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流程工業中的靜態混合器(一)

發布時間：2023/12/19

　　本文綜述了靜態混合器的研究領域，包括近期的改進和在工業過程中的應用。描述和比較了最常用的靜態混合器。強調了它們各自的優勢和局限性。在理論分析和實驗研究的基礎上，對靜態混合器的混合效率進行了比較。探討了利用靜態混合器可獲益的操作，即分相流體的混合、液-液和氣-液界面的產生、液-固相的分散和傳熱。本文報導了控制各種混合器這些應用性能的設計參數。突出顯示了選擇合適的混合器所需的關鍵參數。
引言
　　靜態混合器已成為流程工業的標準設備。然而，新的設計正在開發中，新的應用也正在探索中。靜態混合器在在線一次性過程或循環過程中補充甚至取代了傳統的攪拌器。它們在連續過程中的應用效果使其成為傳統攪拌的一個有利替代品，因為類似或更好的性能可以以更低的成本實現。靜態混合器由于沒有活動部件通常具有低能耗和低維護要求。他們為分批進料系統提供了一個更加可控和可調節的稀釋率，并可以提供同質化的進料流與最小的停留時間。它們可用于大多數建筑材料。表1中列出了靜態混合器相對于常規攪拌容器的一些潛在優勢。
　　雖然靜態混合器直到20世紀70年代才在流程工業中普遍建立起來，但專利的歷史要久遠得多。1874年的一項專利描述了一種單元件、多層不動混合器，用于混合空氣和氣體燃料。早期的一項法國專利使用分段螺旋元件促進管內混合，另一項法國專利展示了固體混合的多元素設計。促進傳熱的分級元件在20世紀50年代初獲得了專利。主要的石油化工公司都進行了開發工作，并且在幾十年的商業化過程中可能在內部使用了他們的設計。目前大約有2000項美國專利和8000多篇文獻描述了靜態混合器及其應用，有30多種商業型號可供選擇。
　　靜態混合器的雛形設計是一系列相同的、固定的插入件，稱為混合元件，可以安裝在管道、塔柱或反應器中。這些元件的目的是在與主流橫向的方向(即徑向和切向方向)重新分配流體，這種再分配的有效性取決于具體的設計和元素的數量。
　　商用靜態混合器有多種基本幾何形狀和許多可調參數，可針對特定應用進行優化，如串聯元素的數量、長徑比(單個元件的長度與其外徑之比)。商業設計通常使用各種參數的標準值，這些參數標準值通?？稍谡麄€應用范圍內提供良好的性能，并且可以獲得實驗數據。一般情況下，建議使用標準設計。整體來講，固定攪拌器比初級混合裝置(如彎頭管或三通管)表現出更高的效率，其性能也有更好的表征。圖1商業設計進行了舉例，表2列出了制造商。表3和表4總結了靜態混合器在流程工業中的應用。
　　表1 靜態混合器與機械攪拌容器相比的潛在優勢

靜態混合器	連續攪拌蓋式反應器
空間要求小	空間要求大
設備成本低	設備成本高
除泵送外不需要任何動力	高能耗
小法蘭密封	小法蘭加一個大法蘭密封
停留時間短	停留時間長
接近平推流	停留時間的指數分布
在低剪切率下能良好混合	局部高剪切速率會損壞敏感材料
產品等級變化快	產品等級的變化可能會產生浪費
自清潔，可替換的混合器或一次性混合器	需要清洗的大型容器

　　圖1所示：不同商用靜態混合器的組成部分:(a) Kenics (Chemineer Inc.);(b)低壓降(羅斯工程公司);(c) SMV(科赫-格力奇公司);(d) SMX(科赫-格力奇公司);(e) SMXL(科赫-格力奇公司);(f)界面表面發生器- ISG(羅斯工程公司);(g) HEV (Chemineer Inc.);(h)內襯系列50 (Lightnin Inc.);內膽系列45 (Lightnin Inc.);(j)保管轉移混合器(Komax系統公司);(k) DSR(Dodgen東庚公司)。
　　表2 商用靜態混合器

公司	混合器
Chemineer-Kenics	Kenics混合器(KM),HEV(高效旋渦混合器)
Dodgen東庚	東庚混合器DSR,DSXL
Charles Ross -Son	ISG(界面面發生器),LPD(低壓降),LLPD
Wymbs Engineering	HV(高粘度),lv(低粘度)
Lightnin	內膽系列45,內膽系列50
EMI	Cleveland
Komax	Komax
Brann and Lubbe	N-form
Toray	Hi-Toray混合器
Prematechnik	脈動混合式反應器
UET	Heliflo(系列，I,Ⅱ和Ⅲ)

