静态混合器的选型与应用进展

44静态混合器的选型与应用进展

静态混合器的选型与应用进展

上海石油化工股份有限公司化工研究所　　范存良

　　　主要介绍了静态混合器的选型方法及注意事项, 同时也介绍了静态混合器的应　　　用。重点介绍了静态混合器在乙氧基化反应中的应用。　　　关键词　静态混合器　应用　环氧乙烷　乙氧基化　反应

(Ro ss) 型、瑞士的苏尔士(Sulzer ) SMV 型、SM X 型、SM XL 型和日本的东利Hi 型。国内静态混合器根据对国外的研究筛选出五种, 主要有SV 型、SL 型、SK 型、SX 型和SH 型。它们在混合方面与动态混合器相比, 具有流程简单、结构紧凑、投资少、能耗省、生产能力大、操作成本低及易于实现连续混合过程等优点, 是解决液-液、液-固、液-气、气-气混合和乳化、吸收、萃取、反应、强化传热的理想设备。

静态混合器在实际应用时主要利用其如下性能:

(1) 直接应用静态混合器的分散性能:用于混合、乳化、溶解等过程。

(2) 使所通过的流体分散良好, 相界的比面积增加, 并且湍流剧烈, 从而强化传质和传质控制的反应过程:用于萃取、吸收、液-液反应、液-气反应过程; 为控制管式反应器提供反应条件。

工程技术人员和操作工人的好建议。除了上述三点主要改进外, 还进行了全面的综合改进, 以满足生产的实际需要和操作方便。

参　考　文　献

　1　李永恒. 煤气炉炉膛扩大效果之我见. 中氮肥, 1995(3) 　2　成大先主编. 机械设计手册(第3卷) . 第三版. 北京:

化学工业出版社, 1992.

　3　沈　鸿等编. 机械工程手册(第3卷) . 北京:机械工业

出版社, 1982.

4. 北京:, 1　前言

　　静态混合器是国外70年代初发展起来的一种新型混合设备。它是一种没有运动部件, 但具有独特性能的搅拌混合机构。它依靠设备的特殊结构和流体的运动, 使互不相溶的液体各自分散, 彼此混合起来达到良好的混合效果。流体通过静态混合器时, 混合元件使物流时而左旋, 时而右旋, 不断改变流动的方向, 不但将中心的液流推向周边, 而且将周边的流体推向中心, 从而获得良好的径向混合效果, 管内无死区亦不发生短路现象。与此同时, 在相邻元件连接处的界面上流体亦会发生自旋。这种完善的径向环流混合作用, 使流体在管子横截面上的温度梯度、速度梯度和质量梯度明显降低, 从而获得良好的两相流体的混合效果。它可以在很宽的雷诺数范围内操作。国外现有静态混合器[1]主要有美国的凯尼斯(Kenics ) 型、罗斯圈接触的两处部位提出了相应的加工要求(在滚动轴承的上、下导环之间同样也设置了密封圈) 。经过这一改进, 基本上可杜绝粉尘进入炉底内, 并可省去图1所示的起贮灰作用的水封装置(本设计仍设置水封装置是为了备用) 。3　结束语

3300煤气炉炉底结构的改进设计, 在参考了各方面有关资料的同时, 还广泛征求并采

《化工装备技术》第18卷　第6期　1997年

(3) 强化传热过程:冷却或加热塑料、油

漆及粘性物料; 在聚合反应中引导产生活塞流而控制反应温度等。2　静态混合器的选型

[2～7]

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需进行压力降的核算, 使其符合工程上的要求, 由此而选定混合器内径、水力直径和长度。

对处理量已定的具体工艺过程, 只要选择保证混合器性能的合适线速度范围, 就能方便地设计出混合器的有关结构参数。混合器中的表观线速度的选择见表1。

　表1　不同混合过程中混合器线速度的范围

线速度范围(m/s ) 适用过程

0. 1—0. 3

0. 3—0. 5

0. 5—0. 8

>0. 8

　　静态混合器是一种新设备, 系统、完整的设计方法尚处于形成过程中。对某一具体工艺过程选择合适的静态混合器, 需要借助基础研究和实际经验, 作半经验半理论的估算。在混合过程及反应过程中, 要选择合适的静态混合器类型以满足工艺的不同要求。混合单元结构不同, 所产生的流体流动形态及性能也不同。在选择时应考虑流体特征、要求的混合程度、压力降、直径、长度、剪切率、流体停留时间、滞留体积以及传热、传质等因素; 另外还要考虑放大设计的可靠性、设备成本、操作费用和清洗能力等。一般情况下, 直接利用基础研究的数据和实践经验, 就可进行预设计。对有些过程还需进行实验研究, 才能选定合适的静态混合器。对静态混合器的实验研究也比较简单:准备要研究的静态混合器, 选用合适的流体, 再配以所需的测量仪器和必要的加热或冷却设备, 就可测量静态混合器的压力降、停留时间分布、传热特性、混合效果(液滴的混合直径) 、传质性能等参数。

