月哆日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解天盗大鲎有关保留、使用学位论文 的规定。特授权天鲞大生可以将学位论文的全部或部分内容编入有 关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件 和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：否斟 导师签名： 修 立字日期：孔彬7 年月2 弓日 签字日期：k 。7 年 f 月乙j 日 天津大学硕f ：学位论文第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 管式换热器强化传热技术简介 1 1 1 管式换热器强化的意义 随着世界能源的逐渐枯竭，过程强化已经越来越引起人们的注意。 换热器作为石油、化工和动力生产中广泛应用的一种通用设备，据统 计，在一般的石油化工企业中，换热器投资要占全部投资的4 0 5 0 ， 在现代化石油化工企业中约占3 0 4 0 ，而其中8 0 又都是使用管壳 式换热器的。由此可见管壳式换热器的合理设计、运转和改进对于节 省资金、能源、材料和空间是十分重要的。因而传热过程的强化对国 民经济的意义十分重大l lj 。由于管壳式换热器传热效率低，所需的传 热面积大，结构尺寸大，因此换热器设备的投资高，占地面积大，能 耗高。近年来，能源与材料费用的不断增长大大地推动了高效节能换 热器的发展。因而，相当多的研究力量放在了各式各样的强化传热设 备上。 1 1 2 管式换热器强化传热的一般方法 自从二十世纪初，传热学开始成为一门独立学科后，其所研究领 域不外乎： ( 1 ) 减少初设计的传热面积和重量； ( 2 ) 提高现有换热器的换热能力； ( 3 ) 使换热器能在较低温差下工作； ( 4 ) 减少换热器的阻力，以减少换热器运行时的动力消耗。 实现一卜述这些目的的途径则有： 1 提高传热系数 根据总传热系数k 的计算公式： = 妄讽u 去 ( 1 1 ) 天i 中大学硕士学位沦文笫一一章文献综述 可知要增大其值可从提高管子两侧的传热系数口入手，尤其要提 高管子两侧i i 换热较差侧的传热系数。原则上可采用提高介质流速， 使流体横向冲刷管束，消除流体流动时出现的旋涡死区，增加流体的 扰动和混合，破坏流体边界层或层流底层的发展，改变换热面表面状 况等方法来提高其传热系数。 2 增加换热面秘 采用多组小直径管路替代大直径管路和扩展表面传热面均町在不 额外增加换热器体积的基础上增大传热血积，该方法是增加换热量的 一种有效途径。管径愈小，在同等体积下，总表面积愈大。而扩展表 面换热面则不仅使传热面积扩大，且其传热面上流动特性大大改善。 例如工业上常用的带肋扩展面。所以在换热器中广泛采用各种肋片管， 螺纹管等扩展表面换热面。 3 增大平均传热温差 该方法有两种：其一是在冷、热流体的进口和出口温度一定时， 利用不同的换热面布置来改变平均传热温差，即力求采用逆流和近似 逆流的布置。其二是采用扩大冷、热流体进出口温度的差别以增大平 均传热温差，但实际操作过程中常受生产过程及经济性等限制，其效 果有限。 本文拟定从提高管内传热系数的角度分析管式换热器强化传热技 术。基于传热的主要阻力在于管壁附近的层流边界层内以及壁面处的 温差即传热动力较小，我们的着眼点在于两点，一是消除边界层，提 高壁面处的流速，二是将壁面处被加热的流体迅速移走，而将冷流体 导流至壁面处，从而提高壁面处的传热动力，达到强化传热的目的。 1 2 提高传热系数的原理，措施及应用 提高和强化管壳式换热器的传热效率关键在于提高管内传热系 数。因为在管壳式换热器中，管外( 壳程) 的流体横掠管面，因不断脱离 而产生扰动较强。壳侧换热在流速和物性相近的条件下，要比管内换 热强5 0 以上，因此管内换热的强化更引人注意。 