　　表3 商用靜態混合器的工業應用

公司	混合器
Chemineer-Kenics	Kenics混合器(KM),HEV(高效旋渦混合器)
Dodgen東庚	東庚混合器DSR,DSXL
Charles Ross -Son	ISG(界面面發生器),LPD(低壓降),LLPD
Wymbs Engineering	HV(高粘度),lv(低粘度)
Lightnin	內膽系列45,內膽系列50
EMI	Cleveland
Komax	Komax
Brann and Lubbe	N-form
Toray	Hi-Toray混合器
Prematechnik	脈動混合式反應器
UET	Heliflo(系列，I,Ⅱ和Ⅲ)

　　表4 靜態混合器在流程工業中的應用

工業	應用
化學及農業化學品	反應增強氣體混合有機-水類液-液分散體肥料及農藥配制蒸汽噴射酸堿中和
糧食加工	淀粉的連續生產和轉化家畜飼料混合
食品加工	液體混合和乳化淀粉漿烹飪糖溶液加熱和冷卻固體成分彎曲

　　混合操作在流程工業中是必不可少的。它們包括傳統的均相混合以及強化傳熱、氣體分散到液體中連續液相、不混相有機相分散到連續水相中的液滴、固體的三相接觸和混合。靜態混合器已應用于以上所有領域，包括液-液系統(如液-液萃取)、氣-液系統(如吸收)、固-液系統(如紙漿)和固-固系統(如固體混合)。表3總結了一些使用商用靜態混合器的工序。靜態混合器現在普遍用于化工和石化工業，以實現連續作業。它們也在制藥、食品工程和造紙工業中得到了應用(表4)。靜態混合器對于多相流體的混合或增強傳熱十分有效，這是由于它們能夠進行徑向混合并使流體元素靠近，從而使擴散或傳導變得迅速。在層流中，靜態混合器僅使用流體流動的能量依次分割并重新分配流線。在湍流中，它們增強了湍流并產生了強烈的徑向混合，甚至在壁面附近也是如此。在這兩種情況下，它們都可以顯著改善傳熱和傳質操作。
不同類型的靜態混合器的性能差異很大，根據混合元件的幾何形狀，提出了分類方案來解釋這些差異。商用靜態混合器可分為以下五大類:螺旋型開放式混合器(圖1a)、葉片型開放式混合器(圖1b)、板波紋型混合器(圖1c)、多層混合器(圖1d和e)和帶通道或孔的封閉式混合器(圖1f)。這些設計的應用可分為四類:
　　第一類：均相物的混合;
　　第二類：非均相之間產生界面;
　　第三類：傳熱操作和熱均化;
　　第四類：軸向混合
　　根據流態是層流還是湍流，第一類可細分為兩類。第一類混合器的目的是實現主流方向的橫截面上(例如徑向)的成分均勻性。第二類的應用取決于相態的性質:可區分氣-液、非均相液-液、液-固和固-固操作。第一類包括對均相反應的應用。第二組包括多相反應和分離過程，如反應吸收。規整填料是靜態混合器的一種形式，被簡要地討論過，在蒸餾和其他傳質操作中用來取代塔板和隨機填料。第三類包括傳統層流下的粘性流體涉及的熱交換器，如聚合物溶液。靜態混合元件也可用于湍流中，以減小交換器的尺寸。第三類混合器可用于高放熱的化學反應。第四類混合器是一種全新的混合器類型，其設計意圖是促進混合，并具體地對帶有運動部件的連續流動攪拌槽的停留時間進行了近似計算。
　　結合表3中的示例，圖2為選擇適合于特定操作的混合器提供了第一個基礎。然而，這種簡化的程序不能提供關于混合效果、壓降、最佳元素數量和放大的定量信息。當兩種操作同時進行時，情況就復雜得多了，例如對于兩相反應流或具有未混合原料流的高放熱反應。本文的主要目的是為工業過程中靜態混合器的選擇提供指導。本文共分為四個部分。第一部分討論了靜態混合器中的混合機制和局部現象，以便更好地理解混合、傳熱或界面生成的過程。第二部分回顧了使用內插混合元件進行過程強化的成熟應用，并強調了仍在開發中的潛在應用。第三部分論述了各種單元操作的合理選擇、評價和放大的關鍵參數和方法。討論了從實驗數據、文獻相關性和計算流體力學(CFD)估計靜態混合器性能的方法。論文的最后部分討論了該領域的研究現狀和未來展望。
　　