对于互溶性流体的混合, 在选择和设计静态混合器时, 可按下述三个步骤进行:

(a) 根据混合条件, 如被处理物系的特性、配比、对混合的不同要求等选定合适的混合器类型。了解各类常见静态混合器的性能与适用范围是很必要的。

(b ) 确定了混合器的类型后, 根据所需的混合要求( /x ) , 查有关混合性能图, 得所需混合器相对长度L/D 。由于实际工艺过程中, 有关条件如雷诺数、体积流率比、粘度、粘度比、加料方式等与性能图的实验条件不尽相同, 所以应根据实际情况作些必要的修正。

中高粘度流体低中粘度流体难混体系气体混合混　　合

混　　合易混体系混合

混　合

　　对于中、高粘度流体混合、传热、慢速化学反应, 一般适宜于层流操作, 流体表观速度(以空管内径计算的流速) 约在0. 1—0. 3m /s 。对于低粘度难混合流体的混合、乳化、快速反应、预反应等过程, 适宜于湍流条件操作, 流体表观速度约在0. 8m /s 左右。对于气-气、气-液的混合、萃取、强化传热等过程, 气体的表观线速度可在1. 2m/s 左右的完全湍流条件下进行。

根据初选的长径比L/D 和内径D, 计算得混合器长度L 。长径比的选择一般参考如下:层流操作时, 长径比为15—30; 湍流时, 长径比为7—10, SK 、SL 型适当增大为10—15。乳化效果与混合器的长度有关, L /D 可达50—100以上。对于既要混合均匀, 又要尽快分层的萃取过程, L /D 可取5—7。对于SV 型, 一般在湍流下操作, 长径比L/D 较小, 气-气混合时, 只需3—6个等高单元, 而一般体系混合时, 只需6—12个单元。

为选择合适的流体输送设备, 或满足过程对压力降的要求, 还需进行压力降的核算。因为混合器在强化传质过程中也将消耗一定的能量, 即流体本身有压力降、有变化。

此选择法结合了基础研究结果和实际应用经验, 方法简单, 能解决工程上一般混合的设计问题。但在使用时要注意以下事项:(

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表观线速度相似, 并适当增大静态混合器的长径比L /D 值, 一般条件下都能满足工程要求。3　应用进展

　　静态混合器最初主要利用的是它的混合性能, 即用于各种流体的混合。随着研究的不断深入, 应用的范围也变宽:用于各种强化传质的化工操作, 并逐步应用于一些简单的化学反应。在原油蒸馏装置的原油注碱、原油电脱盐和柴油电精制工艺上应用静态混合器, 可以取得良好的效果:用于电脱盐时, 破乳剂、水与原油混合均匀, 破乳效果增强, 电脱盐罐中乳化层减薄, 操作电流和电场强度稳定, 原油脱盐后的盐含量和水含量明显降低, 脱盐率比以前提高了10%—15%。

近来, 我们应用静态混合器进行了乙氧基化反应的研究[8], 取得了较好的效果。乙氧基化反应是含有活性氢的化合物(醇、酸、脂等) 与环氧乙烷在催化剂作用下进行的加成反应, 它是生产聚氧乙烯型非离子表面活性剂的主要反应。工业上采用的反应器主要有釜式反应器、意大利Press 反应器、瑞士Buss 回路反应器及连续管道化反应器。前三种反应器均存在一定的返混, 使反应物的分子量分布变宽, 且不能实现连续化生产。而使用连续管道化反应器则可以消除反应物料的返混, 使产品的分子量分布达到理想化。同时对反应产生的热量也可以及时传出, 若采用浸没式反应系统还可以使反应物料完全处于恒温状态, 这样对反应更有利。

乙氧基化反应属于强放热反应过程, 对反应器必须强化传热, 要及时有效地携出管道反应器中的反应热, 保证管道内能在允许的温度下进行乙氧基化反应。为此我们采用了具有较强传热效果的管式静态混合器作为反应器, 并对静态混合器测定了压降、停留时间和传热特性等基础数据, 获得了参数的经验关联式。由于管式反应器的使用条件比别的反应器高, 反, , 同一静态混合器在相同操作条件下对于不同被混体系, 由于混合难易程度不同, 达到相同的混合结果所需长径比L/D 亦不同。层流下, 当两股流体的粘度差达三个数量级时, 所需混合器长度比相同粘度流体混合时所需的长度最大可达50%。根据实际应用经验, 当两股流体的粘度差达三个数量级时, 即要增大长径比, 其增大值视实际情况而定。

