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s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 摘要 静态混合器是一种新型化工单元设备，优点为分散效果好、占地面积小、操 作成本低、维修简单等；喷射混合器是一种具有高强度混合效果的混合器，优 点为混合强度高、改善浓度及温度分布等。与传统混合机械不同，二者均没有机 械动力装置，能耗大大降低，且适用范围广，可用于物料的掺混、传质、传热及 制备乳液、悬浮液等。近年来，喷射混合器在某些场合还作为反应器来使用，例 如催化加氢及青霉素的生产等。国内对静态混合器和喷射混合器的研究尚处于初 始阶段，方法上多以实验研究为主，受实验条件限制，不能获得混合器内部详细 的流场和浓度信息，只能从宏观上评价混合器的性能，不能直接用来优化设计新 的混合器。近年来，已有应用c f d 方法对静态混合器和喷射混合器研究，但这些 研究只从宏观角度对两者的性能进行考察，没有考虑微观混合对过程的影响。 本文运用c f d 方法对s k 型静态混合器和喷射混合器内的液液多尺度混合 过程进行模拟研究，通过建立混合器内混合效果的评价指标，考察操作条件和设 备参数对混合效果及压降的影响。采用纯水、乙醇胺和苯胺盐酸盐溶液三种体系 分别对s k 型静态混合器与喷射混合器进行对比研究。 c f d 方法模拟结果表明：( 1 ) 长径比e 越小、混合元件个数越少、流体雷诺数 越小，s k 型静态混合器的压降就越小，混合元件多于6 个时单元压降值显著增 加：( 2 ) 长径比p 越小、雷诺数越高，s k 型静态混合器的混合效果越好；( 3 ) 喷射 混合器压降随着主流流速的增大而显著增大，引射流速对压降的影响没有主流流 速显著；( 4 ) 主流流速增加有利于喷射混合器内流体的混合，引射流体流速增加 对喷射混合器物料流体的混合不利。 采用纯水、乙醇胺和苯胺盐酸盐溶液三种体系对s k 型静态混合器与喷射混 合器进行对比研究，结果表明：( 1 ) 压降：体系粘度对喷射混合器的影响要高于对 s k 型静态混合器，后者更适宜处理粘度大的物系。相同条件喷射混合器的压降 大约是s k 型静态混合器压降的几十倍，故后者能耗要低得多，更适合大流量物 料的混合；( 2 ) 混合时间：雷诺数r e 2 0 0 0 时正相反；低雷诺数时混合时间要比高雷诺数时长 很多。喷射混合器的混合时间随着主流流速增加而逐渐变短，提高主流流速能够 显著缩短喷射混合器的混合时间；( 3 ) 对于s k 型静态混合器与喷射混合器，两者 的微观混合长度厶都大于宏观混合长度l m ，说明微观混合是流体混合过程的控 制步骤。 最终给出的中试装置乙醇胺反应体系的s k 型静态混合器与缩合中试装置苯 胺甲醛喷射混合器关键参数的优化设计。目前乙醇胺实验装置正在准备，本文设 计的喷射混合器经中试应用验证，达到预期要求，中试装置运转良好，为m d a 工业生产装置的设计奠定了基础。 关键词：静态混合器喷射混合器计算流体力学( c f d ) 数值模拟宏观混合 微观混合 n s t u d yo ns i m u 【，a t i o no f s ks l 气t i cm i x e r a n dj e tm i x e rb yc f dt e c h n i q u e a b s t r a c t t h es t a t i cm i x e ri san e ws t y l ec h e m i c a lu n i tf a c i l i t ya n dt h em e r i t sa r ew e l l d i s p e r s i o ne f f e c t ，s m a l lf l o o ra r e a ，l o wr u n n i n gc o s ta n dl i a b l et om a i n t e n a n c e t h ej e t m i x e ri sah i g h t i n t e n s i t ym i x i n ge f f e c tm i x e ra n dt h em e r i t sa r eh i g h t i n t e n s i t ym i x i n g e f f e c ta n da n n e a l i n gf o rc o n c e n t r a t i o na n dt e m p e r a t u r ed i s t i l b u t i o n c o n t r a s to f c o n v e n t i o n a lm i x i n gm a c h i n e ，n e i t h e ro ft h e mn e e d sm e c h n i c a lp o w e rp l a n t s ob o m o ft h e ms a v ee n e r g ya n d s c o p eo fa p p l i c a t i o ni sw i d ef o rm i s c i b i l i t y , m a s st r a n s f e r , h e a tt r a n s f e ra n dp r e p a r