SK型靜態(tài)混合器內(nèi)氣-液兩相流單氣泡運(yùn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究

王 賀，孫國(guó)杰，張 靜，吳劍華

（沈陽(yáng)化工大學(xué)， 遼寧 沈陽(yáng) 110142）

靜態(tài)混合器，就是在管路中放置一系列結(jié)構(gòu)相似、按一定規(guī)則排列的靜止元件，利用這些靜態(tài)混合元件及流體的本身特性，實(shí)現(xiàn)流體的不斷分割、扭轉(zhuǎn)、位移和匯合，達(dá)到流體的充分混合。由于靜態(tài)混合器具有很好的混合效果，同時(shí)操作成本低、占地面積小、能耗低、結(jié)構(gòu)緊湊和安裝方便等優(yōu)點(diǎn)，因而廣泛應(yīng)用于流體的混合、傳熱和傳質(zhì)。在工程實(shí)際中，雖然絕大多數(shù)流動(dòng)是紊流，但是層流常見于一些低速，高粘性流體的管道流動(dòng)，如潤(rùn)滑油管，輸油管內(nèi)的流動(dòng)以及地下水的流動(dòng)等。層流時(shí)，混合機(jī)理是“分割-位置移動(dòng)-重新匯合”三要素對(duì)流體進(jìn)行有規(guī)則而反復(fù)的作用以達(dá)到混合[1]。氣-液兩相流在靜態(tài)混合中的應(yīng)用是比較常見的[2]，例如，在天然氣除硫化氫或者除二氧化碳，廢水處理、氣體的溶解,加氫、氯化等。

氣泡大小、形狀是影響氣-液兩相流動(dòng)特性的重要參數(shù)，氣泡大小不同，將有不同的形狀及不同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。一般認(rèn)為，直徑小于 0.2 cm，Re=700~800，中等雷諾數(shù)，屬于中等尺寸的氣泡；直徑0.2~1.5 cm，Re大于800，成為大氣泡。在中等雷諾數(shù)時(shí)，氣泡形狀可認(rèn)為是球形，大雷諾數(shù)時(shí)，則不再為球形。直徑為0.2~0.3 cm時(shí)，氣泡開始明顯變形，成為壓扁的橢球形，其短軸指向氣泡運(yùn)動(dòng)的方向[3]。氣泡的幾何形狀和他們運(yùn)動(dòng)時(shí)受到的阻力等特性以及周圍的流場(chǎng)有關(guān)系。大的氣泡形狀有所差異，可以是橢球、半橢球、橢球帽形也可以是球帽形[4]。

本文采用單氣泡實(shí)驗(yàn)對(duì)SK型靜態(tài)混合器內(nèi)氣-液間混合過(guò)程進(jìn)行試驗(yàn)研究 ，針對(duì)主流速度、氣泡尺寸、混合元件數(shù)量等參數(shù)對(duì)氣液混合效果差異進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并就整個(gè)混合過(guò)程中的壓力降進(jìn)行了分析。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)采用轉(zhuǎn)子流量計(jì)（流量范圍：25~250 L/h）控制水（水中添加少量紅色染色劑）的流量，在混合管入口處貼近上壁面放置內(nèi)徑為 2 mm的細(xì)管，并與連續(xù)注射器（注射量范圍：0~10 mL，誤差范圍：±0.05 mL）連接，定量輸入空氣，形成間斷的氣泡。用攝像機(jī)（性能參數(shù)：30幀/s）錄下氣液兩相在混合管內(nèi)流動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，用出口處的差壓變送器（測(cè)量范圍：0~1 000 Pa，誤差范圍：±10 Pa）記錄壓力的瞬時(shí)變化，為混合器評(píng)價(jià)提供原始數(shù)據(jù)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置簡(jiǎn)圖Fig.1 Sketch of experiment equipment

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

本文對(duì)空管、SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行氣-液混合實(shí)驗(yàn)，其中空管管長(zhǎng)500 mm，管內(nèi)徑40 mm，下文用符號(hào)KG表示；在空管中放置扭旋葉片，葉片的直徑為40 mm，長(zhǎng)徑比為1.5，旋轉(zhuǎn)角180°，片厚度為5 mm，距離入口50 mm，下文用符號(hào)SK表示，如圖2所示。

