SK型靜態混合器的液液分散數值模擬

金作宏

(河北美邦工程科技股份有限公司，河北石家莊　050035)

?

SK型靜態混合器的液液分散數值模擬

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：為了對靜態混合器中的液液分散過程進行深入研究，選用Euler多相流模型和k-ε湍流模型，采用計算流體力學(CFD)的方法，分別計算了單旋和四旋結構的SK型靜態混合器的流場。數值模擬結果表明，液液分散過程中四旋結構產生的壓降大約是單旋結構的3倍。X<0.04 m時，四旋結構湍流強度大，混合效果優于單旋結構；X>0.04 m時，單旋結構的旋轉強化了對漩渦的作用，混合效果更好。研究發現，在X<0.04 m時采用四旋單元，而后采用單旋單元可以取得優秀的混合效果。

關鍵詞：化工流體力學；靜態混合器；數值模擬；壓力降；不均勻系數

靜態混合器是一種高效節能的化工單元設備，是將靜態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能，實現流體的不斷分割、變形、位移和匯合，以達到良好分散和充分混合的目的[1]。靜態混合器具有設備簡單、無運動部件、占地面積小、維護費用低、停留時間均勻、壓降低、能耗低等特點，在工業生產中應用廣泛。液液兩相混合是靜態混合器應用的一個重要方面，可用于液液兩相反應、萃取、乳化等化工過程。液液分散是兩相混合的實質，其效果將直接影響后續產品的質量，因此對靜態混合器中液液分散過程進行研究具有重要的實際意義。

實驗手段是學者們對靜態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d32的影響，并關聯出了d32的表達式；龔斌等[3]對流體在SK型靜態混合器中作層流流動時的流體阻力計算進行了探討；張春梅等[4]通過實驗研究了SK型靜態混合器流體湍流阻力，得到了流體阻力理論計算式。隨著計算機技術的快速發展，數值模擬成為流體力學研究的重要手段[5-7]。王修剛等[8]通過實驗研究了液液分散過程，并對數值模擬結果進行了驗證；WU等[9]采用數值模擬分析了SK型靜態混合器在湍流狀況下的液液分散過程。

根據FSTREIFF等[10]和THAKUR等[11]的觀點，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，對靜態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SK型靜態混合器進行了結構優化，提出了四旋混合器結構。本文以單旋和四旋SK型靜態混合器中甲苯-水兩相混合為研究對象，采用數值模擬手段，分析了2種結構混合器的液液分散過程。

1數值模擬

1.1物理模型

本研究對單旋和四旋2種不同結構的SK型靜態混合器進行了模擬。單旋結構單元如圖1 a)所示，其直徑為10 mm，高度為10 mm，厚度為0.2 mm；四旋結構單元如圖1 b)所示，其直徑為4 mm，高度為4 mm，厚度為0.2 mm；混合器結構如圖1 c)所示。對計算模型利用GAMBIT軟件進行幾何建模和網格劃分，全部采用四面體結構化網格。為消除網格數的影響，將幾種不同尺度的網格進行對比，單旋結構生成1 219 947個網格單元，四旋結構生成1 436 925個網格單元。

圖1　不同結構的SK型靜態混合器Fig.1　Different structural type of SK static mixer

1.2流體

以水和甲苯為流動介質進行模擬，認為介質不可壓縮，其中水作為連續相，甲苯作為分散相。水和甲苯的物理性質如表1所示，考慮到水油系統中轉相點的存在[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

1.3模型及求解方法

采用Euler多相流模型，設水相為第一相，甲苯相為第二相。

Euler模型連續性方程為

(1)

式中：αi為第i相體積分數；ρi為第i相密度分數；μi為第i相速度。

Euler模型動量方程為

(2)

式中：μi為第i相黏度；F為相間曳力。

湍流模型選擇標準k-ε模型。在Fluent6.3平臺上，采用三維單精度分離解算器，壓力和速度耦合項采用SIMPLE算法，體積分數方程采用QUICK格式，其余皆采用二階迎風格式。使用速度殘差作為迭代計算的監視器。

1.4邊界條件

進口邊界條件：采用速度進口，進口1的第二相體積分數設為1，進口2的第二相體積分數設為0，即可表示進口1全部為甲苯，進口2 全部為水。湍流特征以湍流強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，壁面附近采用標準壁面函數法處理。

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

2模擬結果分析

2.1液液分散過程的壓降

圖2表示液液分散過程產生的壓降與總流量之間的關系。由圖2可知，隨著總流量的增加，單旋和四旋結構液液分散產生的壓降均線性增加，且四旋結構產生的壓降大約是單旋結構的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所得濃度場云圖。由圖3可知：在進入混合單元之前，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和切割作用下逐漸混合均勻；在X=0.04 m (即2個單旋單元或5個四旋單元) 之前，四旋結構中兩相的混合情況明顯優于單旋結構，此后2種結構的混合情況相近。

圖3　濃度場云圖Fig.3　Contours of concentration field

本研究進一步采用不均勻系數(COV)定量分析液液分散混合程度：

(3)

式中：

(4)

(5)