i n gl a t e xa n ds u s p e n d i n gl i q u i d r e c e n t l yj e tm i x e rh a sb e e n u s e da sr e a c t o ra ts o m es i t u a t i o n ，s u c ha sh y d r o b o n ，p r o d u c i n gp e n i c i l l i na n ds oo n d o m e s t i cr e s e a r c hi si ni n i t i a ls t a g ea b o u tt h es k s t a t i cm i x e ra n di e tm i x e ra n d p r i m a r ym e t h o di se x p e r i m e n t a lm e t h o d o l o g y t l l i sw a yi sl i m i t e db ye x p e r i m e n t c o n d i t i o na n d c a nn o td i s c l o s u r ef l o wf i e l da n dc o n c e n t r a t i o ni n f o r m a t i o n i tc a n o n l y e v a l u a t ep e r f o r m a n c eo fm i x e r , b u tn o th e l pt oo p t i m u md e s i g nn e wm i x e r r e c e n t l y c f d t e c h n i q u eh a sb e e na p p l i c a t e dt oe x p l o r et h es k s t a t i cm i x e ra n dj e tm i x e r p r e v i o u ss t u d yb yc f dt e c h n i q u ei n v e s t i g a t e dp e r f o r m a n c eo fm i x e r sf r o m m a c r o s c o p i cv i e w , n o tc o n s i d e r a t i n gi n f l u e n c i n gf a c t o ro fm i c r o - m i x i n g l a m i n a ra n dt u r b u l e n tf l o wm u l t i s c a l e sm i x i n gp r o c e s si ss t u d i e df o rt h es k s t a t i cm i x e ra n d j e tm i x e rb yc f dt e c h n i q u e a ne v a l u a t i n gi n d i c a t o rf o rm i x i n gr e s u l t i sb u i l tt or e v i e wi n f l u e n c eo ft h eo p e r a t i n gc o n d i t i o na n dd e v i c ep a r a m e t e rf o rm i x i n g r e s u l ta n dp r e s s u r el o s s ，n l es ks t a t i cm i x e ri ss t u d i e dc o m p a r i n gw i t hi e tm i x e ri n t h r e eb o d ys y s t e m s ( w a t e r , e t h a n o la m i n ea n d p h e n y l a m i n e h y d r o c h l o r a t e ) p i l o t p l a n t o p t i m u md e s i g n sa r ee x p l o i t e do fs ks t a t i cm i x e rf o re t h a n e lr e a c t i o ns y s t e ma n dj e tm i x e r f o rp h e n y l a m i n e - h y d r o c h l o r a t er e a c t i o ns y s t e m s i m u l a t i o nr e s u l t si n d i c a t eb yc f d t e c h n i q u e ：( 1 ) t h el e s s e rs l e n d e r n e s sr a t i o ， m i x i n gu n i t sa n dr e y n o l d sn u m b e ra r e t h el o w e rp r e s s u r el o s so fs ks t a t i cm i x e ri 8 p r e s s u r el o s se n h a n c e ss i g n i f i c a n t l