1 2 1 单相强化传热的原理 单相强化传热可分为内部流动和外部流动，也可进一步分为层流乘i 湍流。层流和湍流强化的主要机理就是利用二次传热表面和破坏原来 未强化的流体速度和温度分布场。 天津大学硕士学位沦文第一章文献综述 ( 1 ) 湍流强化 管内湍流强化对象为靠近壁面流体速度近似为零的低速区，即熟 知的层流底层。大部分的热阻集中在层流底层低速区，任何相i 糙表面 或强化技术( 如螺旋内插物，线斟插入物和 出物等) 都可j f j 于破坏 层流底层从而达到提高传热的目的l ：巧i 。对于管内湍流，其层流底层的 尤因次厚度为： 厂：巫：5 b 为光滑管路的剪切应力。热边界层厚度y 为与管径d 之比为： 上：2 5 r e - o 8 7 5 d ( 1 2 ) ( 1 3 ) 若r e = 3 0 0 0 ，d = 2 5 4 m m ，层流底层厚度y 为0 0 5 7 6 m m 。因此，任何的粗 糙表面和强化措施都可以破坏掉层流底层，从而提高换热 6 1 。 ( 2 ) 层流强化 层流的传热系数较低，流体速度和温度的变化分布在整个通道宽 度上。故其热阻不像湍流那样都只集中在壁面附近。因此，小尺寸的 粗糙度表面在层流中对强化传热效果不明显。通常的强化措施是加入 一定结构的内插件，如挡板、肋、翅片等等，或改变管壁的形状，如 螺旋管、蛇管等等，以期破坏整体层流，达到产生涡流或造成涡流的 目的1 7 - 1 0 1 。 1 2 2 强化措施及应用 强化措施可分为两种：被动措施和主动措施j 。被动措施不需要 借助外功；而主动措施要利用外功。表1 1 列出了主动和被动措施的 方法应用。这些方法相关文献中有详细的论述。可采用两种或更多种 强化方法来提供比单独一种方法更大的“复合强化”。每一种强化方法 都有其各自的优缺点，这些方法的效率主要取决于传热的模式。 尽管历史上提出过许多强化技术，但到目前为止仅有小部分可以 天津大学硕 学位论文 第一1 章文献综述 应用于换热器中。被动强化设备相对来讲便于制造，应用经济性较好， 并可较方便的应川于改造现有设备：而主动强化方法如管子振动等， 则价值昂贵而复杂。 表1 1 强化技术 t a b 1 - it e c h ni q u e so fh e a tt r a n s f e re n h a n c e m e n t 被动式技术( 不需要外功)主动式技术( 需要外功) 传热表面延伸( 扩展) 传热表噬处理 粗糙表面 位移强化装置 涡旋流装置 表面张力装置 液体添加剂 气体添加剂 机械辅助 传热表面振动 流体振动 电场或磁场 引射或抽吸 1 2 3 被动强化措施 如前所述，被动强化措施是指不需要借助外功的强化措施。常用的 被动强化措施有： 1 扩展表面 通过使用强化表面形状提供周期性的薄边界层形成涡流区，增强 涡流区传热元件间的热耗散，从而达到强化传热效果。扩展表面是紧 凑式换热器和管壳式换热器最常用的强化措施，无论是液体换热还是 气体换热方式均如此。在低雷诺数的流动中，扩展表面适用性较强。 2 表面处理 表而处理包括表面粗糙度细小尺度的改变及连续的或非连续的表 面涂层，例如疏水涂层和多孔涂层。这样的表面对相变换热的强化效 果非常有效，而对单相对流换热效果不明显，因为其表面粗糙的高度 不足以影响单相换热的增强。 3 粗糙表面 粗糙表碡f 指管子或通道的表面形成具有一定规律的重复肋一样的 粗糙凸出微元体，其边缘垂直于流线方向。粗糙表面的作用通常选择 天津大学硕士学位论文 笫一章文献综述 可增强湍流程度而不是增大换热表面积。租i 糙表面即可适用于任何常 规换热器，也可适用于各种扩展表面。 4 管内插入物和流体置换型的强化元件 光滑管内插入物，管内插入物相对成本较低，工艺简便，且取出 清洗也容易。管内插入物u 丁破坏流体边界层的发展，增强流体湍流度； 若插入物与管壁接触良好，可增加有效的换热面秘；还可以使流动产 生旋流和一二次流。 