王 賀，孫國杰，張 靜，吳劍華

（沈陽化工大學， 遼寧 沈陽 110142）

靜態(tài)混合器，就是在管路中放置一系列結(jié)構(gòu)相似、按一定規(guī)則排列的靜止元件，利用這些靜態(tài)混合元件及流體的本身特性，實現(xiàn)流體的不斷分割、扭轉(zhuǎn)、位移和匯合，達到流體的充分混合。由于靜態(tài)混合器具有很好的混合效果，同時操作成本低、占地面積小、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點，因而廣泛應用于流體的混合、傳熱和傳質(zhì)。在工程實際中，雖然絕大多數(shù)流動是紊流，但是層流常見于一些低速，高粘性流體的管道流動，如潤滑油管，輸油管內(nèi)的流動以及地下水的流動等。層流時，混合機理是“分割-位置移動-重新匯合”三要素對流體進行有規(guī)則而反復的作用以達到混合[1]。氣-液兩相流在靜態(tài)混合中的應用是比較常見的[2]，例如，在天然氣除硫化氫或者除二氧化碳，廢水處理、氣體的溶解,加氫、氯化等。

氣泡大小、形狀是影響氣-液兩相流動特性的重要參數(shù)，氣泡大小不同，將有不同的形狀及不同的運動規(guī)律。一般認為，直徑小于 0.2 cm，Re=700~800，中等雷諾數(shù)，屬于中等尺寸的氣泡；直徑0.2~1.5 cm，Re大于800，成為大氣泡。在中等雷諾數(shù)時，氣泡形狀可認為是球形，大雷諾數(shù)時，則不再為球形。直徑為0.2~0.3 cm時，氣泡開始明顯變形，成為壓扁的橢球形，其短軸指向氣泡運動的方向[3]。氣泡的幾何形狀和他們運動時受到的阻力等特性以及周圍的流場有關系。大的氣泡形狀有所差異，可以是橢球、半橢球、橢球帽形也可以是球帽形[4]。

本文采用單氣泡實驗對SK型靜態(tài)混合器內(nèi)氣-液間混合過程進行試驗研究 ，針對主流速度、氣泡尺寸、混合元件數(shù)量等參數(shù)對氣液混合效果差異進行實驗研究，并就整個混合過程中的壓力降進行了分析。

1 實驗部分

1.1 實驗設備

如圖1所示，實驗采用轉(zhuǎn)子流量計（流量范圍：25~250 L/h）控制水（水中添加少量紅色染色劑）的流量，在混合管入口處貼近上壁面放置內(nèi)徑為 2 mm的細管，并與連續(xù)注射器（注射量范圍：0~10 mL，誤差范圍：±0.05 mL）連接，定量輸入空氣，形成間斷的氣泡。用攝像機（性能參數(shù)：30幀/s）錄下氣液兩相在混合管內(nèi)流動的動態(tài)變化，用出口處的差壓變送器（測量范圍：0~1 000 Pa，誤差范圍：±10 Pa）記錄壓力的瞬時變化，為混合器評價提供原始數(shù)據(jù)。

圖1 實驗裝置簡圖Fig.1 Sketch of experiment equipment

1.2 實驗方法

本文對空管、SK型靜態(tài)混合器進行氣-液混合實驗，其中空管管長500 mm，管內(nèi)徑40 mm，下文用符號KG表示；在空管中放置扭旋葉片，葉片的直徑為40 mm，長徑比為1.5，旋轉(zhuǎn)角180°，片厚度為5 mm，距離入口50 mm，下文用符號SK表示，如圖2所示。

圖2 實驗用SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)及坐標示意圖Fig.2 Sketch of SK static mixer's structure and coordinates in experiment

如圖3所示，將一面大小為150 mm×480 mm的鏡面緊貼在垂直的靜態(tài)混合器管壁上，實驗過程中，將相機鏡頭拍攝點與鏡面成45°，調(diào)節(jié)鏡頭焦距，取得清晰的混合器圖像A以及由鏡面反射作用所得的另一個畫面B。如果將A圖像作為靜態(tài)混合器主視圖，那么，由于鏡頭與鏡面成45°，由鏡面反射原理，我們可以把鏡像B視為混合器的左視圖。這樣，我們就能夠得到完整的氣泡在垂直混合管內(nèi)的流動過程的運動特征。

圖3 成像原理Fig.3 Image-forming principle

1.2 實驗步驟

由循環(huán)水泵抽送實驗介質(zhì)從水箱1經(jīng)由流量計流過靜態(tài)混合器，之后經(jīng)管路流回水箱 1。通過調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和管路上的轉(zhuǎn)子流量計調(diào)節(jié)流量；用壓差儀測得測取靜態(tài)混合器進、出口處置間的壓力降。當流量計的示數(shù)穩(wěn)定到預先流量后，用攝像機對準靜態(tài)混合器，開始測量。實驗前學對壓差變送器進行校正。實驗流程如圖1 所示。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 不同參數(shù)條件下氣泡形狀變化差異

2.1.1 兩相界面變化

Grace和Clift[5,6]認為氣泡的形狀與下列參數(shù)有關：

圖4 氣泡大小為10 cm3， R e= 350時，氣泡在靜態(tài)混合器內(nèi)的流動情況3Fig.4 The bubble in static mixer（Vg=10 cm, R e= 350）

