1.2.5　静态混合器

静态混合器是指借助流体管路内的固定结构,不依靠机械运动部件,在管道流动中使流体混合的设备,其应用研究和工程实施已经相当广泛。流体在流经静态混合器时,受混合元件(扭曲叶片、交错栅条、平板等的组合)的阻挡或引导,产生分流、合流、旋转,流体逐渐达到混合均匀的目的。在湍流流动中还有混合元件诱导而产生的湍流涡团促使流体混合的机理。

静态混合器的典型代表是开发最早的Kenics 静态混合器(KSM),又称为标准静态混合器,其混合元件为扭曲180°的螺旋叶片[图1.27(a)]。当物料沿管道流经左、右螺旋交替、成组布置的Kenics元件时,首先受元件端面的切割,物料一分为二,每股物流受迫做旋转流动,惯性、旋转引发二次流等复杂流动型态,促进混合;进入第二个元件时,物流分割为两股,分别与另一股的一半组合,再次被旋流混合;而且左、右螺旋交替排列的方式使惯性的作用倍增。这样,多个KSM元件使物料重复进行分割⁃旋流⁃重合,加上湍流涡团的作用,得以实现径向混合。之所以强调径向的混合,是因为管式的设备一般希望消除轴向混合,而罐式设备则往往希望全混流反应器式的充分混合。另外,板、条、波片等形状的零件组合起来,也构成适合不同用途的静态混合元件,如图1.27(b)中的SMX混合元件。 

图1.27　KSM(a)和SMX型(b)静态混合器

静态混合器的主要优点是无移动部件,适用于很宽雷诺数范围内的混合,也适合于气液、液液等多相体系的混合。

静态混合器已用于以下的单元操作中: 

① 混合分散。配制工艺要求的溶液、溶解固相制备溶液、制备加料要求的液液乳浊液、固液悬浮体系或浆液,中、高黏度物料进入设备前的预混合等。这利用了静态混合器促进湍流、增强剪切的功能。

② 热交换。强化传热,尤其是管道流动的传热,对中、高黏度流体的加热或冷却则效果更明显。这是因为径向混合效果好的缘故。

③ 多相体系操作。气体吸收、液液萃取等。

④ 化学反应器。其流型接近活塞流,横截面上的浓度、温度梯度小。以平行竞争反应(碘酸盐⁃硼酸反应体系)测试,无论是层流还是湍流,Kenics 静态混合器的产物选择性比空管都好得多。

管道内置静态混合器的应用也有限制,即只能是物料并流的操作模式,难以依靠重力,实现两者物相逆流的操作模式。例如,作为萃取设备时,失去了可以逆流操作的优越性。静态混合器也存在着内部结构比较复杂,对于有固体产物产生的混合过程,容易造成堵塞,清理较为困难的缺点。

新型的静态混合器结构设计仍然是混合设备开发的热点之一,但是由于其内部结构复杂,对内部单相和多相流场的认识比较困难,必须依靠实验探索或数值模拟并举的模式,才能高效、准确地完成构型创新和操作优化的目标。