靜態混合器的選擇指南（流程工業中的靜態混合器三）-啟東市格萊特環境科技有限公司

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靜態混合器的選擇指南（流程工業中的靜態混合器三）

發布時間：2023/12/19

　　為特定操作選擇靜態混合器并非易事，更困難的是決定是否應該使用靜態混合器。一些工程師指定使用靜態混合器的理由很薄弱，即它們不會造成傷害并且可能會帶來一些好處。話雖如此，我們還是要說，合理的設計是，當機械攪拌看起來是必要的，或者當熱量或質量傳遞對工藝性能造成限制時，至少要考慮使用靜態混合器。
　　需要使用靜態混合器的應用相對較少，靜態混合器的正確規范需要對傳統技術的解決方案和使用靜態混合器的解決方案進行比較。有利于使用靜止混合器的操作條件包括恒定流速的連續流、對短停留時間的期望以及避免返混的期望，但也有許多例外。必須在靜態混合器類別中進行比較，因為有許多商業應用偶爾需要一種特殊的設計。
　　選擇特定類型靜態混合器的一般準則可總結如下:
　　(1)帶有葉片和大截面的混合插件適用于簡單的湍流應用，例如混合、傳熱或熱均質化。當液相粘度較低時，它們也可用于固體混合和分散。這些設計傾向于在操作中保持相對清潔，并且通過增強壁湍流，可以防止堵塞和結垢。
　　(2)具有螺旋元件的開放式設計對于層流、在線混合和熱均質化(例如螺旋Kenics元件)是最佳的，因為螺旋重新分布和混合流動而不產生渦流。
　　(3)帶有波紋板型插入件的靜態混合器（例如SMV混合器）是產生非常均勻的混合物和實現并流氣-液和液-液傳質的理想選擇，因為它們會引起強烈的徑向混合。波紋板靜態混合器也可用于增強傳熱。
　　(4)多層設計（例如SMX、SMXL）用于層流狀態下的高粘性流體，但當連續相為粘性或粘彈性時，似乎也適用于多相液-液、液-固和氣-液流動。
　　(5)特殊類型的靜態混合器最適合蒸餾塔中的填料和流量再分配。它們通常優于作為本文主要主題的通用混合器。關于熱交換器管的插入件可以做出類似的評論。
　　圖1以邏輯圖的形式展示了其中一些指南。但是請注意，與圖表相反，靜態混合器用于分批和補料分批系統。
　　一旦選擇了特定類型的靜態混合器，其更詳細的評估基于以下因素:
　　(1)壓降和功率要求；
　　(2)運行的具體關鍵參數；
　　(3)多方面的實際考慮。
　　上面討論了壓降和其他關鍵參數的預測，最重要的實際考慮可能是資金成本。包括公用設施和維護在內的運營成本可能與傳統解決方案不同。工藝自由度尤其是調節范圍，可能是評估設計的一個重要因素，改裝的難易程度在工藝升級中也很重要。在生產多種產品的設施中，易于清潔或快速更換設備可能是主要因素。
　　

　　圖1. 靜態混合器選擇的邏輯圖
　　放大考慮因素
　　有三種概念上不同的方法來提高使用靜態混合器的生產設備的生產能力:
　　(1)并聯添加相同的混合器——用于熱交換器的殼管式設計是增加容量的常見且廉價的方法；
　　(2)使混合器更長——增加管長度和向單管添加額外的混合插件將增加與長度增加大致成比例的容量；
　　(3)增加管徑，以保持恒定的壓降或按（近似）幾何相似性縮放——管的幾何相似性意味著在放大時保持相同的長徑比L/D。如果流動是湍流，按恒定壓降縮放會降低長徑比。
　　生產量放大系數S定義為：
　　

