胡紀(jì)全，李志富，謝丹林

(中國(guó)石油化工股份有限公司金陵分公司，江蘇 南京 210033)

靜態(tài)混合器是一種沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件的混合設(shè)備，是解決混合、乳化、反應(yīng)等過(guò)程的理想設(shè)備，其工作原理是依靠?jī)?nèi)部的特殊結(jié)構(gòu)(混合單元)和流體的運(yùn)動(dòng)，使互不相溶的流體通過(guò)各自分散、剪切、重新定向等方式進(jìn)行混合，以達(dá)到良好的混合效果，近年來(lái)在石油化工領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用【1】。Jildert E. Visser團(tuán)隊(duì)于1999年通過(guò)研究混合器內(nèi)部的板片數(shù)量對(duì)于流動(dòng)特性的影響，得出了SMX型靜態(tài)混合器內(nèi)部板片數(shù)量為4片時(shí)綜合特性較好的結(jié)論【2】。Liu S P 團(tuán)隊(duì)于2006年對(duì)SMX型靜態(tài)混合器在層流狀態(tài)下非牛頓流體的流動(dòng)及混合特性進(jìn)行了研究，得出粘度的大小影響靜態(tài)混合器的混合效果的結(jié)論【3】。SWX型靜態(tài)混合器內(nèi)部混合單元的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)采用實(shí)驗(yàn)研究方法較為困難，隨著有限元和流體力學(xué)的推進(jìn)，通過(guò)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法(CFD)來(lái)研究流體在靜態(tài)混合器內(nèi)部的流動(dòng)過(guò)程和混合機(jī)理成為目前較為常用的方法之一。ANSYS Workbench下的FLUENT模塊是目前較為常用的CFD軟件，在ANSYS Workbench環(huán)境下可以讀入多種CAD/CAE軟件的結(jié)構(gòu)模型，并可以與三維軟件建立無(wú)縫連接，最大程度地確保模型的準(zhǔn)確性，其功能較強(qiáng)大，劃分的網(wǎng)格易于收斂，且具有自適應(yīng)功能【4】。

金陵分公司柴油管道在線質(zhì)量調(diào)和系統(tǒng)目前主要用于調(diào)和3種品質(zhì)的柴油，分別為輕質(zhì)燃料油、國(guó)Ⅵ柴油和出口柴油，其調(diào)和組分主要有4個(gè)，分別為Ⅲ柴油加氫柴油、Ⅳ柴油加氫柴油、Ⅰ加氫裂化柴油、Ⅱ加氫裂化柴油。各組分柴油及參與調(diào)和的添加劑(抗靜電劑、抗磨劑、十六烷值劑)經(jīng)過(guò)調(diào)和泵流量計(jì)、流量調(diào)節(jié)閥和止回閥后進(jìn)入靜態(tài)混合器，并在混合器內(nèi)充分混合。調(diào)和好的成品油連續(xù)送往出廠油罐，經(jīng)質(zhì)檢中心化驗(yàn)分析合格后才能夠出廠。

由此可以看出，混合器在調(diào)和系統(tǒng)中對(duì)于調(diào)節(jié)油品質(zhì)量起到關(guān)鍵性作用。儲(chǔ)運(yùn)部成品工區(qū)通過(guò)長(zhǎng)期使用在線調(diào)和系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，調(diào)和后的成品油有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)密度分層或者混合效果未滿足質(zhì)量要求的情況。因此，研究混合器的混合機(jī)理、尋求其內(nèi)在的規(guī)律是十分有必要的。為給后期的設(shè)備改造和工藝優(yōu)化做準(zhǔn)備，同時(shí)也為SWX型混合器在石油化工領(lǐng)域的應(yīng)用、設(shè)計(jì)和安裝提供參考依據(jù)，本文從設(shè)備的角度入手，通過(guò)FLUENT軟件對(duì)靜態(tài)混合器在湍流狀態(tài)下的流體進(jìn)行數(shù)值模擬分析，研究流體在混合器內(nèi)部的流動(dòng)特性、速度場(chǎng)特性、壓力特性、傳熱特性，并得出一系列結(jié)論。

