静态混合器

全世界经济发展的同时，我们周围的环境在不断恶化。

在我国尤其如此，近二十年经济的迅猛发展给环境带来严重影响。

我国境内的河流受污染情况十分严重，大多数河流的水质都出现了不同程度的下降。

地球上的淡水资源是有限的，在我国的北方大部分地区水资源是缺乏的，因此我国实施了南水北调工程。

日益严重的水污染与水资源短缺，使得有效的水处理技术变得越来越重要，人们从不同的方向改进着水技术。

其中，混凝技术是一种常见的水处理技术，得到广泛的认可和推广。

水的混凝机理十分复杂，一直得到广大学者的关注。

一般认为:混凝过程中包含凝聚和絮凝两个步骤，其中凝聚是在瞬间内完成的，它是指化学药剂与水接触形成小颗粒的过程，在水处理过程中表现为使用各种混合设备将药剂与水均匀地混合，其均匀的程度关系着混凝效果优劣;絮凝是指凝聚过程中形成较小颗粒后，它们之间相互碰撞形成较大颗粒并沉降的过程。

影响混合效果的因素主要有三方面:一、废水水质，包括废水中浊度、PH值、水温及共存杂质等;二、混凝剂，包括混凝剂种类、投加量和投加顺序等;三、水利条件，主要指混合的方式。

混合方式有:管式混合、水力混合、机械搅拌混合以及水泵混合等。

其中管式混合主要形式有管式静态混合器、孔板式、文氏管道混合器、扩散混合器等;机械搅拌混合是在池内安装搅拌装置，以电动机驱动搅拌器将水与药剂混合;水泵混合是将药剂投放在水泵吸水管或吸水喇叭口处，利用水泵叶片的高速旋转来达到快速混合。

在水处理过程中，管式静态混合器具有高效混合、节约用药、设备小等特点，它是由一组组混合元件组成，而混合元件组数的确定应根据水质、混合效果而定。

在不需外动力情况下，水流通过混合元件时可以产生较大范围对流、返流和漩涡等运动，这些均能促使药剂均匀的分布(图1-1所示)。

在选择管式静态混合器时，其管内流速应控制在经济流速范围内，当水流量较大所选管径大于500毫米时速度范围可以适当地放宽。

混凝剂的入口方式以较大的速度，射流进入混合器管道内为佳。

实际应用中管式静态混合器的水头损失一般在0.4-0.6米范围内，条件允许时可将管径放大50-100毫米，可以减少水头损失。

本文的主要研究对象即为管式静态混合器。

2静态混合器
静态混合器(static mixer)是一种没有运动部件的高效混合设备，它在管道内加入静止元件，其主要包括三类:一类对流体起切割作用、二是使流体发生旋转、三是使流道形状与截面积变化(图1-2至1-6)，然后依靠流体自身的动力(压力降)，在流经元件的时候实现对流体的混合，被誊为是一种“虽然非常简单，却能发挥巧妙的作用”的工业元件。

它可以在很大的流体粘度范围内，不同的流动状态下应用，既可间歇的又可连续的操作。

其能使不同的流体达到均匀混合，根本原因在于混合元件使流体产生分流、拉伸、旋转、合流等运动，过程中增强了湍动，这些均极大地促进了对流扩散和紊动扩散，从而造成完善的径向混合效果。

静态混合器有许多优点，与动态混合器相比，其结构简单、能耗低、安装维修简便、混合性
能好、连续工作等。

有学者早在1983统计，静态混合器的应用使美国增加了1400万美元工业产值。

静态混合器最早是在60年代由美国的Kencis公司研制成功，近年来由于其良好的性能和较广的应用范围得到人们越来越多的关注，同时出现了许多新型混合元件，但能够制作成商业产品得到广泛引用的较少。