yw h e nt h en u m b e ro fm i x i n gu n i ti sm o r et h a n6 ( 2 ) t h el e s s e rs l e n d e ：m e s sr a t i oi sa n dt h em o r er e y n o l d sn u m b e ri s t h eb e t t e rm i x i n g e f f e c ti s ( 3 ) t h ep r e s s u r el o s so f j e tm i x e re n h a n c e ss i g n i f i c a n t l yw i 也c u r r e n tv e l o c i t y i n c r e a s i n go fp r i m a r yf l u i d t h ei n f l u e n c eo fs e c o n df l u i di sl e s st h a np r i m a r yf l u i do n i i i p r e s s u r el o s s ( 4 ) c u r r e n tv e l o c i t yi n c r e a s i n go fp r i m a r yf l u i di sh e l p f u lf o rm i x i n g e f f e c ta n dt h ei n f l u e n c eo fs e c o n df l u i di so p p o s i t e t h es ks t a t i cm i x e ri ss t u d i e dc o m p a r i n gw i t hj e tm i x e ri nt h r e eb o d ys y s t e m s ( w a t e r , e t h a n o la m i n ea n dp h e n y l a m i n e - h y d r o c h l o r a t e ) ，r e s u l t si n d i c a t e ：( 1 ) p r e s s u r e l o s s ：t 1 1 ei n f l u e n c eo fv i s c o s i t yi sm o r es i g n i f i c a n tf o ri e tm i x e rt h a ns ks t a t i cm i x e r a n ds ks t a t i cm i x e rf i t st ot r e a th i g hv i s c o s i t ym a t e r i a l ( 2 ) m i x i n gt i m e ：m i x i n gt i m e o fs ks t a t i cm i x e ri n c r e a s e sw i t hc u r r e n tv e l o c i t yi n c r e a s i n ga tl a m i n a rf l o w , t u r b u l e n t f l o wi so p p o s i t e m i x i n gt i m ea tl a m i n a rf l o wi sm o r et h a nt h a to ft u r b u l e n tf l o w m i x i n gt i m eo fj e tm i x e rd e c r e a s e sw i t hc u r r e n tv e l o c i t yi n c r e a s i n g f o rj e tm i x e r m i x i n gt i m ed e c r e a s e ss i g n i f i c a n t l yw i t hi n c r e a s i n go ft h ep r i m a r yf l u i dv e l o c i t y ( 3 ) 1 1 1 em i c r o - m i x i n gl e n g t hi sm o r et h a nm i c r o - m i x i n gl e n g t h ，s om i c r o m i x i n gi st h e c o n t r o ls t e po ft h ew h o l ep r o c e s so fm i x i n g f i n a l l yo p t i m u mc r i t i c a lp a r a m e t e r sa r eo f f e r e do fs ks t a t i cm i x e rf o re t h a n o l a m i n er e a c t i o ns y s t e mp i l o t p l a n ta n do fj e tm i x e rf o rp h e n y l a m i n e h y d r o c h l o r a t e r e a c t i o ns y s t e m a f t e rc e r t i f i c a t i o ni np i l o t p l a n t ，s