1 模型的建立

金陵分公司儲(chǔ)運(yùn)部成品工區(qū)柴油調(diào)和系統(tǒng)中的混合器為南通市旺達(dá)石化工程股份有限公司生產(chǎn)的“SWX400-2.5-3000AB”型號(hào)的混合器。本文采用Pro/E軟件對(duì)靜態(tài)混合器按照與實(shí)物1∶1 的比例進(jìn)行三維實(shí)體建模。該混合器主要由7組混合單元和套筒等組成，每組混合單元的長(zhǎng)度與管道直徑相同，為400 mm，由24個(gè)厚度為3 mm的板片組成，每個(gè)板片的安裝與管道軸線成45°夾角；后一組混合單元的安裝相對(duì)于前一組旋轉(zhuǎn)90°。靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1(a)～圖1(b)。

圖1 靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)

1.1 物理模型

采用Pro/E軟件對(duì)SWX型靜態(tài)混合器的混合單元及流體結(jié)構(gòu)建立物理模型，并通過(guò)Pro/E軟件與ANSYS軟件中的ANSYS Workbench建立無(wú)縫連接，不需要轉(zhuǎn)化為中間格式即可將流體結(jié)構(gòu)模型直接導(dǎo)入ANSYS軟件中的FLUENT模塊下進(jìn)行分析設(shè)置。流體模型見(jiàn)圖2。

圖2 流體模型

1.2 數(shù)學(xué)模型

采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型對(duì)在湍流狀態(tài)下的SWX型靜態(tài)混合器進(jìn)行流場(chǎng)、速度場(chǎng)、壓力場(chǎng)和傳熱分析。標(biāo)準(zhǔn)κ-ε模型是工程應(yīng)用中最為廣泛的湍流模型之一，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、求解穩(wěn)定且精確度高的特點(diǎn)。采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型，靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動(dòng)與傳熱特性等應(yīng)滿足連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒和能量守恒3個(gè)基本的數(shù)學(xué)方程。對(duì)于不可壓縮的牛頓流體，數(shù)學(xué)方程可簡(jiǎn)化為以下形式【5】：

其中，ρ為流體的密度；vx、vy、vz分別是x、y、z方向上的速度矢量；p是流體微元體上的壓力；t為時(shí)間；gx、gy、gz是重力產(chǎn)生的加速度分量；μe是有效粘度；Rx、Ry、Rz為阻力；Sx、Sy、Sz為粘性損失項(xiàng)；T為溫度；Cp為比熱容；k為導(dǎo)熱系數(shù)；Wv為粘性功；Qv為體積熱源；Ek為動(dòng)能；φ為粘性生熱項(xiàng)。

1.3 網(wǎng)格劃分

通過(guò)ANSYS Workbench自帶的前處理功能進(jìn)行靜態(tài)混合器內(nèi)流體模型的網(wǎng)格劃分(見(jiàn)圖3)。模型采用四面體網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量平均值達(dá)到0.62?？紤]到既能反映SWX型靜態(tài)混合器中流體在湍流狀態(tài)下流動(dòng)的具體特征，又能夠獲得更高質(zhì)量的網(wǎng)格，采用協(xié)調(diào)分片算法進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到7.4萬(wàn)個(gè)。

圖3 流體模型網(wǎng)格劃分

1.4 邊界條件

流體的進(jìn)口邊界條件為流量入口，出口邊界條件為自由出口，管壁和混合單元每個(gè)板片壁面的邊界條件均采用無(wú)滑移壁面；混合器內(nèi)部的流體介質(zhì)采用水，流體設(shè)置為粘性的、不可壓縮的流體。本次模擬采用標(biāo)準(zhǔn)的κ-ε模型，并采用壓力基求解器和SIMPLE算法進(jìn)行求解，計(jì)算收斂為殘差小于10-6，求解器中的主要參數(shù)、動(dòng)量等均采用二階迎風(fēng)格式，相對(duì)于其他求解器求解穩(wěn)定性更好。

2 模擬結(jié)果分析

2.1 流動(dòng)特性

入口流量Q為1 000 m3/h時(shí)，靜態(tài)混合器沿軸向在各個(gè)不同截面上的速度等值線分布見(jiàn)圖4(a)～圖4(d)。

由圖4(a)～圖4(d)可以看出：由于靜態(tài)混合器內(nèi)部7組混合單元的存在，流體不斷進(jìn)行剪切、分割、旋轉(zhuǎn)、分離和重組運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致初始速度均為2.2 m/s的流體經(jīng)過(guò)混合單元后出現(xiàn)了速度的分化，速度分布越來(lái)越不均勻，這有助于流體介質(zhì)之間的充分混合。

