扭旋角度對(duì)新型靜態(tài)混合器混合性能的影響

李星宇，張春梅，楊鵬達(dá)

（沈陽化工大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110142）

SK型靜態(tài)混合器是一種傳統(tǒng)的靜態(tài)混合器，可適用于石油化工、精細(xì)化工、生物石油加工等領(lǐng)域的攪拌、反應(yīng)、提純、傳熱等流程。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)SK型靜態(tài)混合器的混合特性開展了廣泛的研究,得到了許多重要的結(jié)論。孟輝波等[1-2]進(jìn)行了 SK型靜態(tài)混合器的湍流流動(dòng)數(shù)值模擬，揭示了 SK型靜態(tài)混合器切割區(qū)內(nèi)部流動(dòng)阻力特性和混沌運(yùn)動(dòng)特性，為了提高 SK型靜態(tài)混合器的性能，一些學(xué)者對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了新型靜態(tài)混合器；Hobbs等[3]在低雷諾數(shù)條件下，對(duì)Kenics 型靜態(tài)混合器進(jìn)行了模擬研究，得出改變扭旋元件的長徑比時(shí)，能夠影響靜態(tài)混合器的混合效率；龔斌等[4]對(duì)多葉片的靜態(tài)混合器內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)靜態(tài)混合器內(nèi)有強(qiáng)弱漩渦，強(qiáng)化徑向混合；王宗勇等[5]對(duì)多流道螺旋靜態(tài)混合器的混合性能進(jìn)行了研究，得出流道的增加能夠增強(qiáng)流體混合效率、縮短混合元件長度。本文在 SK型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，結(jié)合多流道的思想，提出一種新型的靜態(tài)混合器，利用Fluent進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，改變扭旋角度時(shí)，對(duì)該靜態(tài)混合器混合性能的影響進(jìn)行研究。

1 研究對(duì)象及方法

1.1 新型混合器的幾何結(jié)構(gòu)

本文研究的靜態(tài)混合器由一根主管、一根支管、四個(gè)混合元件組成，如圖1所示。

圖1 靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)示意圖

在混合管內(nèi)SK形混合元件和扭旋片同心布置，中心1/2直徑處為SK型混合元件，外圍1/4直徑為關(guān)于原點(diǎn)呈中心對(duì)稱的夾角β=90°的扭旋片組成，扭旋片長度為H，扭旋角為α，相鄰兩個(gè)混合元件中左旋螺旋板和右旋螺旋板在管內(nèi)呈錯(cuò)開90°交替排布，如圖2所示,靜態(tài)混合器的主要幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1。

圖2 靜態(tài)混合器元件的幾何模型（α=180°）

表1 靜態(tài)混合器的幾何尺寸

1.2 模擬方案

模型使用Solidworks進(jìn)行建模,使用Fluent對(duì)靜態(tài)混合器內(nèi)的流體濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。模擬研究的主相采用20 ℃水（密度為998.2 kg·m-3，黏度為0.001 003 Pa·s），次相為H2SO4（密度為1 836 kg·m-3，黏度為0.010 18 Pa·s）；兩種流體均為連續(xù)的不可壓縮的牛頓流體，忽略重力的影響。多流模型采用mixture[7]模型。設(shè)定主相流動(dòng)方向?yàn)閄軸正方向，建立如圖1的坐標(biāo)系。 假設(shè)所有物性參數(shù)都是定值,主相與次相的入口速度相同，采用均勻速度的入口邊界，出口邊界條件選用自由出流。壓力與速度耦合選擇SIMPLC算法。

靜態(tài)混合器內(nèi)的流體流動(dòng)狀態(tài)利用主相入口的雷諾數(shù)Re為參照，由雷諾數(shù)計(jì)算公式（1）可得主相的入口速度。

式中：ρ—流體密度，kg·m-3；

u—入口流體速度，m·s-1；

d—入口內(nèi)徑，mm；

μ—流體動(dòng)力黏度，Pa·s。

1.3 網(wǎng)格無關(guān)性檢驗(yàn)

在對(duì)研究對(duì)象進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)，如果網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量過大，造成計(jì)算量太大，收斂速率低，而網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量過少時(shí)，可能達(dá)不到所需計(jì)算精度，為此，根據(jù)流體流過最后一個(gè)混合元件的分離強(qiáng)度I確定合適的網(wǎng)格數(shù)量。

分離強(qiáng)度為流體的實(shí)際濃度方差與尚未混合時(shí)的方差的比值，表達(dá)式如（2）。

式中：X—對(duì)某一截面內(nèi)H2SO4的m個(gè)采樣點(diǎn)的體積分?jǐn)?shù)平均值；

Xi—某一截面中不同位置H2SO4的體積分?jǐn)?shù)。

在主相的入口雷諾數(shù)Re=1 200的情況下，對(duì)α=150°靜態(tài)混合器內(nèi)濃度場(chǎng)模擬計(jì)算, 所得流體流過最后一個(gè)混合元件的分離強(qiáng)度隨網(wǎng)格密度變動(dòng)情況如圖3所示。在圖中, 可發(fā)現(xiàn)網(wǎng)格總量在2 188 474以后的變化起伏明顯降低, 變化不超過5%, 亦即當(dāng)網(wǎng)格總數(shù)超過2 188 474之后,分離強(qiáng)度就基本不再改變, 而此時(shí)的網(wǎng)格總量也不再影響運(yùn)算準(zhǔn)確度,故本文選擇網(wǎng)格數(shù)在2 188 474以上進(jìn)行模擬計(jì)算。

圖3 分離強(qiáng)度隨網(wǎng)格數(shù)量變化曲線

2 混合性能

在主相的入口雷若數(shù)Re=1 200的情況下，對(duì)α=90°、120°、150°、180°四種混合器內(nèi)濃度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。

