1.2.5　靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器是指借助流體管路內(nèi)的固定結(jié)構(gòu),不依靠機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件,在管道流動(dòng)中使流體混合的設(shè)備,其應(yīng)用研究和工程實(shí)施已經(jīng)相當(dāng)廣泛。流體在流經(jīng)靜態(tài)混合器時(shí),受混合元件(扭曲葉片、交錯(cuò)柵條、平板等的組合)的阻擋或引導(dǎo),產(chǎn)生分流、合流、旋轉(zhuǎn),流體逐漸達(dá)到混合均勻的目的。在湍流流動(dòng)中還有混合元件誘導(dǎo)而產(chǎn)生的湍流渦團(tuán)促使流體混合的機(jī)理。

靜態(tài)混合器的典型代表是開發(fā)最早的Kenics 靜態(tài)混合器(KSM),又稱為標(biāo)準(zhǔn)靜態(tài)混合器,其混合元件為扭曲180°的螺旋葉片[圖1.27(a)]。當(dāng)物料沿管道流經(jīng)左、右螺旋交替、成組布置的Kenics元件時(shí),首先受元件端面的切割,物料一分為二,每股物流受迫做旋轉(zhuǎn)流動(dòng),慣性、旋轉(zhuǎn)引發(fā)二次流等復(fù)雜流動(dòng)型態(tài),促進(jìn)混合;進(jìn)入第二個(gè)元件時(shí),物流分割為兩股,分別與另一股的一半組合,再次被旋流混合;而且左、右螺旋交替排列的方式使慣性的作用倍增。這樣,多個(gè)KSM元件使物料重復(fù)進(jìn)行分割?旋流?重合,加上湍流渦團(tuán)的作用,得以實(shí)現(xiàn)徑向混合。之所以強(qiáng)調(diào)徑向的混合,是因?yàn)楣苁降脑O(shè)備一般希望消除軸向混合,而罐式設(shè)備則往往希望全混流反應(yīng)器式的充分混合。另外,板、條、波片等形狀的零件組合起來,也構(gòu)成適合不同用途的靜態(tài)混合元件,如圖1.27(b)中的SMX混合元件。?

圖1.27　KSM(a)和SMX型(b)靜態(tài)混合器

靜態(tài)混合器的主要優(yōu)點(diǎn)是無移動(dòng)部件,適用于很寬雷諾數(shù)范圍內(nèi)的混合,也適合于氣液、液液等多相體系的混合。

靜態(tài)混合器已用于以下的單元操作中:?

① 混合分散。配制工藝要求的溶液、溶解固相制備溶液、制備加料要求的液液乳濁液、固液懸浮體系或漿液,中、高黏度物料進(jìn)入設(shè)備前的預(yù)混合等。這利用了靜態(tài)混合器促進(jìn)湍流、增強(qiáng)剪切的功能。

② 熱交換。強(qiáng)化傳熱,尤其是管道流動(dòng)的傳熱,對(duì)中、高黏度流體的加熱或冷卻則效果更明顯。這是因?yàn)閺较蚧旌闲Ч玫木壒省?/p>

③ 多相體系操作。氣體吸收、液液萃取等。

④ 化學(xué)反應(yīng)器。其流型接近活塞流,橫截面上的濃度、溫度梯度小。以平行競爭反應(yīng)(碘酸鹽?硼酸反應(yīng)體系)測試,無論是層流還是湍流,Kenics 靜態(tài)混合器的產(chǎn)物選擇性比空管都好得多。

管道內(nèi)置靜態(tài)混合器的應(yīng)用也有限制,即只能是物料并流的操作模式,難以依靠重力,實(shí)現(xiàn)兩者物相逆流的操作模式。例如,作為萃取設(shè)備時(shí),失去了可以逆流操作的優(yōu)越性。靜態(tài)混合器也存在著內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,對(duì)于有固體產(chǎn)物產(chǎn)生的混合過程,容易造成堵塞,清理較為困難的缺點(diǎn)。

新型的靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)仍然是混合設(shè)備開發(fā)的熱點(diǎn)之一,但是由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,對(duì)內(nèi)部單相和多相流場的認(rèn)識(shí)比較困難,必須依靠實(shí)驗(yàn)探索或數(shù)值模擬并舉的模式,才能高效、準(zhǔn)確地完成構(gòu)型創(chuàng)新和操作優(yōu)化的目標(biāo)。