　　圖2 使用靜態混合器的單元操作的分類。
　　一、基本原理
　　本節討論靜態混合器的基本原理和局部現象。第一類和第三類是一起討論的，因為其混合和傳熱強化有類似的現象。然而層流和湍流必須加以區分，因為它們之間的微觀混合機制差別很大。隨后將討論界面生成操作的基本原理(第二類)。第三類混合器的應用主要有三大類，即分別應用于氣-液系統、液-液系統和固-液系統，以及兩個主要目標：獲得穩定的分布并增加傳質的界面面積。
　　1.1混相流體的混合-分布混合
　　1.1.1層流中的靜態混合器
　　壓力限制防止了高粘度流體的湍流流動。假設一個空管道有兩個進料流，一個黑色液體和一個白色液體，每個液體占據管道的半圓形部分，如圖3(a)所示。在無擾動層流中，流線是直線的，兩種液體從管中流出時與進入時完全相同，只是在分子擴散混合的界面處出現灰色。切向和徑向都沒有對流混合。因此，如圖3(b)所示，當兩種流體沿徑向分離時，也會出現類似的情況。在任何一種情況下，液體之間的傳熱或反應以及對管壁的傳熱都會很差。分子擴散可以在毛細管中提供混合，但擴散的作用在放大后減弱，在工業規模的設備中總是不足以提供充分的混合。
　　

　　圖3 空間不均勻性:(a)切向變化;(b)徑向變化。
　　在不受干擾的層流中，低水平的混合會造成成分的空間不均勻性。傳統的靜態混合器通過在徑向和切向方向重新分配流體來實現均勻化。沒有擾動的層流也具有時間上的不均勻性，因為在某一時刻離開管道的分子會在不同的時間進入管道。流體的再分配既造成了空間混合也造成了時間混合。在理想情況下，平推流，也被稱為活塞流，當黑色和白色的液體離開管子時，它們會均勻地變成灰色，所有一同進入的分子會一起離開。實際靜態混合器接近理想的程度可以用停留時間分布的時間變化和條紋厚度分布的空間變化來表征。
　　圖4顯示了幾種流動幾何圖形對惰性示蹤劑的突然輸入的響應曲線。由此產生的單調遞增曲線是停留時間的累積分布函數F(t)。參考情況是沒有擴散的層流(泊肅葉流)下的空管。在這種情況下，停留時間的分布寬是由于拋物線速度分布，靜態混合元素引起的再分布使停留時間分布更接近于平推流的突躍式分布?？梢杂玫谝淮纬霈F的時間tfirst來表征接近塞流的程度，此時示蹤劑首先出現在混合器的出口。無量次的首次出現時間tfirst，其中為平均停留時間，對于空管，平均停留時間為0.5，因為拋物線流中的最高速度是平均速度的兩倍。對于活塞流，平均停留時間是1.0，在靜態混合元件成功地在徑向重新分配流量的情況下，它將接近這個值。當首次出現時間是模糊的時候，可選取5%的響應時間為首次時間，定義為F(t)=0.05的時間，這提供了一個更精確的測量，當混合環境接近活塞流時，也將接近1.0(從上面)。采用此標準，無擾動層流的首次出現時間為0.513。表5顯示了幾種流幾何圖形的tfirst/的值。Kenics靜態混合器的結果是基于這樣一個模型:對于每四個混合元素，將一個完全徑向混合平面插入一個處于未擾動層流中的管中(Nauman,1982)?！　enics在這一性能度量中并不出眾，因為需要40個Kenics元素才能將tfirst/ (通過5%響應方法測量)增加到0.676。關于圓形管中層流、等粘度流動的最高報告值是Saxena和Nigam(1984)的，他們使用螺旋管，線圈軸的方向有周期性的90°變化，獲得了超過0.85的值。
　　另一個常見的度量是停留時間分布的無量綱方差。它可以用以下方程計算：

　　圖4 各種系統的累計停留時間分布
　　表5 各種層流系統的首次出現時間　　

幾何構造	tfrt/t
等邊三角形管	0.450
方管	0.477
直圓管	0.500
直圓管(5%響應)	0.513
16元素Kenics混合器	0.598
螺旋管	0.613
環狀流	0.500-0.667
平板間的拋物流	0.667
40元素Kenics混合器(5%響應)	0.676
完全反流	0.707
單螺桿擠出機	0.750
隨離心力方向變化的螺旋線圈	大于0.85