由圖4(a)可知：流體在入口位置還沒(méi)有流進(jìn)第1組混合單元時(shí)，由于受到混合單元板片的阻礙，最大流速相對(duì)其他截面位置低一些，但此時(shí)流體的速度并沒(méi)有出現(xiàn)分化，分布相對(duì)較均勻。經(jīng)過(guò)第1組混合單元后，流體達(dá)到圖4(b)的狀態(tài)，出現(xiàn)了速度分化，在混合單元板片的作用下，整個(gè)流體被分割為多個(gè)區(qū)域，區(qū)域內(nèi)的流體呈旋轉(zhuǎn)式流動(dòng)。流體經(jīng)過(guò)第2組混合單元后，其流動(dòng)達(dá)到圖4(c)的狀態(tài)，由于第2組混合單元相對(duì)第1組混合單元旋轉(zhuǎn)了90°，因此會(huì)導(dǎo)致流體狀態(tài)整體發(fā)生較大變化，分割、分離的流體區(qū)域進(jìn)行重組、重定向，其流速進(jìn)行重新分化，更好地促進(jìn)流體介質(zhì)的混合；流體經(jīng)過(guò)7組混合單元，即對(duì)流體進(jìn)行了7次分割、分離、重組以及速度的分化。由圖4(d)可以看出：流體經(jīng)過(guò)7組混合單元后，其流動(dòng)狀態(tài)由局部分割區(qū)域漸變?yōu)檎w的層流流動(dòng)，速度分化逐漸終止，最后流出混合器，達(dá)到良好的混合效果。

2.2 速度場(chǎng)特性

入口流量Q為1 000 m3/h時(shí)，流體沿軸向和徑向方向某一截面的速度矢量如圖5(a)～圖5(b)所示，沿靜態(tài)混合器軸向混合單元中截面的徑向速度云圖如圖6(a)～圖6(d)所示、周向速度云圖如圖7(a)～圖7(d)所示、軸向速度云圖如圖8(a)～圖8(d)所示，圖6～圖8中的(a)、(b)、(c)、(d)分別表示第1、3、5、7組混合單元的中截面。

圖6 混合單元中截面的徑向速度云圖

由圖5(a)～圖5(b)可以看出：流體在沿軸向方向流動(dòng)時(shí)，受到混合單元板片的阻礙，產(chǎn)生徑向和周向運(yùn)動(dòng)。由圖6(a)～圖6(d)、圖7(a)～圖7(d)和圖8(a)～圖8(d)可知：每個(gè)截面均被分割為多個(gè)速度區(qū)域，每個(gè)區(qū)域的流速不同，而靠近壁面的位置，流速最??；另外，徑向、周向和軸向速度區(qū)域大體上相對(duì)于其軸線呈對(duì)稱(chēng)分布，只是速度數(shù)值大小不同。

圖7 混合單元中截面的周向速度云圖

由圖7(a)～圖7(b)可以看出：徑向速度由于混合元件各板片的阻擾，其相鄰區(qū)域的速度方向相反；而周向和軸向速度截面區(qū)域的分割相對(duì)徑向少，有利于流體沿軸向的流動(dòng)?；旌掀鲀?nèi)流體的軸向最大平均流速為3.27 m/s，徑向最大平均流速為2.47 m/s，周向最大平均流速為1.95 m/s，由此可得，軸向最大流速約為徑向流速的1.3倍、周向流速的1.7倍，表明流體在靜態(tài)混合器內(nèi)沿軸向流動(dòng)時(shí)，由于混合單元的阻擾產(chǎn)生徑向和周向運(yùn)動(dòng)，使流體發(fā)生分散、分割和重組等多種形式的變化，促進(jìn)了流體介質(zhì)的混合。