5 旋转流场设备 旋转流场设备包括一些几何布置或者管内插入物，这些设备可强 迫管内流体产生旋转流动或二次流。 6 表面张力设备 表面张力设备包括在换热设备上布置相对较厚的吸液芯材料或沟 槽表面引导液体沸腾与蒸发过程中的流动。 7 添加物 液体添加物是在沸腾过程中加入液滴，单相流中加入固体颗粒， 及沸腾液中加入气泡。气体中添加液滴或固体颗粒，稀疏相或稠密相。 1 2 4 主动强化技术 如前所述，主动强化措施是指需要利用外功的强化技术。 1 机械方法 靠机械方法搅动流体或传热面旋转或表面刮动，广泛适用于化工 工业过程中的粘稠液体。 2 表面振动 用低或高的频率来振动表面，一般用于提高单相流的传热。这种 方法可用于单相流动、沸腾或冷凝。 3 流体振动 是最实用的一种振动强化形式。在换热器中占有较大的比例。振 动范围从1h z 脉动剑超音速。最初用于单相流，可用的领域有单相流、 沸腾和冷凝的强化传热。 4 电磁场( 直流或交流) 采用不同方法对电解质施加作用，使换热表面附近产生较大的流 体主体混合，通过电磁泵、电场和磁场可联合产生强制对流。 5 引射 引射足通过换热表面的小孔将气体引入流动的液体中或引射相同 天津大学硕 ：学位论文第一章文献综述 的流体到换热区的上游。 6 虹吸 在核态或膜态沸腾时通过换热器表嘶的小孔将蒸汽吸走，或在单 相流l l j 通过换热表面的小孔将流体引出。 1 2 5 近期国内开发研究强化传热的发展方向 ( 1 ) 有源技术研究：如利用振动1 1 2 。13 i 、电场1 4 。5 1 方法强化传热的机 理研究、实验研究，给出对比实验数据，提出理论计算模型。 ( 2 ) 表面多孑l 管成型技术研究l l 乱 j ：理论和实践都证明多孑l 管路相 对于空管具有极高的沸腾给热系数。沸腾传热过程在石油、化工等领 域是大量存在的，加快表面多孔管技术开发有着非常实际的意义。 ( 3 ) 管内插入物技术研究i l 乩2 4 j ：对于管内低流速、高粘度的流体， 采用管内插入物如线圈、肋、螺旋带、锥形喷口、挡板等结构可极大 地提高管内给热系数，理论研究已有一定水平，但实际应用尚少。 ( 4 ) 壳程强化技术研究1 2 5 - 2 9 ：现有的壳程强化传热技术包括双弓 形、三弓形、圆盘形、圆环形折流板结构和折流杆结构，但在实际设 计和制造中采用较少。通过对壳程强化传热研究的探讨，将低流阻、高 传热效率的壳程强化传热支撑结构与高效强化传热管相结合，使整个 换热器的传热综合性能得到提高，将是管壳式换热器发展的方向。 ( 5 ) 强化结构组合研究：为达到管壳程同时强化的目的，强化结构 组合研究将成为近期传热强化技术研究的发展方向。 ( 6 ) 波纹管换热器和槽纹管换热器 3 0 - 3 4 1 ：目前国内从理论研究到总 体设计、制造工艺及实际应用都较为成熟，应大力推广，扩大应用领 域，尽快成为传统光滑管换热器的换代产品。 1 3 静态混合器简介 1 3 1 静态混合器的定义和发展情况 静态混合器( s t a t i cm i x e r ) 的定义为“借助流体管路的不同结构， 得以在很宽的雷诺数范围内进行流体的混合，而义没有机械式可动部 件的流体管路结构体【j5 | 。” 早在二十世纪三十年代，美国和德国就尝试过利用流体流过折流 板或迷宫，使流体存管路中湍流从而达到连续混合目的的方法，但是 这种结构并不适用于所有的流体混合，凶此从某种意义上说，这并不 天津大学硕士学位论文第章文献综述 属于静态混合器的范畴。此后，又提出了许多管路结构体的方案，但 符合作为静态混合器条件的最早发明，是荷兰专利第18 5 5 3 9 号( 比利 时专利第5 7 8 4 7 8 号，登记于l9 5 9 年8 月) 。该发明与只在流体管路中 设置折流板不同，它是利j j 流体管路分割流体而在流体位移后又使之 重新汇合的方法。这是进行流体混合的静态混合器基本思想的最早反 映。