　　對于平推流，無量綱方差為零。理論上沒有擴散的層流是無窮大的，但由于分子擴散，在所有真實系統中都是有限的。對式(1)的數值積分建議采用實驗數據的指數外推。
　　靜態混合器最初是為層流流體混合而開發的。在傳熱、湍流和多相系統上的應用較晚。第一個靜態混合器的設計是為了在圓管的橫截面上實現層流流體的良好混合。這自然需要比空管更大的壓降，但是附加功率低于類似的機械攪拌混合效率或實現湍流所需要的功率。不動的刀片或波紋板會引起流體流線的變化。帶有孔、通道、螺旋元件和斜葉片的刀片會引起流體的局部加速和拉伸。它們將流入的流體分成幾層，然后以新的順序重新組合這些層。帶有葉片和擋板的多層設計(圖1d和e)將流體分成多層。這些不同的混合操作會導致分布式混合。它是由對流而不是擴散引起的混合，盡管在一定程度上分布混合是高的，擴散更能實現分子尺度上的均勻性。
　　條紋厚度被用來量化分布混合。圖5說明了這一概念，并顯示了當流體沿垂直于初始條紋的方向剪切時，條紋厚度S如何減小。相應地，白色和黑色流體之間的界面面積增加。隨著上表面足夠大的位移，條紋的厚度將下降到眼睛的分辨能力以下，并變得足夠小，分子擴散率將消除濃度差異。然而，當條紋朝著剪切方向時，簡單剪切的效率變得相當低。如果周期性地改變剪切的方向，使其再次垂直于條紋，則可能有更大的效率。分割和重組條紋成新的圖案也提高了效率。這些不同的機制如圖6所示，其中顯示了層的生成、拉伸、分裂和層的重組。圖6表示一個2N混合器，其中流體層的數量因每個元素增加2倍，因此因N個元素增加2N倍?！　enics和LPD(低壓降)靜態混合器(圖1a和b)被分類為2N混合器，因為它們將傳入的流體分成兩個流動路徑，如圖6所示。ISG混合器有四個通道(圖1f)，因此被分類為4N混合器，但更高的理論效率是以更大的壓降為代價的。多層設計，如SMX(圖1d)和SMV(圖1c)仍然有更多的流動路徑。Godfrey(1992)將幾種商用靜態混合器的條紋數與元素數之間的關系制成表格(表6)。圖7解釋了Edwards(1992)提出的層流混合機理。他考慮了三種理想的流動情況:單剪切、單軸延伸和平面延伸。Edwards觀察到，對于低應變時的分布式混合，拉伸流動比簡單剪切流動稍微更有效，當應變較大時，由于在簡單剪切過程中出現的條痕的不利方向，拉伸流變得更有效。然而，Edwards得出結論，簡單剪切流在中等應變水平下更有效，特別是對于非牛頓流體。在深層層流中，即爬流中，圍繞靜態混合元件的流動模式是完全確定的?；旌掀髟谶@種情況下工作非常有效，使用圖5-7所示的機制。實際上，與空管相比，它們在均相流體混合和傳熱方面的最大效益出現在蠕變流動的極限上。當雷諾數大于幾百時(基于空管)，流動不穩定性導致下游振蕩和偽隨機行為。即使在爬流中，混合元素的串聯漸近地接近一種稱為混沌的條件，在這種條件下，流體元素的下游位置基本上無法根據其上游位置預測。有幾種方法可以描述這些復雜的流。一些實際的測量方法包括快速化學反應的完成程度、停留時間分布和傳熱系數。這些實際測量，表示為實驗數據的相關性，是迄今為止對工藝工程師最有價值的。然而，隨著CFD(計算流體動力學)的發展，數學表征技術將變得更加有用。制圖方法已被證明是有用的。停留時間分布可以通過CFD結果確定，需要注意的是，計算必須根據體積或質量流量而不是面積進行加權。此外，一些CFD代碼有數值擴散，這在詳細計算中非常重要，特別是涉及到反應的計算。
　　

　　圖5 條紋厚度對簡單剪切的響應 (a)初始配置;(b)剪切后。
　　

　　圖6 使用靜態混合器在層流中進行兩步混合的機制
　　

　　圖7 在理想層流條件下增加流體元素的表面積
　　Manas-Zlockzower(1994)利用拉伸效率參數α提出了一種更復雜的表征方法。速度梯度張量被分為對稱和反對稱兩部分。分別是變形率張量和渦量張量，設v為局域速度矢量定義為:
　　

　　拉伸效率α則表示為:

　　靜態混合器的拉伸效率在0.5到1之間，但會隨著元件的長度出現較大的變化。
　　對于工藝設計工程師來說，最有用的統計數據可能是最大條紋厚度隨元件數量的變化情況。根據簡單的理論，在混合器入口處的最大條紋厚度是管徑(見圖3)，并減少了2N的因子。在實踐中，這種預測過于樂觀，特別是當混合的流體具有不同的粘度時?；贑FD計算的相關關系將有助于工藝設備的設計、優化和放大。詳細的CFD計算對于復雜的優化研究仍然過于昂貴，但可能適用于確定最終設計。
　　1.1.2湍流中的靜態混合器
　　當可以實現湍流時，渦流擴散為大多數工業過程提供了充分的混合。因此，靜態混合器在湍流系統中的應用和研究較少?；旌掀鞴探洺Ｂ暦Q靜態混合器與空管相比可以顯著減少接觸時間或增加傳熱。這對于層流是成立的，但對于湍流就不那么確定了。然而，靜態混合器確實可以在不改變管徑和流量的情況下增加湍流水平，盡管有更高的壓降。
　　相對較少的研究旨在解釋在湍流條件下靜態混合器中混合是如何進行的。這里我們引用Goldschmid等人(1986)和Bourne及其同事。我們區分了湍流中能量耗散的兩種機制:一種是能量耗散，這是由于邊界層的墻壁和表面的插件造成的;另一種是大塊流體中的能量耗散，即在近似均勻的核心湍流區域。這第二種形式的能量耗散在分配混合中是最重要的?？紤]一個含有黑色和白色液體的未混合進料流。湍流將迅速混合最初未混合的進料，并將其分散到最小的渦流大小。從概念上講，這些最小渦流中的流體在由于分子擴散而變成灰色之前一直是黑色或白色的。最小渦流的大小與科爾莫戈羅夫尺度標度成正比:
　　　

　　對功耗的依賴性較弱，即0.25功率，意味著n在相對較窄的范圍內變化，對于絕大多數工業過程來說，從5毫米到50毫米不等。在科爾莫戈羅夫尺度和最小渦旋尺度之間的比例常數恰好是1。給定低粘度流體的典型擴散系數(即那些可能存在湍流的流體),完全混合將在毫秒內發生。除了非?？斓姆磻?，反應速率可被控制。
　　總能量耗散ε分為邊界區和核區的能量耗散：
　　　　　　　　　e!=E?+? (5)
　　只有第二種作用，ε?,提高了快速化學反應的速率。因此，目標是在較低的壓降水平上獲得較高的ε?值，這意味著比ε?/ε必須很高。Bourne和他的同事設計了一套快速、連續的競爭反應，其選擇性對分子尺度上的混合非常敏感。他們利用這些反應(Bourne 等，1992)證明了空管中的ε約為5Wkg1,而當流體速度為2ms1 時，SMV和SMXL靜態混合器分別可以產生793和509Wkg1。對于這些混合器，Bourne等人計算的e? 值分別為ε值的33%和66%:SMV 為ε?=262 Wkg1,SMXL為ε?=363Wkg1。這表明，SMV混合器，使用波紋板設計，并導致最高的壓降，相較于使用多層設計的SMXL 混合器是不太有效的反應增強。SMXL 將科爾莫戈羅夫尺度η降低了大約3倍。擴散混合的特征時間隨n-?變化，因此減少了約9倍。Baldyga等(1997)研究了靜態混合元素對微觀混合和介觀混合特征時間的影響。提出了一個估計這些時間和預測快速復雜反應產率的模型，但尚未在其他系統中得到驗證。
　　使用靜態混合器來增強快速化學反應的一個困難是所產生的湍流比在空管中更不均勻?？茽?莫戈羅夫尺度取決于湍流能量耗散的局部速率，因此在體積流體中隨點而異，導致了反應優先發生的局部區域。
　　使用靜態混合器來增強快速化學反應的一個困難是所產生的湍流比在空管中更不均勻?？茽柲炅_夫尺度取決于湍流能量耗散的局部速率，因此在體積流體中隨點而異，導致了反應優先發生的局部區域。
　　1.2固體混合
　　由重力供給的靜態混合器用于混合顆粒固體，如谷物、面包和蛋糕混合物以及混凝土組分。Wang和Fan(1977)進行了均勻性或避免偏析的理論分析。作為一個實際問題，相對滿意的混合通?？梢酝ㄟ^幾個分裂和重組步驟來完成。
　　1.3界面生成-分散混合
　　在連續相中分散二次相是流程工業中常見的操作。靜態混合器可以產生局部高剪切速率，因此可以作為多相流的界面發生器。目標通常是增加單元操作的傳質，如氣-液吸收，液-液(液-液)萃取或聚合物分散體的形成。然而，兩相混合物可能是實際的最終產品，因為許多乳化劑可以在食品、油漆、乳制品、化妝品、粘合劑和洗滌劑行業中找到它們的身影。靜態混合器的任何一種目標性能都高度依賴于相的物理化學性質。液-液和氣-液系統的體積流量比、粘度比和密度比來自量綱分析。這些參數定義為:
　　

