1.2.4　射流混合器

射流噴射也是工業生產中利用湍流混合機理實現液?液混合的技術之一。與常用的機械攪拌式混合設備比較,液體射流混合裝置具有結構簡單、運行可靠、噪聲小、相間接觸面積大、傳質速度快、便于綜合利用等優點。射流混合器通常由泵、射流器、管路及貯槽組成(圖1.23)。需要混合的介質經過泵的驅動,從噴嘴射出形成高速射流,與槽中的液體進行剪切和交換,夾帶周圍液體進行循環,使槽中的介質有效地混合。示例的噴頭有多個噴嘴,可以直接推動更大范圍的流體混合。

圖1.23　射流混合設備示意圖

湍流自由射流的流動結構如圖1.24所示。已經形成的湍流射流,由噴口開始,射流的徑向范圍逐漸擴大,而射流中心速度則按一定的規律逐漸降低;射流與周圍流體發生動量交換,將周圍的流體卷吸到射流邊界層內,使混合區不斷擴大。射流不僅卷吸周圍的流體,而且高速射流剪切層的流體力學不穩定性導致渦旋不斷生成,湍流渦旋的運動減小了流體離集的尺度,強化了射流和周圍流體的混合。射流混合器的設計和優化操作,需要對射流混合的流體力學機理有深刻的認識和定量的分析。

圖1.24　湍流自由射流的流動結構

射流混合器中最重要的部件是噴嘴。簡單的噴嘴直接將帶壓流體從噴嘴口射出[圖1.25(a)]。復雜噴嘴將兩級噴嘴組合,如圖1.25(b)所示。第一級噴嘴在吸入室中產生負壓,將更多的流體吸入,第二級噴嘴形成射流進入混合器。這樣的結果可以使總夾帶量大大增加,改善混合性能。

圖1.25　兩種噴嘴結構

射流混合器的噴嘴的個數、安裝位置、操作方式都是射流混合設計的重要問題。一種典型的液體射流混合設備如圖1.23所示,貯槽中央裝置一個由12個噴嘴按輻射狀排列的組合射流混合裝置,常稱為渦流混合器。每個噴嘴又由兩級噴嘴構成。流體由貯槽外的泵推動循環。若混合池的容積很大,也可在池中布置多臺混合器,成為多組合噴嘴混合器。

射流噴嘴的操作方式也可以起到改善混合效率的作用。許多混合設備都在近于穩定的狀態下運行。實際上,人為非穩態操作能帶來更好的效果。例如,人為對滴流床反應器的操作條件實施周期性的擾動,反應器的生產能力會比穩態的高;合適的周期性擾動能使滴流床中的氣液徑向分布的不均勻性降低。周期性擾動下的機械攪拌,能使層流條件下容易出現的流體離集現象(長時間攪拌也無法使某些“被隔離”的區域混勻)消失。因此,大容器、噴嘴少的射流混合器,可以對射流流量實施動態操作,例如為噴嘴的關停、射流強度等設計特別的制度等,以增強射流的空間、時間域上的非對稱性、混沌性,可望獲得混合效率的提升。

在類似管道流動的體系中,射流流體的方向可以與主流體方向一致(中心射流或同軸射流),也可以與主流體成一定的角度(錯流射流),或與管道主流逆向,如圖1.26所示。從增強兩股流體相互作用的強度來看,逆流方式應該最有利于混合,但仍需要兼顧工藝要求來慎重考慮。在管道混合設備的混合指標和強化方面,它與靜態混合器有許多類似處。

圖1.26　管道射流混合器

射流混合器常用于黏度在1Pa·s(1000cP)以下液體和漿狀流體的混合,因為在高黏度的流體中剪切作用傳遞的距離很短。高黏度流體中的混合則只能將多個噴嘴在空間中分散布置。射流混合器已用于大到760m3的液體貯槽。射流噴射混合器混合速度很快,能達到混合過程在毫秒級時間內完成,在工業上特別適用于復雜競爭快反應體系。噴嘴的設計是關鍵,其優化設計需要依賴于對宏觀和微觀混合機理的研究,以及準確的計算流體力學數值模擬工具的運用。