SK型靜態(tài)混合器對原油混合特性影響的數(shù)值模擬

劉智銘，董 杰，謝禹鈞

（遼寧石油化工大學(xué)機械工程學(xué)院，遼寧撫順113001）

靜態(tài)混合器是一種高效節(jié)能的設(shè)備，是將靜態(tài)混合單元以一定的排列方式固定在管路中所形成的管道式混合器。這些混合單元依靠流體自身動能，實現(xiàn)流體的不斷分割、位移和重新匯合，從而達到充分混合的目的，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，尤其適用于化工、石油、環(huán)保等行業(yè)的混合、反應(yīng)、傳熱等單元操作。國內(nèi)現(xiàn)在可用的靜態(tài)混合器分為SV型、SX型、SH型、SL型以及SK型等五種類型。每一種類型的混合器都有多種規(guī)格，這些規(guī)格的靜態(tài)混合器基本可以滿足工業(yè)上不同操作的需求。但是，隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，靜態(tài)混合器的應(yīng)用范圍會更廣[2]。SK型靜態(tài)混合器的加工制造較其他混合器簡單，而且方便安裝、拆卸和清洗，因此成為被應(yīng)用較多的混合設(shè)備。眾多學(xué)者針對SK型靜態(tài)混合器進行了大量的研究[3-7]，取得了許多具有應(yīng)用價值的結(jié)論。本文將SK型靜態(tài)混合器引入到原油儲罐中，解決儲罐中原油分布不均勻或局部沉積的現(xiàn)象。利用SOLIDWORKS軟件對SK型靜態(tài)混合器進行了三維建模，再應(yīng)用FLUENT軟件對SK型靜態(tài)混合器內(nèi)密度不同的原油的混合物流場進行了模擬，得出了整體速度矢量圖、密度分布云圖、溫度分布云圖以及壓力分布云圖，分析了SK型靜態(tài)混合器內(nèi)流體的混合特性，為SK型靜態(tài)混合器在儲罐中發(fā)揮的混合作用提供了理論依據(jù)。

1 SK型靜態(tài)混合器簡介

SK型靜態(tài)混合器內(nèi)部混合單元結(jié)構(gòu)為螺旋葉片，其葉片的扭轉(zhuǎn)角度為180°，分為左旋和右旋。左旋、右旋葉片在管道內(nèi)交錯90°交替首尾焊接連接排列，外加外部管道構(gòu)成整個靜態(tài)混合器。由于內(nèi)部螺旋葉片的存在，管道內(nèi)流體的湍動相比光滑空管大大增加，促使混合器的混合性能及傳熱性能都得到強化[8]。SK型靜態(tài)混合器相鄰的葉片螺旋方向?qū)旌掀饹Q定性作用。當(dāng)相鄰葉片采用與螺旋方向相反的安置方法時，除了起到切割流體的作用外，更重要的是使流體在流動過程中實現(xiàn)無序混合。如果相鄰葉片的螺旋方向相同，混合效果則達不到理想狀態(tài)，而且還很有可能存在無混合死區(qū)[9]。

在各種型號的靜態(tài)混合器中，SK型靜態(tài)混合器最不容易發(fā)生堵塞，所以更適用于處理流量比較小且含雜質(zhì)或高黏性介質(zhì)以及比較臟的物料。SK型靜態(tài)混合器已成功地應(yīng)用于漂白紙漿、油墨色漿與機油顏料的混合、工業(yè)萘堿洗脫酚等過程。SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意簡圖及其三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。流體進入管道后，在流動過程中被迫產(chǎn)生切割、分離、旋轉(zhuǎn)和混合等一系列過程，SK型靜態(tài)混合器同時發(fā)揮分流作用和徑向混合作用[10]。流體經(jīng)過一個螺旋葉片時，被強制分割成兩股，從葉片的兩側(cè)沿著螺旋方向流動，當(dāng)流經(jīng)下一個螺旋葉片時，再一次被切割。因此，當(dāng)流體流經(jīng)n個螺旋葉片時，被切割n次，切割的層數(shù)S＝2n。與攪拌器之類的動態(tài)混合器相比，該類靜態(tài)混合器具有流程簡單、結(jié)構(gòu)緊湊、方便裝卸、能耗低和特別適用于難混合的連續(xù)工藝過程等優(yōu)點[11]。