　　下標d和c表示分散相和連續相，其中Q為相的體積流速。對于粘彈性體系，彈性模量Re也很重要。
　　氣泡和液滴的破碎和聚合機理是相似的，但它們表現出三個主要的區別：
　　(i)液滴可以比氣泡小得多——氣泡的最小直徑約為10-100毫米，液滴的最小直徑約為0.1-1毫米；
　　(ii) 在液-液和氣-液系統中R,和R,有很大的不同；當氣體是分散相時，R。在103-102之間，當一種液體分散到另一種液體中時，R。約為1(靜態混合器已被用于實現液-氣系統的均勻性，例如在化油化中，但沒有產生新的界面面積);
　　(iii)在氣液系統中，通常很容易根據氣液流量來判斷氣體是否被分散。在液-液系統中，相反轉是可能的，特別是在剪切條件下，而且表面化學比氣-液系統更重要。流動穩定性是一個必須考慮的附加參數。
　　表面化學，特別是強表面活性劑的存在，往往在多相體系中起主導作用。靜態混合器通常用于制造乳劑和分散劑以及由表面活性劑部分穩定的乳劑。然而，系統性能是非常具體的情況，很難一概而論。由于這個原因，大多數發表的結果都局限于干凈的二元系統。在可能發生團聚或絮凝的液-固和氣-固系統中，表面力也很重要。當液滴或固體顆?；蛞旱蔚陀?毫米時，膠體力占主導地位，例如在由表面活性劑穩定的乳劑中。在半稀釋和濃縮的小顆粒懸浮液中也是如此，它們表現出復雜的行為，如溶膠-凝膠躍遷。此外，固體顆粒的形狀比一般呈球形的小氣泡或水滴更復雜?？臻g和電空間穩定性可以影響固體顆粒。與氣-液和液-液分散體系相比，人們對固體懸浮液的行為了解較少，因此更難預測。靜態混合器在液固和氣固系統中的應用包括固相混合，添加劑在懸浮液中的分散，例如用于澄清或污泥處理，以及通過打破流相中的團聚塊來分散固相。最后一個應用就是生成界面區域。其他的混合操作類似于第一節中描述的操作，盡管它們在技術上涉及多個階段。
　　1.3.1氣-液和液-液系統
　　表面張力不利于液滴破裂，有利于結合。在一個干凈的、靜止的系統中，平衡態是完全的相分離，界面面積最小。在流動系統中，流體運動導致液滴破裂，動態平衡是可能的。當強表面活性劑存在時，特別是當它們是會產生靜電力的離子表面活性劑時，液滴即使在靜止系統中也可以成為在熱力學上變得穩定。對于顆粒尺寸小于0.1毫米的水包油微乳液來說，情況也是如此。即使是大小在0.2到0.5毫米之間的普通乳劑也有很長的保質期。靜止的混合器適用于混合這類體系，并可用于在化學上有利的情況下創建它們。然而，大多數用途是增加大于1毫米的液滴的破碎。即使在這里，表面張力也是一個關鍵參數，使用表面活性劑可以有效地降低它。粘度比以及連續相是湍流還是層流對其運行有很大影響。當超過1時，兩種流態的破裂變得越來越困難。兩相中的非牛頓粘性行為(如剪切稀釋)相對不重要，但彈性會嚴重阻礙破裂。其影響難以定量預測。適合湍流的流體是典型的牛頓流體。
　　靜態混合器用于多相系統，以減少分散相滴大小和增加界面傳質。理想情況下，相比于攪動的容器，實現更均勻的水滴大小分布也是可能的。在實踐中，混合器的性能通常由一個單一的參數來表征，比如傳質系數(KLa) ，或者索特平均直徑總結了可能導致分離兩相的平面破裂以產生液滴的現象。它們包括湍流渦流、表面波紋和相關的瑞利-泰勒不穩定性、密度差引起的重力不穩定性以及相對運動引起的開爾文-亥姆霍茲不穩定性。氣泡也有類似的現象。
　　層流中的連續相
　　層流中最重要的不穩定性是瑞利-泰勒不穩定性，它控制著細長流體結構由于表面張力而破裂。細長結構是亞穩態的，并且會破裂成具有特征尺寸的液滴，雖然通常也會形成較小的衛星液滴。由于布朗運動或對流運動而相互靠近的水滴將會合并。在這種動態平衡中，分解和聚合速率相等，平均粒子大小保持不變。調節這種平衡的關鍵參數是韋伯數：
　　