　　S=10的放大被認為是適度的，而S=100的放大是激進的，但反映了一種現代趨勢，這種趨勢是由于我們對過程基本原理的理解不斷加深而成為可能的。
　　未來展望
　　靜態混合器通過巧妙設計的邊界表面幾何形狀來控制流場。直到20世紀80年代，巧妙的設計都是基于物理洞察力和直覺，這些設計成為第一代靜態混合器。他們取得了巨大的成功，刺激了大量的行業應用和學術研究，但并非所有這些都經受住了時間的考驗。目前的大部分評論文章都是關于這些第一代靜態混合器的。
　　第二代保留了第一代的概念設計，但改進了幾何形狀及其應用。計算流體動力學的出現使這種情況發生的速度比使用物理（相較于數值）實驗可能實現的速度快得多。對于Kenics類型螺旋的具體示例：元素的最佳扭曲角度是多少，應該使用什么Le/De比率來實現這種扭曲，串聯中下一個元件的偏移角應該是多少，以及一系列元件是否都具有相同的幾何參數，或者它們是否應該隨著位置的變化而變化順序，其中一些問題已經得到解答。在給定現代CFD代碼和計算機的情況下，所有答案都是可行的，至少對于單相層流中的特定應用是可行的。我們預計答案將在公開文獻中和供應商提供的對客戶詢問的回復中出現。
　　第三代靜止混合器將使用CFD來探索新的概念設計，特別是在某種意義上對于特定應用來說是最佳的設計。例如，考慮在某個固定長度的管中以層流形式向流體傳熱。假設可以在管內安裝一個靜止的插入件。為了最大限度地提高熱傳遞，插入件應執行何種入口到出口轉換，在管的橫截面內完全混合不是正確的答案。已推測但未證明最佳轉換是完全流動反演。該證明大概可以使用函數優化來回答，但答案將引出這樣一個問題，即在壓降約束條件下，哪種特定的混合器幾何形狀最能接近最佳轉換。一個更一般的問題從直徑為D和長度為L的管開始，問在給定最大允許壓降的情況下應該進行哪些內部改變以優化傳熱。類似的問題可以針對熱均勻化或成分均勻化提出，例如：假設在制品庫存和壓降被限制在某個最大值。受制于這些限制，什么靜態幾何結構可以最小化（最大）條紋厚度。
　　計算機速度不斷提高，內存容量也在增加。硬件已經或即將變得足夠強大，可以模擬第三代設計的簡單應用，如條紋厚度最小化和熱傳遞。在不久的將來，軟件的改進將提供CFD代碼，能夠以足夠的精度處理傳熱和分子或渦流擴散，用于反應工程計算。從長遠來看，這些代碼將對多相流有用，這些改進將對靜態混合器的設計和利用產生巨大影響，無論是作為獨立設備，還是作為塔和床中的填料和流量分配器。
　　靜態混合器的基本概念——即通過巧妙設計的邊界表面幾何形狀來操縱流場——將找到超越傳統上靜態混合器相關的應用。例如，最近的設計通過近似CSTR的停留時間分布來促進軸向混合而不是徑向混合。對于兩相流，長期以來一直使用具有隨機配置的纖維或顆粒的過濾器來促進聚結。更結構化的設計應該可以改進操作。這些和其他兩相接觸裝置也將受益于使用具有有利的流體與表面相互作用的非金屬或涂層元件。
　　總的來說，計算流體動力學已經成為了解靜態混合器性能的重要工具，但仍需要提出正確的問題，并且需要實驗來確認真正新穎的設計和應用，未來真正屬于CFD。目前的代碼在數學公式和用戶界面方面都很復雜。近幾年來的趨勢是有限元和有限體積代碼，但如上所述，這些技術并不是特別適合于解決對流擴散問題。隨著硬件變得更快，可能會回到有限差分代碼，因為它們對于大量耦合的偏微分方程組具有固有的簡單性，對于這些方程，物料和能量平衡收斂很重要。當然，也會有向大規模并行計算系統發展的趨勢。

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