ks t a t i cm i x e ra n dj e tm i x e r d e s i g n e di nt h i sp a p e rm e e te x p e c t e dr e q u i r e m e n t a tt h ep r e s e n tt i m ee x p e r i m e n t a l f a c i l i t yo fe t h a n o la m i n ei si nc o n s t r u c t i o ns t a g e t h ep i l o t p l a n t i si ng o o dw o r k i n g o r d e ra n ds u p p l yf u n d a m e n t a lr e s e a r c hf o ri n d u s t r i a li n s t a l l a t i o no fm d a k e yw o r d s ：s t a t i cm i x e r , j e tr e a c t o r , c f dn u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，m a c r o - m i x i n g ， m i c r o 。m i x i n g i v 符号说明 p 流体密度，k g m 一； u 流体速度矢量，m s 1 ； 尹通用变量； ，时间，s ； 1 一广义扩散系数； d i v 向量函数的散度函数； g r a d 向量函数的梯度函数； 6 妒广义源项； 甜，1 ，w 流体速度在直角坐标系中各方向的分量，m s 一； ，7 流体的动力粘度，k g m - 1 $ ； p 压力，p a ； 甜f ，“，f 。j 方向上的时均速度分量，m s 1 ； 薯，哆i ，歹方向上的位移分量，m ； “；，甜：f 。，方向上的脉动速度分量，m s - 1 ； r l t 湍流粘性系数； 七单位质量的湍动动能，m 2 s 。2 ； q ，乞气经验系数； 吒吸七，s 的湍流普朗特数； n u 二n u s s e l t 数； 平均换热系数； 卜流体的导热系数； d e 当量直径，y l n l ； r 卜雷诺数； 切换热系数； r 相对残差； 班，、柳2 ，聊，r 不同流股的质量流量，k g h - 1 5 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 侈) 混合分数； 与平均混合分数； m l o 、m 2 0 、m n r 进料口处不同流股的质量流量，k g h ； l 。s 宏观混合分数方差； ( 亏、2 ) 微观混合分数方差； u 轴向速度脉动值； ”平均速度，m s o 厶卜压力降，p a ； a p 啪流体沿管轴作直线运动产生的压力降，p a ； 么p i 卜流体旋转运动所产生的流体压力降，p a ； 卜混合元件的长径比； 砌卜水力直径，m m ； l m 宏观混合长度，m m ； 三卜_ 观混合长度，m m ； 进口1 的流速m s 一； ( 卜进口2 的流速m s ； d ，卜- 喷嘴直径，r a n l ； d 卜混合室直径，r a i n ； 三胁一混合室长度，m m 。 2 青岛科技大学研究生学位论文 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请 的论文或成果。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了 明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：日期：年月只 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解青岛科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有 权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅。本人授权学校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， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人离校后发表或 使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为青岛科 技大学。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密口。 ( 请在以上方框内打“ ) 本人签名： 导师签名： 同期： r 期： 8 7 年月 日 年月 日 青岛科技大学研究生学位论文 1 1 课题研究的背景及意义 第一章绪论 混合是一个使体系内物料的不均一度不断降低的过程，它是相关工业中常见 的操作之一，广泛存在于化工、医药、冶金、造纸、化妆品、食品、涂饰材料、 饲料及废水处理等行业中，尤以化学工业使用最多【l j 。混合常作为工业生产中的 预处理步骤，对后续生产过程有重要影响，甚至直接决定生产效率和产品质量。 混合机械可分为两大类【2 】，即回转式混合机械和非回转式混合机械。