SK型靜態(tài)混合器的液液分散數(shù)值模擬

金作宏

(河北美邦工程科技股份有限公司，河北石家莊　050035)

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SK型靜態(tài)混合器的液液分散數(shù)值模擬

金作宏

(河北美邦工程科技股份有限公司，河北石家莊050035)

摘要：為了對(duì)靜態(tài)混合器中的液液分散過程進(jìn)行深入研究，選用Euler多相流模型和k-ε湍流模型，采用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)的方法，分別計(jì)算了單旋和四旋結(jié)構(gòu)的SK型靜態(tài)混合器的流場(chǎng)。數(shù)值模擬結(jié)果表明，液液分散過程中四旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降大約是單旋結(jié)構(gòu)的3倍。X<0.04 m時(shí)，四旋結(jié)構(gòu)湍流強(qiáng)度大，混合效果優(yōu)于單旋結(jié)構(gòu)；X>0.04 m時(shí)，單旋結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)強(qiáng)化了對(duì)漩渦的作用，混合效果更好。研究發(fā)現(xiàn)，在X<0.04 m時(shí)采用四旋單元，而后采用單旋單元可以取得優(yōu)秀的混合效果。

關(guān)鍵詞：化工流體力學(xué)；靜態(tài)混合器；數(shù)值模擬；壓力降；不均勻系數(shù)

靜態(tài)混合器是一種高效節(jié)能的化工單元設(shè)備，是將靜態(tài)混合元件以一定的排列方式固定在管路中所形成的管道式混合器。這些單元借助流體自身動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)流體的不斷分割、變形、位移和匯合，以達(dá)到良好分散和充分混合的目的[1]。靜態(tài)混合器具有設(shè)備簡(jiǎn)單、無運(yùn)動(dòng)部件、占地面積小、維護(hù)費(fèi)用低、停留時(shí)間均勻、壓降低、能耗低等特點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。液液兩相混合是靜態(tài)混合器應(yīng)用的一個(gè)重要方面，可用于液液兩相反應(yīng)、萃取、乳化等化工過程。液液分散是兩相混合的實(shí)質(zhì)，其效果將直接影響后續(xù)產(chǎn)品的質(zhì)量，因此對(duì)靜態(tài)混合器中液液分散過程進(jìn)行研究具有重要的實(shí)際意義。

實(shí)驗(yàn)手段是學(xué)者們對(duì)靜態(tài)混合器中液液分散過程研究的重要方式。MIDDLEMAN[2]考察了SK型混合器混合單元長徑比、物系等因素對(duì)d32的影響，并關(guān)聯(lián)出了d32的表達(dá)式；龔斌等[3]對(duì)流體在SK型靜態(tài)混合器中作層流流動(dòng)時(shí)的流體阻力計(jì)算進(jìn)行了探討；張春梅等[4]通過實(shí)驗(yàn)研究了SK型靜態(tài)混合器流體湍流阻力，得到了流體阻力理論計(jì)算式。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)值模擬成為流體力學(xué)研究的重要手段[5-7]。王修剛等[8]通過實(shí)驗(yàn)研究了液液分散過程，并對(duì)數(shù)值模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證；WU等[9]采用數(shù)值模擬分析了SK型靜態(tài)混合器在湍流狀況下的液液分散過程。

根據(jù)FSTREIFF等[10]和THAKUR等[11]的觀點(diǎn)，混合包括分布混合和分散混合2種基本類型，液液兩相混合屬于分散混合。目前，對(duì)靜態(tài)混合器中液液分散的研究主要集中在分散混合性能方面。高祖昌等[12]對(duì)SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提出了四旋混合器結(jié)構(gòu)。本文以單旋和四旋SK型靜態(tài)混合器中甲苯-水兩相混合為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬手段，分析了2種結(jié)構(gòu)混合器的液液分散過程。

1數(shù)值模擬

1.1物理模型

本研究對(duì)單旋和四旋2種不同結(jié)構(gòu)的SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行了模擬。單旋結(jié)構(gòu)單元如圖1 a)所示，其直徑為10 mm，高度為10 mm，厚度為0.2 mm；四旋結(jié)構(gòu)單元如圖1 b)所示，其直徑為4 mm，高度為4 mm，厚度為0.2 mm；混合器結(jié)構(gòu)如圖1 c)所示。對(duì)計(jì)算模型利用GAMBIT軟件進(jìn)行幾何建模和網(wǎng)格劃分，全部采用四面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格。為消除網(wǎng)格數(shù)的影響，將幾種不同尺度的網(wǎng)格進(jìn)行對(duì)比，單旋結(jié)構(gòu)生成1 219 947個(gè)網(wǎng)格單元，四旋結(jié)構(gòu)生成1 436 925個(gè)網(wǎng)格單元。