此后，又相继开发了多种静态混合器，这些专利都承袭了上述荷 兰专利的“分割一位置移动一重新汇合”的基本思想，并考虑了流体的 性质以及过去各种方案，进行综合分析而产生的。如美同道化学公司， 美国恩卡公司，道巴登公司的专利。在19 7 0 年美国肯尼思( k e n cis ) 公司首先在世界上成功实现了静态混合器的工业生产。此后，以美国 为中心，在日本，西德都实现了静态混合器的工业生产，静态混合器 进入了实际应用阶段。 静态混合器是一种没有运动部件的高效混合设备。除了在石油炼 油、化工行业被广泛应用外，在医药、食品、矿冶、塑料和环保等部 门也被广泛应用。与搅拌器、胶体磨、均质器、文氏管等传统的混合 设备相比，具有流程简单，结构紧凑、能耗小、投资少、操作弹性大、 不用维修、混合性能好等优点。凡涉及液一液，液一气，液一固，气一气 的混合，乳化，中和，吸收，萃取，反应和强化传热等过程，都可以 代替传统的相关设备l j6 。 我国化工部上海研究院从19 7 7 年起开始系统研究静态混合器，并 联合生产厂家制造出了多种静态混合器，在全国推广应用，增产节能 效果显著。目前我国生产的静态混合器有s v ，s h ，s k ，s l ，s x 五大类 型，基本上包括了世界上5 0 余种静态混合器的适用范围1 3 。 目前比较国际上比较常用的是k e n i c s 及s u l z e r 所生产的静态混合 器( 图1 - 1 ) 。h y u n s e o bs o n g 等人1 42 j 用c f d ( 计算流体力学) 软件对其 流动过程进行了分析，研究了k e n i c s 静态混合器混合过程中流体的压 降和流速分布等特性。郑四仙【43 j 总结了不同雷诺数条件下摩擦系数的 表达式。g r a c e 4 4j 等给出了层流及湍流条件下k e n i c s 型静态混合器管 内传热的关联式。h r y m a k 和w o o d 4 5 1 等人利用计算流体力学的方法细 致研究了不同的几何尺寸的s m x 型静态混合器，分析了几何尺寸对静 态混合器压降及传热的影响。 天1 r 大学硕士学位沦上 痢章上献综述 表i 一2 我l 司h 种类型静态混合器的结构特点及用途 t a bi 一2in tr o d t i c t lo no fs t a 【i me r so fc h ln a 灭，t 大学顾1 学位论文 第币上献综进 泌 图卜1 常用静态混台器 kn ic sh ：s m x f i g2 i8s t a t i cm i x e r si nc o m m o nus c ak 1 1cbs m x 32 静态混合器的强化传热原理和特点 漆 到日前为止，世界上约有血卜多种静态混合器。按照装填在管状 外壳内的单元作用来划分，大致可分为三类。一是对流体起到切割作 用；二是使流体旋转：三是流道的形状和截面发生变化，使流体自行 搅拌。 在空管管壳式换热器中，管内流体流动的速度沿径向非均匀分布， 靠近管壁处的速度很小：可形成滞流层，而在对流传热时，热阻土要 集中在滞流层。流体的粘度越犬在相同的流速情况下滞流层越厚。 流体在台有静态棍台器的换热器管内与在空管内的流动情况大不相 同由于静卷混合元件的径向混合作_ j ，大大减小r 管内滞流层的厚 度，甚至艘州、滞流层的形成。流体 i 静态混合兀件的导向小断从管中 心流向管壁，义从符壁流向管中心。义由于柏邻的静态混合元t 1 叫蒯 柚错丌定的角度使管内流体允分诳合，消除了铅。内流体的温度梯 度。并且，对于非拆卸式静态混合元件，由1 ：静态混合几件的边缘与 管壁直接接触，静态混合兀件就起到翅片的作用，这样大大增加了传 热嘶积，从而强化传热，其忙热系数足审管的传热系数的3 7 倍以上。 萆十静态掘合器的混合原即，它在高粘度流体传热中有着广泛的 应用。其特点如下： 1 节省设备投资 天津大学硕j ：学位论文 第一章文献综述 由于静态混合器作为内插件，减薄甚至破坏了管内传热滞流层， 大大提高了管内传热系数，使换热器总的传热系数有明显提高。