　　物理性質和操作條件影響這些相關性的方向是眾所周知的。連續相μ的流速或粘度的增加傾向于降低d??, 而分散相μ?的粘度的增加則傾向于降低它。當R?小于1時比R大于1時更容易劃分液滴。在一些靜態混合器中，當R,超過約10時，液滴破裂基本上是不可能的。增大R。傾向于減小氣泡尺寸，因為已知穩定的氣泡比穩定的液滴大。分散相體積分數的影響并不總是包含在d32 的相關性中，但較高的φ值顯然有利于聚結。在非常高的值下，可能會發生流型變化或相反轉。如果分散相是粘彈性液體，則變形和破裂更困難。相反，如果連續相是粘彈性液體，則會導致更高的變形。當兩個相都是彈性的時，隨著彈性比的增加，變形減小，破裂產生的液滴尺寸更均勻。
　　圖8顯示了Peters(1992)針對理想層流提出的一些液滴變形和破裂模式。不論是剪切流或是拉伸流都會拉長液滴，作為瑞利-泰勒不穩定性破裂的初步步驟。Grace(1982)和Rallison(1984)發現，簡單的剪切流(例如 Couette 流)在液-液體系統中破壞液滴的效果不如拉伸流。假設的結論同樣適用于氣-液系統。根據圖8，變形DF表示為：
　　

　　圖8 理想流動條件下的液滴變形
當DF高于臨界變形值時，發生斷裂。圖9顯示了Grace(1982)提出的剪切流和拉伸流的穩定性圖。該圖中的線定義了臨界毛細管數，臨界毛細管數將斷裂和聚結分開，斷裂發生在線上方的區域。Grace(1982)將液滴破裂的特征時間t+定義為：
　　他得出結論，t+與Ｒu近似成比例

　　泰勒(1932、1934)使用四輥裝置來拉長液滴。他發現，在穩態條件下，可以實現非常大的變形而不破裂，但當軋輥停止時，破裂就會發生。Grace(1982)和Rallison(1984)的實驗只研究了穩態層流。Stone和Leal(1989a，b)和Stone(1994)已經表明，如果流動是不穩定的，則液滴可以在毛細管數低得多的值下破裂。Khakar和Ottino(1986、1987)、Muzzio和Tjahjadi(1991)、Tjahjadi和Ottini(1991)，Tjahjadi等人(1992)以及Jansen和Meijer(1993)已經證實了這一點。
　　由一系列靜態混合元件產生的流場是周期性的，因此與空管中的流動相比，有利于液滴破裂。高的拉伸效率α是優選的，但它們必須伴隨著松弛區。參數α不能直接用于比較靜態和動態混合器，因為它在參考系變化時不是定量(Rauline等人，1998)。層流狀態下用于界面生成的靜態混合元件的性能對連續相的局部流動非常敏感，有人建議可以使用單相流動的計算來估計這些混合器用于界面生成時的性能。使用CFD代碼進行這些計算已經變得可能。此類計算的例子是Avalosse和Crochet(1997)對螺旋Kenics元件的研究，Fradette等人(1998)對SMX混合器的研究，Rauline等人(2000)，特別是Rauline等人(1998)，對六個商業上可用的靜態混合器的研究如圖10所示。根據Rauline等人(1998年)的說法，多層設計，如SMX幾何結構，與Kenics型螺旋元件相比，會導致沿元件的α變化更大。因此，SMX元素可能比Kenics元素更有效地生成氣泡或液滴。
　　