由圖6(a)～圖6(d)、圖7(a)～圖7(d)和圖8(a)～圖8(d)可以看出：第1組與第3組混合單元中截面徑向、周向和軸向速度云圖中的速度區(qū)域變化較大，而第5組與第7組混合單元中截面徑向、周向和軸向速度云圖中的速度區(qū)域相差不大，表明流體經(jīng)過(guò)第3、4組混合單元后，基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，流速區(qū)域的分割也相對(duì)穩(wěn)定，也表明第5、6、7混合單元相比第1、2、3混合單元在混合器內(nèi)起到的混合作用弱一些，后3組混合單元僅起到強(qiáng)化混合的作用。

2.3 壓力特性

為了便于研究不同流體流量對(duì)于混合器內(nèi)流體壓力降的影響以及混合器元件對(duì)于流體壓力的影響，設(shè)置了3個(gè)不同的入口流量(1 500、1 000和500 m3/h)計(jì)算流體在整個(gè)混合器內(nèi)的壓力分布[見(jiàn)圖9(a)～圖9(c)]。取入口流量1 000 m3/h作為研究混合單元對(duì)于流體壓力研究的對(duì)象，通過(guò)模擬計(jì)算得出流體在靜態(tài)混合器內(nèi)各個(gè)不同截面上的壓力分布[見(jiàn)圖10(a)～圖10(d)]。

圖9 不同流量對(duì)于混合內(nèi)流體壓力分布的影響

由圖9(a)～圖9(c)可知:流體在混合器內(nèi)沿軸向流動(dòng)時(shí)，混合單元會(huì)阻擾流體的流動(dòng)，每經(jīng)過(guò)一組混合單元后，其出口壓力均有一定程度的降低，從而產(chǎn)生壓力降。Q為1 500 m3/h時(shí)，流體產(chǎn)生的最大壓力為0.49 MPa；Q為1 000 m3/h時(shí)，最大壓力為0.22 MPa；Q為500 m3/h時(shí)，最大壓力為0.05 MPa，可見(jiàn)，流量越大，混合器入口處的壓力越大，產(chǎn)生的壓力降就越大。流量太低易導(dǎo)致流體無(wú)法充滿混合器的現(xiàn)象，混合效果差；流量過(guò)高則易造成送油裝置憋壓現(xiàn)象的產(chǎn)生，因此有效控制流量的大小對(duì)控制混合器內(nèi)壓力降和混合效果可起到?jīng)Q定性的作用，其具體流量值可根據(jù)裝置輸送油品產(chǎn)生的壓力確定。

由圖10(a)可知：流體在靜態(tài)混合器入口位置受到混合單元的阻力，此時(shí)流體產(chǎn)生的最大壓力為0.22 MPa。由圖10(b)和圖10(c)可知：流體每經(jīng)過(guò)一組混合單元后，其壓力均有一定程度的降低，經(jīng)過(guò)7組混合單元后流體的壓力分布如圖10(d)所示。由圖10(d)可見(jiàn)，流體的最大壓力為2 742 Pa。這充分說(shuō)明了流體沿著管道流動(dòng)時(shí)，混合單元的存在不可避免地增加了流體沿流動(dòng)方向的阻力，其組數(shù)越多，靜態(tài)混合器產(chǎn)生的壓降越大，因此合理控制混合單元的組數(shù)有利于防止裝置輸送油時(shí)混合器入口的壓力較大的問(wèn)題，避免因裝置憋壓而引起事故的發(fā)生。

2.4 傳熱特性

在實(shí)際使用過(guò)程中，通過(guò)長(zhǎng)期對(duì)該混合器與其他輸油管道進(jìn)行對(duì)比測(cè)溫發(fā)現(xiàn)，其溫度比其他輸油管道變化大，表明混合器具有對(duì)流傳熱的特性。為了證實(shí)這一現(xiàn)象，取1個(gè)400 mm的空管進(jìn)行模擬對(duì)比分析。管外壁面的邊界條件均設(shè)為固定無(wú)滑移恒溫壁面，壁面溫度為350 K，流體入口溫度為300 K；流體介質(zhì)、入口流量、出口邊界和混合單元壁面邊界條件均保持不變，從而激活能量方程。空管和靜態(tài)混合器的模擬結(jié)果分別見(jiàn)圖11(a)～圖11(b)和圖12(a)～圖12(b)。