回转式 混合机械是依靠机械动力装置迫使系统发生流体运动，以达到物料混合均一的目 的，常见的有搅拌桨，旋转混合叶轮，刮壁式搅拌器等。非回转式混合机械依靠 液流或气流的动能或依靠粒子本身的重力进行混合，例如射流混合器和静态混合 器。虽然靠机械传动驱动的混合机械仍是目前混合操作中的主流，但它们占地面 积大、操作弹性小、能耗高，不易维修，很难满足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。 静态混合器是一种新型化工单元设备，待混合物料在静压力作用下，通过若 干静态混合器单元，被多次地分割、旋转、压缩、复合及扩张等，从而达到混合 的目的【3 】。与一般搅拌器相比其优点为：分散效果好、占地面积小、结构紧凑、 操作成本低、维修简单等，有着广泛的发展前途。 喷射混合器是另一种具有高强度混合效果的混合器，可用于单相或多相物料 之间的预混合 4 1 。其工作原理是利用主动流体的高速流动去卷吸另一股流体，使 两股物料密切接触后充分混合，具有混合强度高、改善浓度及温度分布等优点， 被广泛应用于各个行业的实际生产中1 5 j 。 静态混合器和喷射混合器均没有机械动力装置，适用范围广，可操作性强， 可用于物料的掺混、传质、传热以及用于制备乳液、悬浮液等。近年来，喷射混 合器在某些场合还作为反应器来使用，例如催化加氢、半水煤气脱硫及青霉素的 生产等。由于具有独特的性能，国内也已开始对各种静态混合器和喷射混合器进 行研究，但对它们的研究尚处于初始阶段，与其广泛应用相比，理论研究还较少， 方法上也多以实验研究为主。这些研究都是通过测定混合器进出口处的组分浓度 来对混合器进行分析，没有获得混合器内部详细的流场和浓度信息，因此它只能 用来从宏观上评价混合器的性能，而不能直接用来优化设计新的混合器。 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 随着对混合器设计要求的不断提高，获得混合器内部流场的详细信息成为必 要，新型的激光流体实验技术和计算流体力学( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ， 简称c f d ) 技术被应用到混合器的设计中。计算流体力学是基于计算机来模拟流 体流动、传质、传热和其他相关物理过程的一门科学。作为流体力学的一个分支， c f d 方法出现于二十世纪六、七十年代。从二十世纪七十年代中期，基于复杂数 学运算法则的c f d 求解器开始开发并应用。c f d 技术可对流体流动的各种流场 如压力场、速度场、温度场、湿度场、浓度场等进行分析、计算和预测，它还应 用于传热、传质( 如溶解与分离) 、化学反应、相变( 如沸腾与凝固) 以及机械 运动等方面1 6 j 。c f d 技术可用于流体动力学的基础研究，复杂流动结构的工程设 计，借助它可以充分认识和理解流动规律。因c f d 技术具有很好的可重复性，可 以方便地对多方案进行评价与选择、设计与优化、放大和控制，可显著降低设计 成本，缩短项目开发周期，有效提高自主开发能力。 本文采用c f d 方法对静态混合器及喷射混合器进行数值模拟。通过建立模 型、网格划分技术研究s k 型静态混合器与喷射混合器内部详细的流场和浓度信 息，考察不同操作条件对混合器的宏观混合效果、微观混合效果及压降的影响。 采用纯水、乙醇胺和苯胺盐酸盐溶液三种体系对s k 型静态混合器与喷射混合器 进行对比研究。在此研究的基础上，对乙醇胺反应体系的静态混合器及苯胺甲醛 喷射混合器进行了考察，给出中试装置的优化设计。 1 2 静态混合器与喷射混合器简介 1 2 1 静态混合器 静态混合器是相对于动态装置而言的，顾名思义整体装置应处于静止状态， 即内部无运动部件。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【7 j 。“静态 是相对于搅拌器而言的，其内部没 有机械或可动的部件，是一种通过管内的混合元件实现流体混合目的的装置。目 前国际上约定俗成的条件是至少应该满足以下3 个【8 】：( 1 ) 无运动部件；( 2 ) 在较大 范围的雷诺数中实现效果较好的分散混合；( 3 ) 由若干个同类单元有规则的构成。 流体均匀混合虽然归根到底都归属于分子扩散的过程，但仍可按机理细分为 以下3 类 9 1 ：( 1 ) 主体对流：( 2 ) n 旋运动；( 3 ) 分子扩散。一般流体自然混合的分子 2 青岛科技大学研究生学位论文 扩散系数仅有1 0 弓1 0 。6 c m 2 s ，主体对流、涡旋运动的扩散系数则可达到其1 0 万倍左右。 静态混合器的混合作用正是基于静态混合单元使流体介质产生径向速度脉 冲，形成主体对流和涡旋运动，使流体均匀混合。其内部单元使流经的介质液滴 被不断分散切割为较小微团，且流动方向的随时变化不断产生分流与合流，既增 大了接触面积又产生了主体对流和涡旋运动。图1 1 为s k 型静态混合器示意副1 0 j ， 流体流经静态混合时被其内部单元不断切割，同时由于内部元件旋转扭曲1 8 0 。， 迫使流体的流动方向不断变化，产生对流和涡旋运动，被分割的流体在两个单元 之间合流，之后再次被分割，流体不断进行分散、对流、涡旋、合流，达到混合 均匀的效果t 1 1 j 。 