因此 节省了传热面积。 2 降低能耗 目前一些换热器设计追求高热强度，设计中采用的主要于段是选 择高对数平均温度差，而管壳式换热器由于传热效率低，导敛能耗的 大幅度增加。采用静态混合元件强化换热器，在保证换热强度不变的 情况下，可以显著降低传热温差，从而降低了熵损，提高热能利用率， 降低能耗。 3 不易结垢、易清洗 结垢是换热器菲常棘手的问题，对于管式换热器来说，其污垢沉 积比较严重。研究表明，污垢的形成、生长主要与介质温度和流速有 关，介质温度越高、介质与管壁温差越大、流速越低，越易形成污垢。 而静态混合元件强化的换热器，首先由于流体的弥散流动，介质的温 度梯度小，抑制了污垢的形成、生长。其次，由于强化元件相当于静 态搅拌器，使得流体弥散流动紊乱度很高，所以流体中的杂质不易沉 积成垢。 静态混合器经生产实践证明，具有效率高、能耗低，占地面积小， 装置小型化，投资省、维修简单。操作成本低和特别适用于难于高粘 度流体传热和混合的连续过程等优点。既适用于新装置的建造，也适 用于旧生产装置的技术革新和技术改造。 1 3 3 静态混合器的主要性能参数【4 6 】 1 不均匀度 对于气体与液体的混合，通常使用相对标准差( s o ) 来衡量混 合产物的均匀性。其定义是混合器出口测量标准差s 除以入口理论标 准差。 s ： 1 柏一，贬( c f - - c a ：n c ；，u c 护 ( 1 4 ) ( 1 5 ) 天津大学硕： 二学位论文 第一章文献综述 对两种不叮压缩非互溶介质( 初始摩尔分数为0 和1 ) ，可表示为： 仃o = p 4 ( 1 一f ， 汗5 ( 1 6 ) 针对不同的应j 玎，不均匀度般要达到1 10 。对于层流，通常 需要增加长度和使用更多的混合单元才能达到湍流所对应的不均匀 度。例如s m x 混合器，在相对混合长度l d = 10 ，10 个混合单元( 单个 单元长径比l d = 1 0 ) 情况下，不均匀度才达到1 。 2 压降 压降是静态混合器最重要的设计参数。这是由于它直接关系到进 料泵的尺寸和能量消耗以及混合器的尺寸与成本。现今静态混合器的 设计目标就是要找到能耗与混合效果的最佳结合点。 3 传热 使用静态混合器后，其传热性能与空管相比得到显著提高。其传 热性能一般是空管的2 - 5 倍。静态混合器的传热性能可用n u 关联式表 不： n u = c i ( r e p r ) c z ( p r p 劬4 ( 1 - 7 ) 4 停留时问分布 当静态混合器用于反应器时，知晓混合器内的介质停留时间分布 是极其重要1 4 川。值得注意的是对于理想平推流，流过反应器的，具有 不同流动路径的流体就具有不同的停留时间。 层流空管的中心流体速度是平均速度的两倍，因此，首先流出反 应器的流体质点的停留时间是平均停留时问的5 0 。在单个理想连续 搅拌反应器中，这种情况更糟，因为第一个流出反应器的流体质点可 能是刚进入反应器的流体。由于静态混合器内的强径向混合过程，其 速度剖面被抹平，由此降低了轴向返混。这样，其停留时间分布性能 较空管得到了显著提高，更接近平推流状态。 无量纲停留时间定义为流体质点实际停留时间t 与平均停留时间 t 之比： 天津大学硕： ：学位论文 笫一章文献综述 9 = tf j r ( 1 - 8 ) 停留时问分布特征通常用g o d e n s tein 数来度量。它表示了停留时 问分布的宽度，其表达式为： b o = v l ( 1 - 9 ) 理想搅拌器的b o = o ，理想平推流b o = 。b o 数值越大，停留时间 分布越窄。层流状态下，静态混合器的b o 数依赖于混合器单元数目。 例如，对于s m x 混合器，为了获得b o = 2 0 ，需要5 个混合器单元。对于 连续搅拌釜反应器，为了获得相同的b o 数，需要10 个串联釜。 