圖1　不同結(jié)構(gòu)的SK型靜態(tài)混合器Fig.1　Different structural type of SK static mixer

1.2流體

以水和甲苯為流動(dòng)介質(zhì)進(jìn)行模擬，認(rèn)為介質(zhì)不可壓縮，其中水作為連續(xù)相，甲苯作為分散相。水和甲苯的物理性質(zhì)如表1所示，考慮到水油系統(tǒng)中轉(zhuǎn)相點(diǎn)的存在[13-16]，模擬中分散相的分率選擇為0.2。

表1　模擬所用流體的物理性質(zhì)

1.3模型及求解方法

采用Euler多相流模型，設(shè)水相為第一相，甲苯相為第二相。

Euler模型連續(xù)性方程為

(1)

式中：αi為第i相體積分?jǐn)?shù)；ρi為第i相密度分?jǐn)?shù)；μi為第i相速度。

Euler模型動(dòng)量方程為

(2)

式中：μi為第i相黏度；F為相間曳力。

湍流模型選擇標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型。在Fluent6.3平臺(tái)上，采用三維單精度分離解算器，壓力和速度耦合項(xiàng)采用SIMPLE算法，體積分?jǐn)?shù)方程采用QUICK格式，其余皆采用二階迎風(fēng)格式。使用速度殘差作為迭代計(jì)算的監(jiān)視器。

1.4邊界條件

進(jìn)口邊界條件：采用速度進(jìn)口，進(jìn)口1的第二相體積分?jǐn)?shù)設(shè)為1，進(jìn)口2的第二相體積分?jǐn)?shù)設(shè)為0，即可表示進(jìn)口1全部為甲苯，進(jìn)口2 全部為水。湍流特征以湍流強(qiáng)度和水力直徑的形式輸入。

出口邊界條件：出口采用壓力出口邊界條件，壓力為0 Pa。

壁面邊界條件：壁面采用無滑移邊界條件，壁面附近采用標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)法處理。

圖2　液液分散過程壓降與總流量的關(guān)系Fig.2　Relation of pressure drop of liquid-liquid 　　　dispersion with total flowrate

2模擬結(jié)果分析

2.1液液分散過程的壓降

圖2表示液液分散過程產(chǎn)生的壓降與總流量之間的關(guān)系。由圖2可知，隨著總流量的增加，單旋和四旋結(jié)構(gòu)液液分散產(chǎn)生的壓降均線性增加，且四旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降大約是單旋結(jié)構(gòu)的3倍。

2.2液液分散的混合效果

圖3為模擬總流量為350 L/h所得濃度場(chǎng)云圖。由圖3可知：在進(jìn)入混合單元之前，水和甲苯兩相僅在界面處有少量混合；隨后，兩相流體在單旋和四旋混合單元的扭轉(zhuǎn)和切割作用下逐漸混合均勻；在X=0.04 m (即2個(gè)單旋單元或5個(gè)四旋單元) 之前，四旋結(jié)構(gòu)中兩相的混合情況明顯優(yōu)于單旋結(jié)構(gòu)，此后2種結(jié)構(gòu)的混合情況相近。

圖3　濃度場(chǎng)云圖Fig.3　Contours of concentration field

本研究進(jìn)一步采用不均勻系數(shù)(COV)定量分析液液分散混合程度：

(3)

式中：

(4)

(5)

根據(jù)不均勻系數(shù)定義，COV越小表示兩相混合越好，COV≤0.05時(shí)認(rèn)為混合已達(dá)均勻。

圖4為2種結(jié)構(gòu)不均勻系數(shù)隨位置的變化圖。由圖4可知，不均勻系數(shù)沿管長明顯降低，最終水和甲苯兩相近乎趨于均勻。在X=0.04m(即2個(gè)單旋單元或5個(gè)四旋單元) 之前，四旋結(jié)構(gòu)中兩相的混合情況優(yōu)于單旋結(jié)構(gòu)，此后其混合情況卻比單旋結(jié)構(gòu)差。

圖4　2種結(jié)構(gòu)的不均勻系數(shù)隨　　　位置的變化關(guān)系Fig.4　Relation of COV with position of two 　　　different structures

對(duì)濃度場(chǎng)及不均勻系數(shù)分析可知，在X=0.04 m (即2個(gè)單旋單元或5個(gè)四旋單元) 之前，四旋結(jié)構(gòu)中兩相的混合情況優(yōu)于單旋結(jié)構(gòu)，這可能是由于四旋的復(fù)雜扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)有助于水和甲苯兩相間的混合。此后四旋結(jié)構(gòu)兩相的混合情況比單旋結(jié)構(gòu)差，這可能是由于四旋的復(fù)雜結(jié)構(gòu)減少了流體相互混合的空間。從濃度場(chǎng)云圖可以看出，單旋結(jié)構(gòu)中濃度的不均勻位置主要集中在混合器中心區(qū)域，而四旋結(jié)構(gòu)中濃度不均勻位置則隨著結(jié)構(gòu)單元的扭轉(zhuǎn)不斷變化。由此可知，四旋的復(fù)雜扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)在兩相剛混合時(shí)有助于兩相流體的混合，而后卻阻礙了兩相流體的混合。