图1 - 1s k 型静态混合器示意图 f i g 1 1s c h e m ef o rt h es ks t a t i cm i x e r 1 2 1 1 静态混合器的混合机理 静态混合器的混合机理大致可分为3 类 1 2 】： ( 1 ) 静态单元对流经的介质不断起着切割作用使其分散，随后又在两个单元间 汇合得到混合，之后多次分割，汇合； ( 2 ) 静态单元使流体自身产生旋转，通过迫使介质旋转方向的改变使流体混 合； ( 3 ) 静态单元中流道的横截面积或位置发生变化，使流体产生“自身搅拌 作 用。 对某种类型的静态混合器而言，往往两种甚至三种作用同时共有。 1 2 1 2 静态混合器的特点 与传统的混合设备如孔板、搅拌器、均质器及某些萃取塔相比，它具有投资 少、效率高、处理量大、体积小、能耗小、便于实现连续化生产等优点13 1 ，广泛 应用于混合、传热、吸收、萃取等化工单元操作，是国内外大力推行的高效节能 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 设备。静态混合器具有以下特点【1 4 1 ： ( 1 ) 可以获得近似于活塞流的效果，从而可以正确地控制其混合状态； ( 2 ) 无活动部件，能耗小； ( 3 ) 体积小，投资少，安装简单，便于修理维护； ( 4 ) 在管道中混合，产品与外界大气隔绝，防止环境污染； ( 5 ) 静态混合器可以采用上流、下流，横流或斜向流等； ( 6 ) 能够实现气、液两相间连续混合、分散、乳化； ( 7 ) 装置内流体残留量小，迅速进入正常稳定状态，提高装置的处理量。 1 2 1 3 静态混合器产品常用型号 目前静态混合器产品常用的有1 2 种型号【1 5 】： s v ，s v l ，s x ，s x l ，s l ，s l l ，s k ，s k l ，s h ，s h l ，j h f i ，j h f i i ， 后缀为l f l 1 是原型号的改进型。 s v ，s v l 型静态混合器，即波纹板型静态混合器，其内部单元由波纹片构成， 相邻波纹片之间的夹角成9 0 。，波纹与管轴间夹角成4 5 。 s x ，s x l ，s l ，s l l 型静态混合器，其内部单元由横条片构成。s x ，s x l 型的横条与管轴问夹角为4 5 。，横条片数目较多，通道较小。s l ，s l l 型从原理 上讲是一种低压降的s x ，s x l 型，其单元的横条片与管轴间夹角成3 0 。，横条片 数目较少，通道的尺寸较大。 s v ，s v l ，s x ，s x l ，s l ，s l l 型静态混合器，其内部由各种单元体构成许 许多多截面各不相同的通道，流体在通道内运动时发生相对位移，形成主体对流 和涡旋运动。 s k ，s k l 型静态混合器，即单螺旋形静态混合器，其内部单元由扭转1 8 0 。 的叶片( 也可扭转9 0 。或2 7 0 。) 构成，根据螺旋方向不同分为左旋和右旋。 s h ，s h l 型静态混合器，即双螺旋形静态混合器，其内部单元由两个螺旋形 叶片平行安装构成，相邻单元间设有一个混合室。 s k ，s k l ，s h ，s h l 型静态混合器，属于流体流经通道内同一截面流速不同 导致的相对位移，其内部由各种螺旋单元体构成通道，流体在通道内发生螺旋运 动，同一截面流速不同，形成主体对流的同时也产生涡旋运动。 j h f i 与j h f i i 型静态混合器，与其它型号的静态混合器不同，它们不是用 板材而是用管材制造内部单元，能大幅度提高传热面积，可保持较高的比体积传 热面积和传热速率。对于高粘度介质，其传热系数和比体积传热速率也能达到比 4 青岛科技大学研究生学位论文 较理想的数值，是常用的列管式换热器的5 - 一6 倍。 表1 1 列出1 2 种静态混合器的主要用途和范围。 表1 - 1 静态混合器常用1 2 种型号产品的用途 t a b 1 1a p p l i c a t i o no f p r o d u c tt y p e s1 2o f s t a t i cm i x e r 型号产品用途 s v s x s l s h 适用于粘度1 0 2 m p a s 的气、液单相或两相的混合、吸收、乳化、反应、萃取、强化 传热过程，较适用于清洁介质。 适用于粘度1 0 4 m p a s 的中高粘度液液混合、吸收、反应过程或生产聚合物流体的混 合、反应过程，处理量较大时效果更佳。 适用于化工、石油等行业，粘度1 0 5 m p a s 或伴有高聚物流体的混合、传热过程，加 热或冷却粘性产品等单元操作。 适用于塑料、合成纤维、精细化工、冶矿等行业流体的混合、配色、乳化、注塑等过程， 对流量小，混合要求高的中高粘度( 1 0 4 m p a s ) 的清洁介质混合、传热效果较好。 适用于化工、石油、炼油、精细化工、塑料挤出、环保、冶矿等行业，粘度1 0 6 m p a s s k 流体或液同混合、反应、传热、吸收、萃取、挤出等过程，对流量小并伴有杂质的粘性 介质较为适用。 综合以上1 2 种型号的静态混合器进行分析比较，由于内部静态单元的形状不 同，导致流通通道各异，因此性能也有明显的区别：从效率上说，s v 和s v l 型效 率最高；s x ，s x l ，s h 和s h l 型次之；s k ，s k l ，s l 和s l l 效率较低，但是因其 通道是横条或是螺旋体构成，故不容易堵塞管道。