1 3 4 静态混合器的发展方向4 8 】 静态混合器的研究开发只有几十年的历史，与动态混合( 搅拌) k l 比，它还远远没有成熟，因此目前所取得的研究成果并不是研究的结 束，只不过表示第二阶段的开始。静态混合器今后的研究工作主要围 绕着三个方面进行： 1 大型化 实验室的研究工作和早期的工业应用，都只使用几十毫米直径的 静态混合器。随着研究工作深入和小规模工业应用的成功，工业界对 静态混合器越来越信任。大型化的工业生产要求静态混合器能够逐步 实现大型化。 2 整机化 静态混合器是一种单元设备，在实际中它必须与其他辅助设备和 管件配套才能完成某一单元操作。对于中、小型规模的牛产来说，完 全有可能把静态混合器与其他设备和管件组合起来形成静态混合器整 机。这样不仅方便用户，而且有利于静态混合器技术的推广。 1 3 5 立交盘静态混合器0 4 9 】 市交盘静态混合器( 图1 2 ) 是北京英诺威逊聚合技术有限公司研 究的一项专利技术，足一种新型、高效的静态混合器，也是本文实验 中所采用的静态混合器。 立交盘是一种全新构思的管( 塔) 内构件，其工作原理足盘内设有若 旃一n 上献综述 l 十川的- l - 央午川边和f _ 边节一l 啦的墟遵 血体穿过，i 交盘削。i | 央日1 川让物科定义f _ 拽什w 宛如建桥般，多块变盘n 带：内同向排列， 流休何穿j 蔓块盅刚史啦 玖- 1 ，失m 日1 川边【x 换似完成改分割一 似移一扯合过w ，发7 i 玖j 立界联强制深度f 哪底剁冯。 众所川j _ | | ，销v , j 缸体栉向进度梯j 暨年；骱j 4 梯膻址蟛响化1 乍j “们 - e 世障叫，* # 边抖联小仪会f t 流体，叫k 时0 u 停滞，m | | 成为化热址 露婴的 lj j 。斛班】述弊端的由圭仆打寨址计- l - 失k 干蒯边k 流怍换位， i n i 彻底剁离边抖j ，： 立交黜巧妙地实现rr p 央b 干刷边k 物料换位有效地消除了管 内径向速度梯皮和潞度梯度，每流经块 ! l 完成玖分割一位移一 1 合i = 程，流体软种充分仳台，边界层被姒制、彻底、深度剥离，相当 程度降低，符壁处超k 停留时间的流体比率，人l 度降低了传热m 力。 埘极为筒币的手段解决了化i 过程的多年难题。 h1 2 奇交盘l 作原， 1 f i g l - 2s t r u c t ur eo fc r o s s o v e rd is k 1 4 本文研究方法和对象简介 奉实验采川舟光滑管。p 插入静态混舟器以进 j 虽化化热。奠蚀化 机理为：管内插入物可增加某一利一或r 列儿种情况的综台作川自利 r 提高换热效率，即： l 破坏流体j ! 界层的发展，增灶流动湍流膻： 2 若柄八物i 管带接触良好可增太有效的表面换热而私! ： 3 流动，“牛旋流_ f 几玖流。 使用静志混合器土要是由1 ：且除r ，“乍混合作川外n 管础j 一还 u r 以更新液脱和增加浚处的泓度梯艘故可使层流热化递增加玎分之 天i 量大学硕士学位论义 第一章文献综述 几百。其速度断面和温度断面可按近于柱状流，在整个横截面上可获 得接近于均匀值的速度。这样对二f 易于分解的粘性流体，在流路内的 热力梯度变得非常小，所以采用静态混合器也可以起到加热作用。 本文研究了管内加入4 种新型静态混合器一立交盘的压降增加与 传热强化的情况。实验测定了立交盘对压降、传热效果及混合效果的 影响，并通过数值模拟的方式，最终得出结论和改进方案。在对静态 混合器深入研究的基础一l ，我们自行研制开发了一种新型的静态混合 器一双锥面多流道混合单元体，并进行了一些探索性的研究。 天津大学硕士学位论文笫二章含t 交盘管路流动阻力研究 第二章含立交盘管路流动阻力研究 阻力性能是表征静态混合器性质的一项重要指标，它涉及到能耗成 本的计算，管路改造中也应考虑管路前后工序对压强的要求。因而， 得到含立交盘管路的摩擦系数表达式在实际应用中有重要的指导作 用。