圖2 實(shí)驗(yàn)用SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)及坐標(biāo)示意圖Fig.2 Sketch of SK static mixer's structure and coordinates in experiment

如圖3所示，將一面大小為150 mm×480 mm的鏡面緊貼在垂直的靜態(tài)混合器管壁上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將相機(jī)鏡頭拍攝點(diǎn)與鏡面成45°，調(diào)節(jié)鏡頭焦距，取得清晰的混合器圖像A以及由鏡面反射作用所得的另一個(gè)畫面B。如果將A圖像作為靜態(tài)混合器主視圖，那么，由于鏡頭與鏡面成45°，由鏡面反射原理，我們可以把鏡像B視為混合器的左視圖。這樣，我們就能夠得到完整的氣泡在垂直混合管內(nèi)的流動(dòng)過(guò)程的運(yùn)動(dòng)特征。

圖3 成像原理Fig.3 Image-forming principle

1.2 實(shí)驗(yàn)步驟

由循環(huán)水泵抽送實(shí)驗(yàn)介質(zhì)從水箱1經(jīng)由流量計(jì)流過(guò)靜態(tài)混合器，之后經(jīng)管路流回水箱 1。通過(guò)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速和管路上的轉(zhuǎn)子流量計(jì)調(diào)節(jié)流量；用壓差儀測(cè)得測(cè)取靜態(tài)混合器進(jìn)、出口處置間的壓力降。當(dāng)流量計(jì)的示數(shù)穩(wěn)定到預(yù)先流量后，用攝像機(jī)對(duì)準(zhǔn)靜態(tài)混合器，開始測(cè)量。實(shí)驗(yàn)前學(xué)對(duì)壓差變送器進(jìn)行校正。實(shí)驗(yàn)流程如圖1 所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 不同參數(shù)條件下氣泡形狀變化差異

2.1.1 兩相界面變化

Grace和Clift[5,6]認(rèn)為氣泡的形狀與下列參數(shù)有關(guān)：

圖4 氣泡大小為10 cm3， R e= 350時(shí)，氣泡在靜態(tài)混合器內(nèi)的流動(dòng)情況3Fig.4 The bubble in static mixer（Vg=10 cm, R e= 350）

圖4(a)為氣泡剛進(jìn)入混合器內(nèi)下端，尚未與混合元件發(fā)生作用，氣泡的形狀為橢球帽形。圖4(b,c,d,e)為氣泡流經(jīng)SK型靜態(tài)混合器4個(gè)螺旋扭片的情形。圖4(b)為氣泡與螺旋扭片發(fā)生切割作用，氣泡已經(jīng)被切割為2氣泡，并且沿著右旋的扭片流動(dòng)，流至1/2片情形。圖4(c)為氣泡流至第2個(gè)左旋扭片時(shí)情況，可以看到2個(gè)上升氣泡不再以相同速度同步運(yùn)動(dòng)，而在沿混合器方向上，二者之間的距離慢慢增大，圖4(d)中更為明顯。圖4(e)中部分氣泡脫離混合元件，剩余部分未脫離，仍停留在混合器內(nèi)，體積相對(duì)較小的氣泡被第四左旋扭片分割為2個(gè)小氣泡，圖4(f)中分散氣泡完全脫離混合元件。

從上述過(guò)程我們可以發(fā)現(xiàn)，氣泡被混合元件切割成兩個(gè)大小不同的氣泡，體積相對(duì)較大的氣泡會(huì)快速與下一個(gè)扭片發(fā)生切割，而體積相對(duì)的較小的氣泡會(huì)相對(duì)滯后。對(duì)于氣-液兩相流經(jīng)混合器，大氣泡會(huì)被切割為較小的氣泡。由于小氣泡具有較大的表面張力，所以導(dǎo)致小氣泡之間不易發(fā)生匯聚，因而大大增加了氣液兩相的相界面。SK型靜態(tài)混合器的混合元件是由左、右旋扭片依次排列組合構(gòu)成的，而靜態(tài)混合器的停留時(shí)間與螺旋扭片的幾何參數(shù)相關(guān)。流體流過(guò)混合元件時(shí)，切割的層數(shù)為 2N次，N為混合元件的個(gè)數(shù)[7]。在螺旋扭片的長(zhǎng)徑比一定的情況下，增加混合元件的個(gè)數(shù)相當(dāng)于增加混合管的長(zhǎng)度［8］，氣-液兩相在混合器內(nèi)的停留時(shí)間隨著混合元件組數(shù)增多而增大。氣液兩相流過(guò)靜態(tài)混合器時(shí)受到混合元件不斷的切割，旋轉(zhuǎn)，移位，匯聚作用，使氣泡的形狀，大小，不斷發(fā)生變化，氣液兩相相界面也隨之發(fā)生頻繁變更，特別適用于工業(yè)上反應(yīng)過(guò)程為氣相和液相物料的慢反應(yīng)，在溫和的環(huán)境下，使反應(yīng)緩慢充分進(jìn)行，避免由傳統(tǒng)攪拌混合導(dǎo)致的局部混合不均勻，影響原料的利用率；避免為了混合充分加大攪拌速度，導(dǎo)致反應(yīng)過(guò)于劇烈發(fā)生爆炸。