从放大效应上说，s v 和s v l 型 放大效应很小，而s l ，s h ，s h l ，s k 和s k l 型由于单元特性导致放大性能相对 较差【1 6 j 。s k ，s k l ，s l 和s l l 型常用于含杂质较多流体混合场所；j h f i 与j h f i i 型因其比体积传热面积较大，主要用于高粘度介质的强化传热与混合。 1 2 2 喷射混合器 喷射混合器具有良好的流动及混合特性，有利于强化传质，改善内部浓度和 温度分布，并且喷射混合器不消耗机械能，在某些场合还可以用作反应器，加快 反应进程，提高反应的选择性，在越来越广泛的场所代替机械传动搅拌器成为工 程师们首选的混合设备【1 7 1 。 5 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 喷射混合器的主要部件有【1 8 】：工作喷嘴( a ) 、接受室( b ) 、混合室( c ) 和扩散室 ( d ) ，结构简图见图1 2 ： a m o z z l e ；e f e c e i v es e t i o n ；、_ m i x i n gs e c t i o n ；l 卜司i f f u s i o ns e t i o n 图1 - 2 喷射混合器简图 f i g 1 2s c h e m a t i cd r a w i n go f j e tm i x e r 高压工作流体( p r i m a r yf l u i d ，m o t i v ef l u i d ，亦称主动流体、驱动流体) 从 混合器喷嘴高速喷出，在喷嘴处由于高速射流边界层的紊动扩散作用，与被卷吸 进来的低压流体( s e c o n d a r yf l u i d ，e n t r a i n e df l u i d ，也称为引射流体、次流体) 进入混合室接触后开始混合，进行速度与能量的均衡、动量与质量的传递【1 9 1 。随 后，混合流体进入扩散室，速度逐渐减慢，动能逐渐地转化为压力能，出口处混 合流体的压力要高于进入接受室时引射流体的压力。喷射混合器的工作过程大体 可以分为三个阶段： 主流流体形成高速射流阶段，压力能转化为动能； 主、次流体混合阶段，进行动量、质量和能量交换； 压缩阶段，动能转化为压力能，混合流体增压后被排出喷射混合器。 1 2 2 1 喷射混合器的特点 喷射混合器作为一类新型混合单元设备，具有以下特点【2 0 】： 多相传质性能好； 传热能效大； 单位体积输入功率大； 密封性能好，便于高压反应； 操作弹性好； 操作简单，维护方便，维修费用低； 6 青岛科技人学研究生学位论文 传质速率和混合效果对混合器规模依赖程度小，便于工程放大； 喷射混合器结构简单，无运动部件，节约能耗且便于生产过程的连续化。 1 2 2 2 喷射混合器的工业应用 早期喷射混合器多应用于传质、输送、抽真空、除尘、直接加热和制冷1 2 l 】 等化工单元操作中，近来不少科研工作者致力于扩大喷射器在工业上的应用上， 尝试把喷射混合器作为反应设备，加快反应进程、抑制副反应。 化工领域 主要用于磺化硫酸化、催化加氢、次氯化氯化、氧化等反应中，还应用于 喷射吸收制碳酸钠、生产超细碳酸钙、纯碱吸收n o 和n 0 2 制亚硝酸盐和硝酸 盐等【2 2 】生产中。 石油化工领域 主要用于重油的催化裂化、氯乙醇的生产、环氧乙烷氧化、聚氧乙烯型非离 子表面活性剂的生产、联氨的氧化等 2 3 】。 环境保护领域 - 主要用于废水、废气、污水处理方面【2 4 1 。一些工厂利用喷射技术处理生产中 的废水，如造纸废水、富含硫酸盐高浓度有机废水、啤酒废水【2 引、石化废水、生 物降解甲基紫染料废水【2 6 】等。在废气处理中主要体现在吸收工业废气中的s 0 2 ， 用氢氧化钠溶液吸收氯化反应放出的c 1 2 和h c l 2 7 1 ，用喷射装置对半水煤气脱硫 工艺进行改造【2 8 】等。有些城市也采用喷射技术来处理城市污水。 生物工程领域 生化反应大多是放热反应，要求保持低温体系，故需要体系具有较大的传热 面积和传热系数，保证培养液均匀混合效果良好，避免局部温度和浓度过高或过 低；需氧反应还要求供氧能力好，喷射混合器可以满足以上要求。主要用于红霉 素发酵、青霉素的生产、假丝酵母和鞭毛孢子的发酵【2 9 1 、苏云金杆菌的制备等。 1 3 国内外研究概况 7 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 1 3 1 静态混合器及c f d 模拟 1 9 3 0 年前后美国和德国开始尝试在管路中使用流体连续混合的方法，它是由 简单的结构组成折流板或迷宫等，利用增强流过折流板或迷宫的流体湍动来达到 混合的目的1 3 。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条件 的最早发明，是登记于1 9 5 9 年8 月的比利时第5 4 8 4 7 8 号专利【3 1 1 。与只在流体管路 中设置折流板不同，静态混合器是利用流体管路分割流体而在流体产生位移后又 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。