圖10 流體在混合器內(nèi)各截面上的壓力分布

圖11 空管入口和出口位置截面的溫度分布

由圖11(a)～圖11(b)可以看出：空管內(nèi)的流體從入口到出口位置，溫度區(qū)域和溫度層沒(méi)有發(fā)生任何變化，其溫度梯度無(wú)法消除，表明空管的傳熱性能較差。而在對(duì)流傳熱過(guò)程中，溫度層和溫度梯度的變化決定著整個(gè)傳熱過(guò)程中的熱阻【6】，這將直接影響到流體在混合器內(nèi)對(duì)流傳熱的效果。

由圖12(a)～圖12(b)可以看出： 流體經(jīng)過(guò)混合器的混合單元后， 流體的溫度區(qū)域由入口時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槌隹跁r(shí)的狀態(tài)， 流體的溫度區(qū)域和溫度層發(fā)生了明顯的變化， 可見(jiàn)靜態(tài)混合器對(duì)于流體的傳熱有良好的促進(jìn)作用。這主要是由于流體除了沿軸向運(yùn)動(dòng)外， 還有徑向和周向運(yùn)動(dòng)， 混合單元對(duì)流體有剪切、 旋轉(zhuǎn)、 分割和重組的作用， 破壞了壁面的溫度梯度。對(duì)比圖11(a)～圖11(b)和圖12(a)～圖12(b)可以看出： 靜態(tài)混合器內(nèi)流體的溫度區(qū)域分布相比空管的溫度區(qū)域分布較均勻些， 說(shuō)明靜態(tài)混合器的傳熱性能明顯優(yōu)于空管，有較強(qiáng)的對(duì)流傳熱性能和均化溫度的特性。

圖12 靜態(tài)混合器入口和出口位置截面的溫度分布

3 結(jié)論

通過(guò)ANSYS Workbench下的FLUENT模塊對(duì)SWX型靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動(dòng)過(guò)程和混合機(jī)理進(jìn)行研究分析，得出以下結(jié)論：

1) 通過(guò)流動(dòng)特性的分析得出：流體沿著軸向流動(dòng)時(shí)，由于靜態(tài)混合器中混合單元的阻擾作用，使流體運(yùn)動(dòng)出現(xiàn)了多種形式的變化，并出現(xiàn)了速度的分化，這促進(jìn)了流體介質(zhì)之間的充分混合。

2) 由速度場(chǎng)特性得出：流體除沿軸向流動(dòng)外，還有周向和徑向運(yùn)動(dòng)，其軸向最大流速約為徑向流速的1.3倍、周向流速的1.7倍，3種運(yùn)動(dòng)的同時(shí)存在促進(jìn)了流體介質(zhì)的混合效果；另外，流體經(jīng)過(guò)第3、4組混合單元后，流體基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，流速區(qū)域的分割也相對(duì)穩(wěn)定，第5、6、7組混合單元相比第1、2、3組混合單元強(qiáng)化混合效果弱一些。

3) 由壓力特性分析得出：由于混合單元的存在增加了流體沿流動(dòng)方向的阻力，流量越高，靜態(tài)混合器內(nèi)的壓力降越大，因此有效控制流量的大小對(duì)控制混合器內(nèi)壓力降和混合效果可起到?jīng)Q定性的作用；另外，混合單元數(shù)量越多，靜態(tài)混合器產(chǎn)生的壓降越大，合理控制混合單元的數(shù)量有利于防止裝置憋壓，避免發(fā)生事故。

4) 通過(guò)對(duì)靜態(tài)混合器和空管的傳熱性能進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)混合器具有較強(qiáng)的傳熱性能和均化混合器內(nèi)流體溫度的特性。

通過(guò)本文的研究，首先可以為SWX型混合器工藝參數(shù)的選擇提供理論依據(jù)，使混合器充分發(fā)揮其混合作用；其次可以為靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)和安裝提供參考依據(jù)，如將混合單元由7組更改為6組，即拆除第4組混合單元，留出一組混合單元的空隙，可使流體在混合器內(nèi)進(jìn)行2次強(qiáng)烈的混合，從而達(dá)到比目前更好的混合效果；最后可以為混合器在傳熱裝置的應(yīng)用提供理論依據(jù)。