2 數(shù)值模擬及結(jié)果分析

2.1 物理模型

應(yīng)用專業(yè)三維建模軟件SOLIDWORKS對SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)進行建模，基本尺寸為：混合器直徑D為40 mm，L/D=2（其中，L為葉片長度，mm）；設(shè)置4個螺旋葉片，混合器總管道長度為400 mm。采用六面體方式進行網(wǎng)格劃分，插入Body Sizing網(wǎng)格插件，并且對葉片、入口和出口網(wǎng)格進行更為細密的劃分，共計得到508 666個單元。SK型靜態(tài)混合器有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格如圖2所示。

圖1 SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意簡圖及其三維結(jié)構(gòu)圖

圖2 SK型靜態(tài)混合器有限元結(jié)構(gòu)網(wǎng)格

2.2 控制方程

考慮重力因素，引入能量方程，同時采用多相流模型模擬SK靜態(tài)混合器內(nèi)兩種原油的流動情況[12]。把兩種原油的混合物視為充滿整個計算域的連續(xù)介質(zhì)，SK型靜態(tài)混合器內(nèi)流體的流動滿足連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程?；诓豢蓧嚎s的牛頓型流體控制方程，對連續(xù)性方程、動量守恒方程和能量守恒方程進行簡化，結(jié)果如式（1）—（3）[13-14]。

式中，ρ為流體密度，kg/m3；t為時間，s；ux、uy、uz為x、y、z方向的速度分量，m/s；p為壓力，Pa；fi為單位質(zhì)量力，m/s2；τxi、τyi、τzi為黏性應(yīng)力分量，Pa；E為流體微團總能，J/kg；hj為組分j的焓，J/kg；keff為有效熱傳導(dǎo)系數(shù)，W/（m·K）；Jj為組分j的擴散通量；Sh為包括化學(xué)反應(yīng)熱及其他用戶定義的體積熱源項，J；T為流體溫度，K；為速度矢量，m/s。

2.3 邊界條件

物理模型設(shè)置兩個入口，主相入口條件為速度入口，其大小為0.5 m/s；第二相入口條件也為速度入口，其大小為0.3 m/s；出口邊界條件設(shè)置為壓力出口，壁面定義為固壁，滿足無滑移條件。兩種密度、溫度均不同的原油物性參數(shù)見表1[15]。

表1 流動介質(zhì)的物性參數(shù)

2.4 模擬結(jié)果與分析

2.4.1 速度矢量分布 SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的整體速度矢量分布云圖如圖3所示。從圖3可以看出，當(dāng)兩種密度不同的原油分別從兩個入口同時進入時，由于SK型靜態(tài)混合器內(nèi)部螺旋葉片的存在，速度的大小和方向都隨著螺旋葉片的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生改變。

圖3 SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的整體速度矢量分布云圖

SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的各截面速度矢量分布云圖如圖4所示。從圖4可以看出，在經(jīng)過第一個螺旋葉片前，兩種原油從各自入口流入，進行初步的混合。因為混合器內(nèi)部元件是固定的，本身不存在相對位移，所以原油依靠自身具有的動能繼續(xù)運動，經(jīng)過第一個葉片時（z=L/3），會因為葉片的阻礙作用而被分為兩股，分別繞著葉片的兩側(cè)進行方向相反的旋轉(zhuǎn)混合運動。SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的葉片為左右旋交替的周期性排布，左右旋葉片對流體的作用相同[16]，當(dāng)經(jīng)過第二個螺旋葉片時（z=L/2），原來的兩股分流又被切割，再次進行方向相反的旋轉(zhuǎn)運動。流體經(jīng)過相鄰的兩個螺旋葉片，構(gòu)成一個運動周期，所以當(dāng)流體經(jīng)過第三個葉片時（即經(jīng)過下一個周期），混合器內(nèi)的流場狀態(tài)發(fā)生重復(fù)的現(xiàn)象，當(dāng)經(jīng)過整個混合器時，流體共被切割16次，最后其速度大小基本上趨于一致。每一個螺旋葉片都對流體產(chǎn)生分割、剪切、旋轉(zhuǎn)混合等作用，使流體之間的混合更加快速、高效。由此可見，在模擬過程中SK型靜態(tài)混合器內(nèi)各個部分的流動狀態(tài)均良好。