2.3湍流強(qiáng)度

圖5　2種結(jié)構(gòu)的湍流強(qiáng)度隨位置的變化關(guān)系Fig.5　Relation of turbulent intensity with 　　　position of two different structures

圖5示出了模擬總流量為350 L/h所得兩相的湍流強(qiáng)度隨位置的變化關(guān)系。由圖5可知，兩相流體剛混合時(shí)，由于四旋結(jié)構(gòu)具有復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，所以其兩相的湍流強(qiáng)度高于單旋結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了兩相的混合；而后單旋結(jié)構(gòu)的湍流強(qiáng)度逐漸降低，保持在10%左右，而四旋結(jié)構(gòu)的湍流強(qiáng)度卻保持在20%左右，遠(yuǎn)大于單旋結(jié)構(gòu)。

SK型靜態(tài)混合器主要依靠湍流脈動(dòng)擴(kuò)散和漩渦發(fā)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)共同作用強(qiáng)化液液混合。單旋結(jié)構(gòu)在X<0.04 m時(shí)湍流強(qiáng)度小，混合效率比較差；X>0.04 m時(shí)，漩渦直徑仍然與漩渦發(fā)生器尺度相當(dāng)(見圖3 b))，所以在X>0.04 m時(shí)仍可以對(duì)漩渦產(chǎn)生攪拌，增強(qiáng)混合。而四旋結(jié)構(gòu)在X<0.04 m時(shí)湍流強(qiáng)度大，混合效果比較好；在X>0.04 m時(shí)，漩渦直徑已經(jīng)比較小了(見圖3 a))，漩渦發(fā)生器產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)對(duì)漩渦的作用效果較差。因此，盡管四旋結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的湍流強(qiáng)度高于單旋結(jié)構(gòu)，但四旋結(jié)構(gòu)的混合效果卻不如單旋結(jié)構(gòu)。

3結(jié)語

液液分散過程中四旋結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的壓降大約是單旋結(jié)構(gòu)的3倍，其混合效果在X<0.04 m時(shí)優(yōu)于單旋結(jié)構(gòu)，此后其混合情況卻比單旋結(jié)構(gòu)差。在X<0.04 m時(shí)采用四旋單元，而后采用單旋單元，可以取得理想的混合效果。

本文對(duì)典型的液液兩相體系水-甲苯系統(tǒng)進(jìn)行了研究，所用方法及所得結(jié)論可為靜態(tài)混合器的研究提供借鑒。

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Numerical simulation of liquid-liquid dispersion in SK static mixer

JIN Zuohong

(Hebei Meibang Engineering Technology Company Limited， Shijiazhuang, Hebei 050035， China)

Abstract:In order to study the liquid-liquid dispersion of the static mixer, with Euler multiphase model and standard k-ε turbulent model, CFD method is used to simulate the flow field of the SK static mixer with single-turn and four-turn structure. The numerical simulation result shows that the pressure drop of four-turn structure is about triple of the pressure drop of single-turn structure in liquid-liquid dispersion. For X<0.04 m, turbulent intensity of four-turn structure is bigger than that of single-turn structure, and its mixing effect is better. For X>0.04 m, rotation effect of single-turn structure strengthens vortex, and its mixing condition is better than that of four-turn structure. Thus, four-turn structure is suggested to be applied at X<0.04 m, whereas single-turn structure at X>0.04 m.

Keywords:chemical engineering fluid mechanics； static mixer； numerical simulation； pressure drop； COV

文章編號(hào)：1008-1534(2016)03-0214-04

收稿日期：2016-01-15;修回日期：2016-03-23；責(zé)任編輯：張士瑩

基金項(xiàng)目：科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金無償資助項(xiàng)目(12C26211300743)

作者簡(jiǎn)介：金作宏(1971—)，男(滿族)，遼寧營口人，高級(jí)工程師，碩士研究生，主要從事精細(xì)化工方面的研究。E-mail:jinzuohong@163.com

中圖分類號(hào)：TQ028.8

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03006

金作宏.SK型靜態(tài)混合器的液液分散數(shù)值模擬[J].河北工業(yè)科技,2016,33(3):214-217.

JIN Zuohong.Numerical simulation of liquid-liquid dispersion in SK static mixer[J].Hebei Journal of Industrial Science and Technology,2016,33(3):214-217.