1.2.5　靜態混合器

靜態混合器是指借助流體管路內的固定結構,不依靠機械運動部件,在管道流動中使流體混合的設備,其應用研究和工程實施已經相當廣泛。流體在流經靜態混合器時,受混合元件(扭曲葉片、交錯柵條、平板等的組合)的阻擋或引導,產生分流、合流、旋轉,流體逐漸達到混合均勻的目的。在湍流流動中還有混合元件誘導而產生的湍流渦團促使流體混合的機理。

靜態混合器的典型代表是開發最早的Kenics 靜態混合器(KSM),又稱為標準靜態混合器,其混合元件為扭曲180°的螺旋葉片[圖1.27(a)]。當物料沿管道流經左、右螺旋交替、成組布置的Kenics元件時,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流動,慣性、旋轉引發二次流等復雜流動型態,促進混合;進入第二個元件時,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KSM元件使物料重復進行分割?旋流?重合,加上湍流渦團的作用,得以實現徑向混合。之所以強調徑向的混合,是因為管式的設備一般希望消除軸向混合,而罐式設備則往往希望全混流反應器式的充分混合。另外,板、條、波片等形狀的零件組合起來,也構成適合不同用途的靜態混合元件,如圖1.27(b)中的SMX混合元件。?

圖1.27　KSM(a)和SMX型(b)靜態混合器

靜態混合器的主要優點是無移動部件,適用于很寬雷諾數范圍內的混合,也適合于氣液、液液等多相體系的混合。

靜態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、高黏度物料進入設備前的預混合等。這利用了靜態混合器促進湍流、增強剪切的功能。

② 熱交換。強化傳熱,尤其是管道流動的傳熱,對中、高黏度流體的加熱或冷卻則效果更明顯。這是因為徑向混合效果好的緣故。

③ 多相體系操作。氣體吸收、液液萃取等。

④ 化學反應器。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(碘酸鹽?硼酸反應體系)測試,無論是層流還是湍流,Kenics 靜態混合器的產物選擇性比空管都好得多。

管道內置靜態混合器的應用也有限制,即只能是物料并流的操作模式,難以依靠重力,實現兩者物相逆流的操作模式。例如,作為萃取設備時,失去了可以逆流操作的優越性。靜態混合器也存在著內部結構比較復雜,對于有固體產物產生的混合過程,容易造成堵塞,清理較為困難的缺點。

新型的靜態混合器結構設計仍然是混合設備開發的熱點之一,但是由于其內部結構復雜,對內部單相和多相流場的認識比較困難,必須依靠實驗探索或數值模擬并舉的模式,才能高效、準確地完成構型創新和操作優化的目標。