　　(2) 操作特性(表观线速度) 的影响

在实验室研究和工业应用时发现, 表观线速度在其它条件不变的情况下对混合质量有极大的影响。混合器在湍流状态下对流体的混合、传热、传质或反应过程有较高的强化作用, 故静态混合器应尽量在湍流范围内操作。而在湍流操作时, 压力降会增加, 有时也要综合考虑。一般情况下, 高线速度下的混合比低线速度下容易得多。

　　(3) 加料位置的影响

对于两股流体的混合, 加料位置(即加料方式) 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。实践中, 一般采用侧面(即切线方向) 进料, 混合器长度增加15%—20%。　　(4) 置向的选择

一般情况下, 静态混合器对放置方向并无特别要求, 根据现场实际情况可水平、垂直或倾斜放置。但有些情况下, 对放置方向有特定的要求。如当两股流体粘度比或密度比达二个数量级时, 需垂直放置, 且流动方向对液体应自下向上流, 而对气体应自上而下流。若水平放, 易造成混合不均匀。在温度有变化的流程中, 要根据混合介质的流速温度, 特别是由温度引起的粘度变化的情况来确定混合器的安放位置, 以获得最佳的混合效果。　　(5) 放大效应问题

静态混合器的优点之一就是放大效应小, 容易放大。因为在大小规格不一的同一类型静

《化工装备技术》第18卷　第6期　1997年47

螺旋螺带式搅拌器的设计及计算

无锡市造漆厂　　张平亮

　　　根据设计条件, 提出了螺旋螺带式搅拌器的设计方法, 并结合实例进行了计算　　　和分析。

　　　关键词　螺旋螺带式搅拌器　聚合反应　温度斑　　随着聚合物反应热的增大, 就需扩大传热面积、增大热传递系数、并尽可能保证温度均布。为此, 国内外相继开发了多种高混合性、高

性能的聚合反应装置。聚合反应装置的设计是根据聚合反应的种类(加成、开环、聚缩合、聚加成、加成缩合) , 聚合形式(块状、溶液、悬浊、乳化、气相) 和操作方式(间歇、半间歇、连续) 的不同而不同。本文以加成聚合、块状聚合、连续式为代表的聚苯乙烯聚合反应装置为例, 阐明螺旋螺带式搅拌器的设计计算。比较均匀。测得的反应活化能为82. 81kJ/mol, 比文献值高30%。由此得到的乙氧基化产品色白质优, 同系物分布最窄, 若进一步和新型窄分布催化剂相结合, 则可以获得更好的窄分布效果。

将静态混合器引入乙氧基化反应, 为静态混合器的应用开辟了一个新的领域, 也为乙氧基化技术的进步提供了新的设备保证, 从而推动了反应设备和反应技术的双重发展。

随着科学技术的发展, 特别是在技术改造中静态混合器越来越有应用价值。它可以替代反应设备, 或在动态反应设备前加上静态混合器, 使物料混合效果更好, 从而在减少反应时间、节省能耗、减少投资等方面都起到重要作用。而目前静态混合器的应用还不多, 影响因素主要是:用户缺少参考资料、中试数据、放大技术和特殊用泵。随着静态混合技术的发展, 1　设计条件

　　流量F=0. 7kg /s, 入口聚合率x i =0. 3, 出

口聚合率x =0. 6, 反应温度T =410K ; 反应装置形式为完全混合釜型, 不添加任何溶媒。

图1为反应装置的工艺流程图, 图中T i 为物料入口温度(K) , T j 为冷却热媒体温度(K) 。2　反应速度式和物性式　　2. 1　反应速度

态混合器和配套设备, 静态混合技术的优势必将充分发挥出来。

近年来, 除了在原有的类型上继续发展专用性产品、单元产品、系列化产品外, 国内外已经开始研究或生产整机化产品, 并把静态混合技术与换热器或反应器结合起来, 进一步提高工艺性能, 扩大应用范围。

参　考　文　献

　1　M utsakis M . Chemical Engineer ing Progress , 1982, 82

(7) :42

　2　陈大昌, 陆振明. 化学世界, 1990(7)

　3　浙江大学联合化学反应工程研究所. 苏尔士静态混合器

压降和停留时间的测定. 1996. 　4　宋忠俊. 化工装备技术, 1991, 12(1) 　5　王元. 化工装备技术, 1994, 15(3)

　6　Boss J , Czastkiew icz W. Inter Ch em Eng , 1982, 22　7　Grace C D. Chem Proc Eng , 1971, 7

　8　浙江大学联合化学反应工程研究所. 管式连续合成醇醚

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