目前比较成熟且应用广泛的静态混合器主要有以下六种:美国的Kenics型、Ross型，瑞士的Sulzer SMV型、SMX型和SMXL型，口本的Hi型。

国内对于静态混合器的应用与开发起步较晚，无论从规模还是从发挥效益看，都远远没有达到国外的水平，静态混合器的应用价值没有得到充分的挖掘。

国内的静态混合器主要为仿制国外的混合器形式，拥有自主产权且广泛应用的静态混合器很少，所以国内的静态混合器的开发与应用还有很大的前景。

国内静态混合器根据对国外的筛选，主要类型有:SV, SH, SK, SX和SL型等五种。

内置翼片静态混合器(又称HEV静态混合器)是由美国Chemineer公司于20世纪90年代研发成功的一款产品。

它的元件为翼片形状(图1-7)所起的作用为增大剪切、改变流道面积。

这种混合器被认为具有内部结构简单、流动阻力小、压力损失小以及加工制造相对容易等特点。

3国内外学相同，主要有实验研究、理论研究、数值计算三种。

实验研究的优点是获取数据可靠，其缺点是成本高、实验周期长、数据有限。

理论分析是利用简化的流动模型假设，给出所研究问题的解析解或简化方程，其结果准确但由于混合器内流动往往是复杂的湍流，给出合适的数学描述十分困难，所以应用较少。

计算流体动力学作为一种新的研究方法近年来取得了长足进步，它的优点是成本低、获取数据快捷、获得数据量丰富、对复杂几何形状的适应能力强，它的缺点是对计算模型的依赖比较大。

在近期的国内外研究中，静态混合器的混合机理、流体力学性能研究、混合效果研究、物性对混合影响等是人们主要关注的内容。

在混合机理研究方面主要内容为液滴的破碎过程与传递现象。

周建军等对液液非均相混合的液滴行为作了总结，指出液滴破碎的两个原因:1)速度梯度引起的粘性剪切力;2)湍流产生的瞬时剪切力和局部压力波动，同时指出混合过程中还存在着液滴聚并，聚并的发生与否取决于接触时间与聚并时间的相对大小。

Z.Jaworski等人用CFD方法研究了Kenics混合器内部液滴破碎过程，在CFD的方程中加入了Population balance equation，结果与预测相一致，液滴的尺寸沿着混合器和压力降低的方向不断地减小，最终的液滴尺寸分布及最大粒径与实验所得数据具有很好的一致性。

对传递现象的研究集中在强化传热和强化传质两方面。

强化传质是静态混合器内发生的主要过程，同时也是混合器工作的主要目的。

陈晋南对传质过程进行了综述，介绍了分子传质、对流传质的基本机理，给出了描述传递过程的基本方程。

王松平通过研究流体内场与外场间的关系，得出强化对流传质关键在于控制内场与外场的协同关系，从唯象上阐述了强化对流传质的机理，提出在对流传质区域内，施加和控制各种力场的方向，各种场量方向之间相互配合可使对流传质加强。

Rui. Ruivo ]研究了高压状态下Kenics静态混合器内流体力学特性和质量输运过程，在不同的压力、温度、入流方式和主次相流量比下测量了混合器内部的质量传递速率，回归得出质量传递速率与无量纲参数的函数关系式。

而对强化传热的研究主要针对混合器在这方面的应用，研究静态混合器在强化传热过程中减少边界层厚度、增加扰动、增加边界层速度梯度等作用，同时也从侧面证明了其强化传质的作用。

吴剑华等采用Fluent 计算软件对四叶片组合静态混合器内湍流换热进行数值模拟并与SK型静态混合器进行对比，结果表明，在104≤R e≤105范围内，前者的传热效率比后者提高约20%。

过增兀等运用场协同理论分析了强化传热和传质过程，发现所有的强化措施最终均是增强场协同性。

在静态混合器内流场研究方面，主要研究速度、湍动能、压降等参数的分布，进而分析它们的影响。

再此基础上可以有根据地进行混合器优化，通过改变结构、入口条件等参数改变流
场特性，进而优化静态混合器性能。

Hyun-Seob Song等对KENICS静态混合器的压力场做了数值模拟与实验研究，发现摩擦系数、雷诺数、混合元件的长径比对压力分布有着重大影响。

赵建华等对SMV静态混合器流场作了数值模拟与实验研究，得出对称面上的速度分布，模拟与实验所得的速度场吻合较好。

S.Hirschberg等对SMX静态混合器的结构进行了改进，改进后的混合器混合效果类似改造前的情况时，压降减少了50%，用CFD方法得出新型混合器的压力场、混合效果和停留时间分布，并用实验做了验证，两者一致性较好。

AlbertRenken等人研究发现，混合元件摆放位置的周期性变化，可以使流动产生周期性的流向变化，这将极大地促进混合效果，即实现无序混合。

物性对混合效果的影响主要集中在混合物质间粘性比、密度比等对混合效果的影响。

孟辉波等根据流体动力学、非线性动力学及Ottino理论，建立了高勃度流体在SK型静态混合器内的流体流动的改进模型，用Poincare映射方法对静态混合器内的蠕动流的动力学行为进行了数值仿真研究，得出SK混合器内高粘度流体径向流动存在混沌特性。

Christian Lindenberg研究了主次相不同粘性比下的混合耗时，指出在低雷诺数情况下，混合所需时间随粘性比增大而减小，在高雷诺数下情况相反，最后总结得出混合耗时是速度、流体进口尺度、粘性的函数。