2.1 軸向濃度分布

不同扭旋角對(duì)應(yīng)的靜態(tài)混合器軸向截面 H2SO4濃度分布云圖，如圖4所示。

圖4 混合器軸向截面的H2SO4體積分?jǐn)?shù)分布云圖

由圖4可以看到兩種流體在第一段混合元件混合前兩種流體幾乎尚未混合，經(jīng)過第一個(gè)混合元件后，混合區(qū)域開始逐漸擴(kuò)大。流體經(jīng)過4個(gè)混合元件扭旋作用基本都能達(dá)到均勻混合的效果?；旌显軌蚣铀倩旌线^程，使流體加速擴(kuò)散過程。當(dāng)扭旋角從90°增大到180°，可以明顯看到混合元件的混合能力隨著扭旋角的增大而增強(qiáng)，扭旋角為180°時(shí)，能夠在最少的混合元件的條件下達(dá)到相同的混合效果。

2.2 徑向濃度分布

不同扭轉(zhuǎn)角度在每個(gè)扭轉(zhuǎn)元件的首尾徑向H2SO4的的體積分?jǐn)?shù)分布云圖如圖5所示。

圖5 徑向H2SO4體積分?jǐn)?shù)分布云圖

從圖5可以看到，x=120 mm截面次相即使通過加藥管匯入主流管道中，在混合元件前的管內(nèi)幾乎沒有發(fā)生混合。在經(jīng)過第一個(gè)混合元件后，可以觀察到x=180 mm截面的兩流體開始出種現(xiàn)交錯(cuò)，說明兩種流體開始在混合元件的扭旋作用下被分割成多個(gè)區(qū)域。x=240 mm截面的次相混合更加均勻，混合的效果明顯改善，此時(shí)將混合效果進(jìn)行比較可以發(fā)現(xiàn)，α=90°和α=120°下仍存在高濃度區(qū)域，故混合效果相對(duì)較差。在流體到達(dá)的x=300 mm時(shí)，α=180°的混合元件使得流體基本混合均勻，α=90°仍存在部分高濃度區(qū)域，α=120°和α=150°混合效果相差不大，說明扭旋角度的增加改善了混合速度。在最后一個(gè)元件的出口截面, 除了α=90°之外, 其他混合器徑向H2SO4體積分?jǐn)?shù)基本均勻。

2.3 混合特性定量分析

為了進(jìn)一步地定量分析靜態(tài)混合器的混合效果，通過采用分離強(qiáng)度來說明混合的均勻程度[8-9]。由式（2）計(jì)算得出混合器內(nèi)元件進(jìn)出口位置的分離強(qiáng)度。

不同扭角的混合器內(nèi)特征軸向位置分離強(qiáng)度對(duì)比如圖6所示。

圖6 分離強(qiáng)度隨軸向位置的變化關(guān)系

由圖6可以發(fā)現(xiàn)流體在經(jīng)過第一個(gè)混合元件后，α=180°混合器的分離強(qiáng)度值迅速降低到0.11，混合效果非常顯著，而α=90°的混合器則需要兩個(gè)混合元件才能達(dá)到相同的分離強(qiáng)度。流體流經(jīng)α=120°的混合器三個(gè)混合元件時(shí)，分離強(qiáng)度為0.0573，而α=180°只需要流經(jīng)兩個(gè)混合元件就能達(dá)到同樣的分離強(qiáng)度值，相同條件下節(jié)省一個(gè)混合元件。α=150°的混合器與α=180°的混合器經(jīng)過對(duì)比，經(jīng)過第一個(gè)混合元件的分離強(qiáng)度值大于α=180°，即α=180°的混合器混合效果更好，第一個(gè)混合元件后混合性能相差不大；總之，α在 90°～180°時(shí)，混合效果隨著扭轉(zhuǎn)角度的增大而增大。

通過利用貢獻(xiàn)率，進(jìn)一步說明每一段混合元件對(duì)整個(gè)混合器混合效果的貢獻(xiàn)程度[10]。貢獻(xiàn)率表達(dá)式如下：

式中：Ii,m—第m個(gè)元件在入口截面的分離強(qiáng)度；

Io,m—第m個(gè)元件在出口截面的分離強(qiáng)度；

m—第m個(gè)混合元件。

根據(jù)式（3）可以計(jì)算得到四個(gè)混合元件的貢獻(xiàn)率分別是 57%、24%、13%、6%。濃度相比主相較低的次相在第一個(gè)混合元件扭旋的作用下，便與主相充分混合，分離強(qiáng)度下降明顯。隨著第二個(gè)混合元件的繼續(xù)作用，前三個(gè)混合元件對(duì)全部混合效果貢獻(xiàn)超過90%。第四個(gè)混合元件對(duì)混合效應(yīng)的貢獻(xiàn)較低, 而且分離強(qiáng)度隨軸向位移的變動(dòng)較平緩,說明此時(shí)混合元件不再提升混合性能，而是起維持混合狀態(tài)的作用。說明提高本文這種新型靜態(tài)混合器的混合性能的有效途徑為增大前三個(gè)元件的混合性能，可采用增加扭旋角的辦法來實(shí)現(xiàn)。

3 結(jié) 論

在低雷諾數(shù)情況下，本文所提出的新型靜態(tài)混合器內(nèi)，扭旋角為 180°的混合器經(jīng)過前三個(gè)混合元件的作用，混合效果明顯優(yōu)于其余三者。兩相流體混合速度隨扭旋角增大而增大，濃度分布更均勻；扭旋角的增大使得混合分離強(qiáng)度的降低速率增大，混合性能更優(yōu)。適當(dāng)?shù)靥岣吲ば菂?shù)有利于提高該靜態(tài)混合器的混合性能。