　　圖10 六種市售靜態混合器的表面平均拉伸效率的演變
　　湍流中的連續相
　　

　　因此，靜態混合器在湍流中主要起湍流促進劑的作用。氣泡或液滴破裂主要是由于湍流渦流，混合器產生高強度的湍流是良好的氣泡和液滴尺寸減小的判據。
　　1.3.2液-固系統和氣-固系統
　　在流體中分散固體是一項復雜的操作。由于中等濃度固體懸浮液的高粘度，我們只考慮層流系統。對于干燥固體，第一步是固體潤濕，這取決于混合物的物理化學性質，也取決于顆粒的初始分散度，而初始分散度取決于用于注入固相的方法。以下步驟對于已經存在或直接在流體相中形成的固體是常見的，例如通過沉淀過程。工業生產的許多粉末具有小于1mm的特征尺寸。由于強力的連接，膠體力可能導致基本上不可逆的團聚。由于范德華吸引力，團聚體可以通過絮凝形成更大但不太穩定的結構。剪切力能夠破壞絮凝物。Rwei等人(1990)研究了炭黑團聚體在簡單剪切流中的分散，而Mifflin和Schowater(1988)研究了粘彈性力對絮凝的影響。另見Furling等人(2000)最近的論文。
　　類似于毛細管數的無量綱數[方程(8a)或(8b)]可用于量化粘性力和內部吸引力的相對影響。方程(8)中的表面張力由參數代替，該參數類似于表面張力，但更難以測量?？梢允褂美碚撃Ｐ瓦M行估計，例如Lee等人(1993)和Li等人(1997b)驗證的Rumpf模型。然而，此類模型的適用性取決于固體的性質(Kendall，1988)。
　　尺寸減小有兩種機制：破損和侵蝕。斷裂需要高剪切應力，并導致子顆粒遠小于初始絮凝物。侵蝕逐漸減小顆粒尺寸，但子顆粒趨于絮凝。凈效應是平均絮凝物尺寸的適度減小。水動力也會導致絮凝，因此絮凝、侵蝕和破碎之間存在持續競爭(圖11)。濃縮懸浮液的復雜流變行為也使情況變得復雜，這只是部分了解。愛因斯坦的模型忽略了粒子與粒子之間的相互作用，僅限于稀釋的懸浮液。已經提出了許多經驗或理論模型(Barnes和Holbrook，1993)，但沒有通用的方法來預測懸浮液的表觀粘度。通?？梢园踩丶僭O懸浮液在低剪切速率下是牛頓流體，在高剪切速率下表現出剪切稀化行為并呈現牛頓平臺。其中一些在非常高的剪切速率下變為剪切增厚(Boersma等人，1990)。最近研究的目的是更好地了解懸浮液的流變行為，但由于對物理化學參數(如pH值、離子強度和表面活性劑的存在)的敏感性而變得復雜(So等人，2001)。
　　靜態混合器用于將固體分散到流體相中的適用性已得到證明(Isom，1994)，但此類應用在很大程度上仍然是經驗性的。固體濃度的增加同時增加了顆粒之間的粘度和碰撞概率。絮凝率和導致破碎的水動力強度同時增加。對于靜態混合器，粘度的影響似乎普遍存在。具有低表觀粘度的稀懸浮液難以使用靜態混合器混合。
　　1.4熱傳遞
　　流動插入件長期以來一直用于增強管內流體的傳熱。這些設備有兩種功能。它們以類似于使用外部翅片管的方式增加金屬到流體的表面積。它們還改變了流體動力學，這些效應的組合可以顯著提高傳熱系數，盡管與空管相比，其代價是更高的壓降。插入件可用于增加湍流系統的強度，但插件主要應用在沒有插件的層流系統中。在這里，我們主要考慮來自管橫截面內流量重新分布的益處，并將金屬與流體接觸面積的增加視為次要益處，盡管這可能是不需要補充混合的設計中的主要因素。
　　

　　圖11 液固系統的侵蝕、破碎和絮凝機制示意圖
　　

　　如果粘性加熱很重要，則應包括布林克曼數Br。所示的L=D的相關性適用于空管中的層流，但如果混合插入物沿管連續分布，則這種相關性可能消失。摩擦系數是雷諾數的函數，數據的相關性通常針對等溫流動進行。當冷卻時，實際壓降將低于等溫情況下的預測值，因為壁附近的冷的粘性材料將被較熱的粘性較低的材料替代。加熱則相反。
　　作為一個類別，商用靜態混合器在強化傳熱方面具有邊際效益。其中大多數設計用于一般的混合應用，如果進入流體是均勻的，切向混合對強化傳熱沒有好處。最佳徑向混合不是簡單的均勻化，而是在壁面和中心線之間選擇性的物質交換，這個過程稱為流動反轉。Nauman (1979)定義了完全流動反轉的概念，并給出了一個原則上可以實現它的裝置的示意圖。他還介紹了一種稱為兩區局部流量逆變器的實用裝置，該裝置可以在壓降最小的情況下將努塞爾數增加30% ，相當于大約五個管徑。
　　軸向混合器
　　軸向混合器用于混合在不同時間進入系統的流體。目標不是停留時間的急劇分布，因為這會產生平推流，并且在常規靜態混合器中接近。相反，軸向混合器的目標是近似CSTR中停留時間的廣泛分布，以阻尼輸入波動。CSTR充當具有時間常數的指數濾波器。如果軸向混合器具有與CSTR相同的停留時間分布，則軸向混合器將以相同的方式工作。具體而言，累積分布函數的tfirst值應較低，總體形式近似指數：

　　近似此函數的一種方法是使用蒸發壁反應器。使用平行管陣列可以實現更接近的近似。

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流程工業中的靜態混合器(一)

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