对混合效果的研究则是直接用数值模拟获得出口的体积分数分布，或在实验中使用有色试剂观察出口分布情况。

苗圃等对PDMS微流体混合器的混合器效果进行了实验研究，将离子水和红墨水按相同比例注入混合器，用照相机拍摄管内流动，称量混合液的密度并以此验证混合效果。

刘素芬对SOR混合器性能的研究通过直观的罗丹明和去离子水的混合实验来进行，研究了混合单元数目和流量影响，确定了混合效果与压损的合理结合点。

Chandra MouliR等对kenics公司KMX静态混合器气液两相流动作了实验研究，对停留时间和流体阻力进行了分析。

实验表明peclet数随着纯液体流速的增加而增加，而黏度增加将引起peclet数减小;流动阻力实验表明其是气液两相速度的函数，同时与流体的物性参数有很大的相关。

内置翼片静态混合器(图1-7自从其推出以来由于其结构简单、混合效果较好得到广泛应用，有许多学者对该混合器进行研究:张鸿雁等对该类混合器内三种翼片的混合效果进行了大涡模拟，纵向偏转角度、翼片间距等参数一致的情况下得出长翼片类型可以达到混合效果和能量损失的最佳结合。

金文改变了混合器内的翼片排列方式，比较顺排和错排两种情况下的混合效果，结果表明错排情况下效果较好些。

尹红霞对混合器内翼片的摆放进行了变化即进行了错排，错排的角度逐渐发生变化，从300至600逐渐变大，结果显示变化后取得了更好的混合效果。

陈晓春以流动方向为基准对倾斜角度进行优化，纵向偏转翼片，分别计算了300，450，600三种角度下的混合过程，结果表明倾斜角度在300时，压力损失小，并且混合效果好。

Hakim Monhand Kaci等用实验和数值模拟方法研究内置翼片静态混合器流向涡对湍流混合的影响，在雷诺平均方法下使用了不同的湍流模型并与实验相对比，结果表明K-§模型是精度与计算量的最佳方法，模拟和实验均显示在叶片后产生了流向涡对流体的混合具有较强的促进作用。

Charbel Habchi等改变内置翼片静态混合器的叶片摆放，对修改前后的混合器进行数值模拟和实验研究，结果表明周期改变叶片摆放位置有利十加强湍流强度，促进混合。

R. Wadley使用激光诱导技术测量内置翼片静态混合器的混合效果，观察得出主、次相流量比并不影响混合效果，而混合器长度、次相流入方式、雷诺数对混合有着重大影响。

T.Lemenand}对内置翼片静态混合器内不相溶的两相(油与水)流动中油滴破碎作了理论与实验研究，理论计算的最大粒径与实验相差在15%以内，同时得出翼片后是油滴破碎的主要区域。

张正成改变了次相入流方式，研究发现入流方式对混合效果有着很大影响，对于二股流体的混合，入流方式不同，即使其它条件(如混合器规格、流率比、表观线速度等)均相同，混合质量也
不同。

在管壁、垂直入流两种方式中，发现垂直入流效果较好且容易实现。

从研究现状可看到，在对静态混合器各种研究方法中，数值模拟是研究静态混合器内部流场及混合效果的重要手段之一，通过数值模拟可以得到与实验相近的结果，数值模拟有许多优点主要为:
（1)成本低:在实际问题研究过程中，数值模拟所需成本只是几台计算机，几乎不再需求其它任何设备，其相对于实验研究的成本要低几个数量级。

在实验研究前，可以用计算所得的解预测所研究物理问题的结果，为实验研究做好铺垫。

(2)速度快:数值计算对一种方案的研究时间很短，且可以同时对多个方案进行计算研究，而实验研究中多方案同时进行则需大量的设备和投入，几乎不可能实现。

（3)资料完备:主要指实验研究中测量数值时，某些区域实现正确的测量较为困难其获得的数据不是十分可信。

而数值模拟可以提供计算区域内所有变量(如速度、温度、湍流耗散率、浓度、紊流强度等)的值，在计算中可以达到区域内所有位置。

（4)能够模拟真实条件:主要指在创建所研究问题的几何模型时，可以依据其实际尺寸来创建，不需要放大或缩小。

（5)能够模拟理想条件:当研究物理问题时，由于实际问题往往较为复杂，在不影响结果准确性的前提下，人们希望通过若干理想化的条件(如绝热表面)简化问题。

这些理想化条件在数值模拟中很容易实现，而再精确的实验也很难实现。