2.4.2 密度分布 SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的密度分布云圖如圖5所示。由圖5可以看出，在入口處有明顯的流體密度界線，說明流體還未進行混合；當(dāng)流體繼續(xù)流動通過設(shè)置在管道內(nèi)的螺旋葉片時，兩種原油開始進行混合；當(dāng)流體經(jīng)過第一個螺旋葉片時，存在強烈且明顯的混合作用，混合力度最大；當(dāng)經(jīng)過二個螺旋葉片時，流體未完全混合均勻，存在分層現(xiàn)象；當(dāng)流體經(jīng)過第三個螺旋葉片時，密度分布沿徑向趨于穩(wěn)定[17]；當(dāng)通過第四個螺旋葉片時，兩種油品混合情況較好，油品分布比較均勻，并在出口處得到相對穩(wěn)定的流體，其密度為835 kg/m3。

2.4.3 溫度分布 SK型靜態(tài)混合器工作時的溫度分布云圖如圖6所示。

由圖6可以看出，入口處流體溫度梯度十分明顯，最大溫度為50℃，最小溫度為20℃；當(dāng)經(jīng)過第一個螺旋葉片時，SK型靜態(tài)混合器中由于螺旋葉片的存在，使從上端入口進入的溫度較低的原油向管道中心流動，管道中心處的溫度較高的原油向管壁附近流動，溫度梯度依然存在，但混合強化效果很明顯；當(dāng)經(jīng)過第二個螺旋葉片時，溫度梯度逐漸減小，在螺旋葉片的作用下，管道內(nèi)流體反復(fù)地被切割、剪切和旋轉(zhuǎn)，從而增強了管壁與管心流體的流動，減小了邊界層，使其熱阻下降，在流動過程中發(fā)生了比較明顯的徑向溫度變化，流體的溫差逐漸消失，出口處溫度分布比較均勻，趨于穩(wěn)定在約35℃。這表明SK型靜態(tài)混合器具有較好的傳熱效果。

2.4.4 壓力分布 壓力降是靜態(tài)混合器的一項重要指標(biāo)?；旌显诠艿纼?nèi)強化流體混合的同時，也使流體流經(jīng)混合管的壓力損失比流經(jīng)光滑空管的壓力損失大得多[18-19]。SK型靜態(tài)混合器工作時的壓力分布云圖如圖7所示。從圖7可以看出，在SK型靜態(tài)混合器入口處壓力最大，從入口到出口壓力逐漸變小，說明螺旋葉片在強化管道內(nèi)流體混合的同時，加大流體沿流動方向的阻力，增加SK型靜態(tài)混合器內(nèi)的壓力降。但是，入口處和出口處壓力梯度變化較小，即壓力損失較小，這是因為在整個流動混合過程中流動狀態(tài)為層流，且螺旋葉片個數(shù)較少的緣故。

圖7 SK型靜態(tài)混合器工作時的壓力分布云圖

3 結(jié) 論

（1）在螺旋葉片的作用下，流體的速度大小和方向不斷發(fā)生變化，且流體在螺旋葉片兩側(cè)的旋轉(zhuǎn)方向相反，由于混合器內(nèi)的螺旋葉片呈周期性排列，所以流體每經(jīng)過一個周期，其流場狀態(tài)也開始發(fā)生重復(fù)的現(xiàn)象。隨著流體沿著管道的流動，其速度分布最后趨于一致。

（2）在混合過程中，通過對流體做反復(fù)多次的切割、旋轉(zhuǎn)，使流體充分接觸混合。其中第一個螺旋葉片對整個強化作用最顯著，之后呈下降趨勢。在經(jīng)過第三個螺旋葉片時，密度、溫度分布均勻且基本保持不變，SK型靜態(tài)混合器對儲罐中的原油具有較好的混合效果。

（3）由于靜態(tài)混合器的流動狀態(tài)為層流且螺旋葉片數(shù)較少，因此整體壓力損耗較小，能耗成本較低。

（4）對SK型靜態(tài)混合器進行三維數(shù)值模擬，混合器內(nèi)的流動狀態(tài)可以比較真實地反映實際工況下的流動狀態(tài)，得到的結(jié)果趨于與實際相吻合。運用CFD技術(shù)在很大程度上提高了工程應(yīng)用的效率。