以 后又相继开发了多种静态混合器，均以“分割位置移动重新混合的想法为基 础，并考虑了流体的性质以及对过去各种方案的设想进行综合分析而产生的【3 2 1 。 b a k k e ra n dl a r o c h e 【3 3 j 用c f d 软件对静态混合器流场进行了分析。p a n 等【3 4 】用 e p t 技术和流体有限元软件分析了流体流经静态混合器过程中的流场变化过程。 j m z a l 等【3 5 j 对s m x 型静态混合器的进料位置和流率影响进行了模拟研究。国内化 工部上海化工研究院最早开始研究静态混合器，1 9 7 7 年和1 9 7 8 年分别进行了文献 调查和探索实验，1 9 8 5 年研制的s m x 型静态混合器得到化工部认证。目前国内的 研究也有了一定进展。朱锡锋【3 6 j 对水力式静态混合器进行了数值模拟及参数设 计。徐百平等【3 。7 】对k e n i c s 静态混合器的强化传热进行了研究。赵建华等【3 8 】以空气 和水为介质用实验法测定了k e n i c s 静态混合器的压力降。石巍等【3 9 】利用n a 2 s 0 3 水 溶液、空气系统，采用化学吸收方法研究静态混合器的气、液混合传质特性，对 模拟结果进行了实验验证。 1 3 2 喷射混合器及c f d 模拟 1 9 4 2 年k e e n a n 和n e u m a n n 建立了一维的能量、质量和动量守恒方程来预测喷 射混合器的性能，开创了喷射混合器理论分析的先河。1 9 8 3 ：匀z f l u g e l t 4 0 】提出了可 适用于描述单相物质系统中喷射混合器实验结果的基本理论概念。虽然喷射混合 器的研究起步较晚，但发展迅速，在工程开发和工业应用上不断取得新进展。国 际上有不少公司针对不同体系对喷射器进行了研究开发，如瑞士b u s s 和e c c h e m 公司，美国c h e m i t h o n 公司等【4 1 1 。 h a b i bd 等掣1 对两股不同温度的流体在喷射混合器内混合情况进行了研究， 考察了混合器内的宏观混合情况。g a n g 等利用粒子成像测速系统( p a r t i c l ei m a g e v e l o c i m e t r y ，p i v ) 对t 型喷射混合器的c f d 模拟结果进行了验证。l u o 等【4 3 】利用 p l i f 技术和c f d 方法对薄层撞击流喷射器进行了研究。r a h i m i 掣删利用c f d 方法 对半间歇喷射混合器进行了研究。这些研究获得了喷射混合器内部较为详细的流 8 青岛科技大学研究生学位论文 场信息，对喷射混合器的优化设计具有一定的帮助。 我国对喷射混合器的研究相对较为滞后，7 0 年代开始有文献报道。从上个世 纪7 0 年代开始至今，先后针对数十个不同类型和不同物质体系的喷射混合器展开 了研究，研究内容主要包括分析喷射混合器的流动特性、混合特性、传质特性及 反应特性。到目前为止，对于喷射混合器的研究大多集中在通过实验对喷射混合 器的喷射系数和物系相间传质系数的回归上 4 5 , 4 6 ，这些研究通过测定喷射混合器 进出口处组分的不同浓度来回归出喷射系数和传质系数，由于不同的作者选择的 实验物系和喷射混合器结构尺寸也不相同，所以获得的结果相差很大。少量的文 献对喷射混合器内物料的混合效果及其对反应的影响进行了研列4 7 a 8 。赵红妹等 4 9 , 5 0 禾1 j 用计算流体力学软件c f x 5 对喷射混合器的放大规则进行了初步探讨，但由 于计算的工况较少，得出的结果规律性并不明显。 以上对静态混合器及喷射混合器的研究，多是以实验手段来回归分析各种因 素的影响规律，所得结论受实验条件限制，且没有获得混合器内部详细的流场和 浓度信息，只能用来评价不同混合器的性能，不能直接用来优化设计新的混合器。 已有的研究只从宏观角度对s k 型静态混合器和喷射混合器的性能进行了考察， 没有考虑微观混合对过程的影响。 1 4 本论文研究内容 综上所述，静态混合器及喷射混合器作为两种新型化工单元设备，虽然已经 在工业上有了较多地应用，已有的研究尚具有以下不足：首先，实验手段上主要 以测量混合器进出口的组分浓度来回归相应参数为主要方法，这种方法不能获得 混合器内流场的详细信息，不能为混合器的优化设计提供足够的依据。其次，混 合器内的湍流混合是个复杂的多尺度过程，所以无论对其进行计算机模拟还是实 验研究都需要充分考虑到各尺度下的混合，而已有的研究只注意到了宏观尺度的 过程，对微观尺度的混合并没有深入研究。 正是由于上述不足，实际应用中静态混合器及喷射混合器往往经过多次实验 室试验、中试再到工业应用三个程序，而每次试验所得出的结果也只能应用到特 定的操作条件下，条件改变则必须重新试验以确保装置的正常运行。 本文主要通过c f d 数值模拟的方法对s k 型静态混合器和喷射混合器内的液 液多尺度的层流和湍流混合过程进行模拟研究，研究混合器内物料的混合情况， 并考察操作条件和设备参数对混合器宏观混合效果、微观混合效果及压降的影 响，为混合器的优化设计、工程放大奠定理论基础。本文的研究内容主要包括以 9 s k 型静态混合器与喷射混合器的c f d 模拟研究 f 几个方面： 建立s k 型静态混合器和喷射混合器的三维物理模型。 建立混合器内混合效果的评价指标，从微观与宏观两个