本实验利用不同粘度的物系，测量了含不同数目立交盘的管路压 降，以期整合摩擦系数与雷诺数的关系式。 2 1 阻力测量实验 2 1 1 阻力实验装置 p 1 ：p u m pt 1 ：t e e t l ( e m p t yt u b e ) t 2 ：t e s - t 2 ( c o o ) v l ：s t o r a 掌et a n k u i u 2 ：l l - t u b ef 1 ：f l o w m e t e r 实验装置如图2 一l 所示，实验介质由原料贮槽v1 经泵p 1 导入至 待测管路t 1 与t 2 中，待测管路t 1 为空管，t 2 为含立交盘管路，后 经由倒u 型管路回流至原料贮槽中。由于原料在整个循环中无物件的 明显变化，认为原料的循环往复利用对实验结果的影响可忽略。在以 水及柴油为介质时，使用离心泵作为动力装置，并使用u 型管进行压 降检测，根据压降的大小采用了不i j 的指示液( 水银、四氯化碳、水) 。 在以糖浆为实验介质时，由丁糖浆的粘度较高，使用齿轮泵作为动力 enks图m 置 詈 装印 验h实卧 m厶州 p 图娃2 g f 天渖大学硕l j 学位论文筇一：章含口交盘管路流动附力研究 装置。另外，糖浆严重的粘壁现象影响了u 管压差计的使用，导致误 差严重增大，故改刖隔膜乐力表进行了绝对压强的测量，通过压力表 的读数相减得到了待测管路的压降。待测管路的内径为5 0 m m ，t l 管 与t 2 管长度均为7 4 0 m m ，t 2 管i | | 含有不同数口的立交盘，数日为4 ， 8 ，13 。立交盘焊接于待测管路内，外径5 0 m m ，长径比为l ：l 。立交 盘在待测管路中的排列方式见表2 1 ： 表2 1 不同数目立交盘在待测管路中的排列情况 t a b 2 一la r r a n g ep a t t e r no fd i f f e r e n tn u m b e r so fs t a t i cm i x e r s 2 1 2 阻力实验测试方案 在前期压降实验阶段，主要针对立交盘的主要应用场合，即高粘流 体的爬流流动，设计了实验方案。实验选取了麦芽糖浆为介质，麦芽 糖浆是一种良好的牛顿性流体，且其粘度可以通过改变其含水量调节， 调节方法简单，可调粘度范围较宽( 最高粘度时糖浆已基本变为固态， 无法流动) 。但由于糖浆容易粘壁，u 管压差计无法使用，因而采用了 隔膜压力表作为压强的检测装置，由于压降的值与粘度成正比，因而 所测的压强值均较高，这也正好符合了隔膜压力表的量程要求，流量 的测定采用了秒表与量筒配合使用的方法，在一定的时问间隔内测定 出口流出液体的体积与质量。待测管路分别选定了如表2 一l 所示的n 4 、 n 8 、n13i 种形式，以期考察在放入不同数目立交盘后，单个立交盘 的摩擦系数与雷诺数的关系是否受到影响。 后期压降实验的目的在于测量宽雷诺数范围下，层流区、过渡区及 湍流区的分界及在相应区域内摩擦系数与雷诺数的关系。实验从高雷 诺数向低雷诺数进行，首先以水为介质，以水银u 管压差计，在高流 量下测定了6 0 0 0 r e 4 5 0 0 0 范围内的压差，在雷诺数较小时，由于水 银压差计的测量精度问题，无法继续向更小雷诺数方向进行，于是将 水银更换为密度为l5 9 4 k g m 3 的四氯化碳，重复了前实验i j 的部分数 天津人学硕士学位论文第二章含：交盘管路流动附力研究 据，实验雷诺数为13 0 0 r e 18 0 0 0 。对于r e l3 0 0 的情况，南予没有 合适的指示剂，只能从更换实验介质以提高粘度方面着手。实验先后 以柴油( p 5x10 。p a 5 ) 、柴油与导热油混合物( i j 2xl0 p a s ) 及导热油( i l 6xl0 p a s ) 为实验介质，并以水为指示剂，测定了 0 1 r e l9 0 0 范围下的压降。表2 2 对实验中的情况进行了总结。 