2.2 不同參數(shù)條件下壓降平穩(wěn)性評(píng)價(jià)

混合管的壓力降由沿程摩擦損失和局部阻力損失構(gòu)成。沿程摩擦損失是由流體沿軸線作直線直線運(yùn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng)時(shí)與管壁摩擦引起的，局部阻力損失是混合元件交界面處流體被迫改變旋向和被下一個(gè)混合元件前緣切割分流造成的［9］。由于靜態(tài)混合器的設(shè)計(jì)往往是受限于螺旋扭片元件所造成的過(guò)大的壓力降，混合效果是以混合器在高的壓力降為代價(jià)的，因此在設(shè)計(jì)階段,壓力降是一個(gè)先決條件。此外,壓力降估計(jì)是確定混合器合理的操作窗具有很高的價(jià)值。

由圖5可知，氣泡在空管、裝有一組SK片、兩組 SK片的靜態(tài)混合器中，壓降變化走勢(shì)基本相同，但是空管壓力降最小，垂直管中放置一組螺旋扭片（雙片）時(shí)壓力降其次，放置兩組螺旋扭片（4片）壓力降最大。這是因?yàn)楫?dāng)管路加入混合元件后，氣-液兩相受到螺旋扭片部件的作用，局部阻力損失增大，而且隨著混合元件的個(gè)數(shù)增加，在元件交界處，元件對(duì)流體流向的改變及切割作用使局部阻力損失隨之增大，因而會(huì)造成上述情形。

圖5 氣泡大小10 cm3, =350Re 壓力降Fig. 5 The pressure drop（Vg=10 cm3, =350Re ）

由圖6可得，不同大小的氣泡在相同液體流速情況下，壓力波動(dòng)不同。氣泡體積越大，在靜態(tài)混合器中流動(dòng)，產(chǎn)生的壓力降越大。氣泡上升過(guò)程中，由于氣泡表面張力作用，使其內(nèi)部的壓強(qiáng)遠(yuǎn)大于泡外液體壓強(qiáng)，而且當(dāng)氣泡在靜態(tài)混合元件的作用下，破裂成小氣泡時(shí)，表面張力會(huì)增大，因而會(huì)產(chǎn)生相對(duì)較大的壓力降。

圖6 不同體積氣泡10 cm3, =350Re 壓力降Fig.6 The pressure drop of different size of bubble（ =350Re ）

3 結(jié) 論

SK型靜態(tài)混合器能夠使氣液兩相在管路內(nèi)停留時(shí)間增長(zhǎng)，混合元件通過(guò)分割-位置移動(dòng)-重新匯合，增大了氣液兩相界接觸面積，實(shí)現(xiàn)了混合的強(qiáng)化，有利于工業(yè)上的氣液兩相間的快速反應(yīng)，不僅節(jié)省了能源消耗，同時(shí)減小了設(shè)備的占地面積，增加了經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于大宗化工原料生產(chǎn)的應(yīng)用提供了可靠性。

增加靜態(tài)混合元件數(shù)會(huì)提高氣液兩相混合效果，但是會(huì)增大沿程管路損失及局部阻力損失，所以在設(shè)計(jì)工藝流程時(shí)既要考慮到混合效果，還要考慮設(shè)備的壓力承受能力，已達(dá)到最優(yōu)。

符號(hào)說(shuō)明：

de特征長(zhǎng)度

Vg氣泡體積

Ql液體流量

U 上升氣泡的終端速度

ρ 流體密度

μ 流體粘度

σ 流體表面張力

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