圖4(a)為氣泡剛進入混合器內(nèi)下端，尚未與混合元件發(fā)生作用，氣泡的形狀為橢球帽形。圖4(b,c,d,e)為氣泡流經(jīng)SK型靜態(tài)混合器4個螺旋扭片的情形。圖4(b)為氣泡與螺旋扭片發(fā)生切割作用，氣泡已經(jīng)被切割為2氣泡，并且沿著右旋的扭片流動，流至1/2片情形。圖4(c)為氣泡流至第2個左旋扭片時情況，可以看到2個上升氣泡不再以相同速度同步運動，而在沿混合器方向上，二者之間的距離慢慢增大，圖4(d)中更為明顯。圖4(e)中部分氣泡脫離混合元件，剩余部分未脫離，仍停留在混合器內(nèi)，體積相對較小的氣泡被第四左旋扭片分割為2個小氣泡，圖4(f)中分散氣泡完全脫離混合元件。

從上述過程我們可以發(fā)現(xiàn)，氣泡被混合元件切割成兩個大小不同的氣泡，體積相對較大的氣泡會快速與下一個扭片發(fā)生切割，而體積相對的較小的氣泡會相對滯后。對于氣-液兩相流經(jīng)混合器，大氣泡會被切割為較小的氣泡。由于小氣泡具有較大的表面張力，所以導致小氣泡之間不易發(fā)生匯聚，因而大大增加了氣液兩相的相界面。SK型靜態(tài)混合器的混合元件是由左、右旋扭片依次排列組合構(gòu)成的，而靜態(tài)混合器的停留時間與螺旋扭片的幾何參數(shù)相關。流體流過混合元件時，切割的層數(shù)為 2N次，N為混合元件的個數(shù)[7]。在螺旋扭片的長徑比一定的情況下，增加混合元件的個數(shù)相當于增加混合管的長度［8］，氣-液兩相在混合器內(nèi)的停留時間隨著混合元件組數(shù)增多而增大。氣液兩相流過靜態(tài)混合器時受到混合元件不斷的切割，旋轉(zhuǎn)，移位，匯聚作用，使氣泡的形狀，大小，不斷發(fā)生變化，氣液兩相相界面也隨之發(fā)生頻繁變更，特別適用于工業(yè)上反應過程為氣相和液相物料的慢反應，在溫和的環(huán)境下，使反應緩慢充分進行，避免由傳統(tǒng)攪拌混合導致的局部混合不均勻，影響原料的利用率；避免為了混合充分加大攪拌速度，導致反應過于劇烈發(fā)生爆炸。

2.2 不同參數(shù)條件下壓降平穩(wěn)性評價

混合管的壓力降由沿程摩擦損失和局部阻力損失構(gòu)成。沿程摩擦損失是由流體沿軸線作直線直線運動和螺旋運動時與管壁摩擦引起的，局部阻力損失是混合元件交界面處流體被迫改變旋向和被下一個混合元件前緣切割分流造成的［9］。由于靜態(tài)混合器的設計往往是受限于螺旋扭片元件所造成的過大的壓力降，混合效果是以混合器在高的壓力降為代價的，因此在設計階段,壓力降是一個先決條件。此外,壓力降估計是確定混合器合理的操作窗具有很高的價值。

由圖5可知，氣泡在空管、裝有一組SK片、兩組 SK片的靜態(tài)混合器中，壓降變化走勢基本相同，但是空管壓力降最小，垂直管中放置一組螺旋扭片（雙片）時壓力降其次，放置兩組螺旋扭片（4片）壓力降最大。這是因為當管路加入混合元件后，氣-液兩相受到螺旋扭片部件的作用，局部阻力損失增大，而且隨著混合元件的個數(shù)增加，在元件交界處，元件對流體流向的改變及切割作用使局部阻力損失隨之增大，因而會造成上述情形。

圖5 氣泡大小10 cm3, =350Re 壓力降Fig. 5 The pressure drop（Vg=10 cm3, =350Re ）

由圖6可得，不同大小的氣泡在相同液體流速情況下，壓力波動不同。氣泡體積越大，在靜態(tài)混合器中流動，產(chǎn)生的壓力降越大。氣泡上升過程中，由于氣泡表面張力作用，使其內(nèi)部的壓強遠大于泡外液體壓強，而且當氣泡在靜態(tài)混合元件的作用下，破裂成小氣泡時，表面張力會增大，因而會產(chǎn)生相對較大的壓力降。

圖6 不同體積氣泡10 cm3, =350Re 壓力降Fig.6 The pressure drop of different size of bubble（ =350Re ）

3 結(jié) 論

SK型靜態(tài)混合器能夠使氣液兩相在管路內(nèi)停留時間增長，混合元件通過分割-位置移動-重新匯合，增大了氣液兩相界接觸面積，實現(xiàn)了混合的強化，有利于工業(yè)上的氣液兩相間的快速反應，不僅節(jié)省了能源消耗，同時減小了設備的占地面積，增加了經(jīng)濟效益，對于大宗化工原料生產(chǎn)的應用提供了可靠性。

增加靜態(tài)混合元件數(shù)會提高氣液兩相混合效果，但是會增大沿程管路損失及局部阻力損失，所以在設計工藝流程時既要考慮到混合效果，還要考慮設備的壓力承受能力，已達到最優(yōu)。

符號說明：

de特征長度

Vg氣泡體積

Ql液體流量

U 上升氣泡的終端速度

ρ 流體密度

μ 流體粘度

σ 流體表面張力

［1］ R K Thakur,Ch Vial.Static mixers in the process industry a-revie w[J].Trans IChemE,2003,81:787-826．

［2］ N F Shah,D D Kale.Two-phase, gas-liquid flows in static mixers[J].AIChE Journal,1991,38:308-310．

［3］ 戴干策,陳敏恒.化工流體力學[M].北京：化學工業(yè)出版社，2005．

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［5］ Grace J R. Shapes and velocities of bubbles rising in infinite liquids[J].Trans.Inst.Chem.Eng. ,1973,51:116-120．

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