表2 2 阻力实验方案 t a b 2 - 2s c h e m eo ff r i c t i o nf a c t o re x p e r i m e n t 2 1 3 阻力实验原理 众所周知，流体在流过管路时会产生压降，这主要是由两方面的原 因造成的。一方面是由于流体在流动过程中与固体壁面产生摩擦，另 一方面是由于流体自身内部分子之间相互碰撞及摩擦。前者是层流中 阻力的主要产生因素，而后者在湍流中则扮演了重要的角色。对静态 混合器中的一种典型元件k e n ic s 静态混合器的研究表明”j ：静态混合 器南于混合元件的加入，阻力是空管的数十倍，这主要是形体阻力增 加造成的，它们随牯度变化较小，主要由速度决定。立交盘的加入对 这两方面均会产生了影响。首先，立交盘的加入使流体与固体表面的 接触面积大大增加，立交盘的表面积为o 0 0 9 m 2 ，而包裹它的空管的内 表面积约为0 0 0 2 m 2 ，这表明了含立交盘管路的流体接触面积约为空管 天津大学硕士学位论文第一二章含口交盘管路流动阻力研究 的5 5 倍，另外，立交盘的加入也使流动通道发生变化，相应的部分流 体的流速有所提高，最后，立交盘的加入使流道产生了弯曲，这加剧 了流体的湍动程度，使流体内部的分子碰撞加剧，尤其是在湍流过程 i t ，这。现象会尤其明显。本实验就是在这三利一影响因素的指导下进 行的，得到的结果也印证了上述原因。为验证装置及实验方法的可靠 性，实验过程中首先测定了层流条件f 空管在低雷诺数条件下的捱降， 实验结果与层流条件下压降计算经典公式所得结果误差小于10 ，这 基本一i t 符合误差要求。实验过程中立交盘并非充满整段管路，我们假 设，在静态混合器中物流产生的压降可以看作是管内各混合单元对物 流的独立阻碍结果之和，即总压降可看作是各混合元件所产生压降之 和。故为表征管路中全部充满立交盘的情况，将实验中测得的压降值 减去了空管部分的压降，并平均到了每个立交盘上。计算公式为： 易= ( a p 一最) + 嘞 并由压降值计算得到摩擦系数，公式为： 枷筹 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式中乃相当于每一个混合单元的摩擦因子，它是雷诺数和静态混 合元件几何结构参数的函数。在n 4 、n 8 、n13 的实验中，我们将验证 这一假设。在高雷诺数条件下，我们主要针对nl3 的情况验证了流道 的扭曲对湍流情况的影响。我们预期，加入立交盘后将会使流体流动 的层流区、过渡区、湍流区的分界发生变化，即流体将会比在空管中 更早的发生湍流。 2 1 4 实验操作步骤 1 整理工作场所。 2 开启泵，通过旁路循环排除管内的空气，循环一段时问当流动 达到稳定后打开主干路阀门。 3 待管路中完伞充满实验介质后关闭出口阀，读取在流体无流动 时u 管压差计的初始读数。 天津大学硕士学位论文第：章含口交盘管路流动掰l 力研究 4 通过主干路阀门调。肖流量计的读数，在以糖浆为介质时则使用 变频器调节电机转数，达到。定的流量。 5 系统稳定5 分钟后，使用蹙筒及秒表测量一定时间内流出液体 的体积及质量，使j j 温度计测量水的温度，查表得到水的粘度，当使 用柴油等物系时则使用枯度计测量粘度，读取u 管压差计或压力表的 读数。 6 改变多组流量，重复以上4 5 步骤，测量流量对压降的影响。 7 实验结束后，关闭主干路m 口阀，停泵，清洗实验仪器。 8 改变物系及粘度，重复以上步骤，测量粘度对压降的影响。 2 2 实验结果分析与讨论 2 2 1 爬流条件下的糖浆压降实验( r e o 1 ) 实验在预期的条件下进行，并通过实验数据处理，得到了摩擦系数 与雷诺数的关联式，单盘摩擦系数与雷诺数的关系见图2 - 2 至图2 5 ： 尺e 图2 - 2 单盘摩擦系数与雷诺数关系( 四盘) f i g 2 2e f f e c to fr ef o rm o n o c e l lf r i c t i