根據不均勻系數定義，COV越小表示兩相混合越好，COV≤0.05時認為混合已達均勻。

圖4為2種結構不均勻系數隨位置的變化圖。由圖4可知，不均勻系數沿管長明顯降低，最終水和甲苯兩相近乎趨于均勻。在X=0.04m(即2個單旋單元或5個四旋單元) 之前，四旋結構中兩相的混合情況優于單旋結構，此后其混合情況卻比單旋結構差。

圖4　2種結構的不均勻系數隨　　　位置的變化關系Fig.4　Relation of COV with position of two 　　　different structures

對濃度場及不均勻系數分析可知，在X=0.04 m (即2個單旋單元或5個四旋單元) 之前，四旋結構中兩相的混合情況優于單旋結構，這可能是由于四旋的復雜扭轉結構有助于水和甲苯兩相間的混合。此后四旋結構兩相的混合情況比單旋結構差，這可能是由于四旋的復雜結構減少了流體相互混合的空間。從濃度場云圖可以看出，單旋結構中濃度的不均勻位置主要集中在混合器中心區域，而四旋結構中濃度不均勻位置則隨著結構單元的扭轉不斷變化。由此可知，四旋的復雜扭轉結構在兩相剛混合時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湍流強度

圖5　2種結構的湍流強度隨位置的變化關系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所得兩相的湍流強度隨位置的變化關系。由圖5可知，兩相流體剛混合時，由于四旋結構具有復雜的扭轉結構，所以其兩相的湍流強度高于單旋結構，促進了兩相的混合；而后單旋結構的湍流強度逐漸降低，保持在10%左右，而四旋結構的湍流強度卻保持在20%左右，遠大于單旋結構。

SK型靜態混合器主要依靠湍流脈動擴散和漩渦發生器產生的旋轉共同作用強化液液混合。單旋結構在X<0.04 m時湍流強度小，混合效率比較差；X>0.04 m時，漩渦直徑仍然與漩渦發生器尺度相當(見圖3 b))，所以在X>0.04 m時仍可以對漩渦產生攪拌，增強混合。而四旋結構在X<0.04 m時湍流強度大，混合效果比較好；在X>0.04 m時，漩渦直徑已經比較小了(見圖3 a))，漩渦發生器產生的旋轉對漩渦的作用效果較差。因此，盡管四旋結構流場的湍流強度高于單旋結構，但四旋結構的混合效果卻不如單旋結構。

3結語

液液分散過程中四旋結構產生的壓降大約是單旋結構的3倍，其混合效果在X<0.04 m時優于單旋結構，此后其混合情況卻比單旋結構差。在X<0.04 m時采用四旋單元，而后采用單旋單元，可以取得理想的混合效果。

本文對典型的液液兩相體系水-甲苯系統進行了研究，所用方法及所得結論可為靜態混合器的研究提供借鑒。

參考文獻/References:

[1]陳敏恒, 叢德滋, 方圖南, 等. 化工原理[M]. 北京: 化學工業出版社, 2007.

[2]MIDDLEMAN S. Drop size distributions produced by turbulent pipe flow of immiscible fluids through a static mixer[J]. Ind Eng Chem Process Des Develop，1974，13(1): 78-83.

[3]龔斌, 吳劍華. 流體在SK型靜態混合器中作層流流動時流體阻力計算的探討[J]. 沈陽化工學院學報, 2004, 18(4): 280-283.

GONG Bin, WU Jianhua. Study of calculating flow resistance of flowing through SK-static mixer in laminar flow[J]. J Shenyang Inst Chem Tech，2004, 18(4): 280-283.

[4]張春梅, 吳劍華, 龔斌. SK型靜態混合器流體湍流阻力的研究[J]. 化學工程, 2006, 34(10): 27-30.

ZHANG Chunmei, WU Jianhua, GONG Bin. Flow resistance for SK static mixer tube of turbulent flow[J]. Chem Eng (China), 2006, 34(10): 27-30.

[5]PIANKO-OPRYCH P，JAWORSKI Z. Prediction of liquid-liquid flow in an SMX static mixer using large eddy simulations[J]. Chem Pap，2010, 64(2): 203-212.

[6]JAWORSKI Z，MURASIEWICA H. LES and URANS modeling of turbulent liquid-liquid flow in a static mixer: Turbulent kinetic energy and turbulence dissipation rate[J]. Chem Pap，2010, 64(2): 182-192.

[7]MAAB S，METZ F，REHM T，et al. Prediction of drop sizes for liquid-liquid systems in stirred slim reactors (Ⅰ): Single Stage Impellers[J]. Chem Eng J，2010, 162(2): 792-801.

[8]王修剛, 郭瓦力, 吳劍華. 靜態混合器中液液分散的實驗及CFD模擬[J]. 化工學報, 2012, 63(3): 767-774.

WANG Xiugang，GUO Wali，WU Jianhua. Experimental and numerical study on liquid-liquid dispersion in static mixer[J]. CIESC Journal，2012，63(3): 767-774.

[9]WU Jianhua, GUO Chengcheng, GONG Bin, et al. Numerical study of the mixing characterization in the kenics static mixer[C]//2009 Joint International Conference on Modeling and Simualtion.[S.l.]:Manchester, 2009：132-137.

[10]FSTREIFF A, MATHYS P, FISCHER T U. New fundamentals for liquid-liquid dispersion using static mixers[J]. Recents Prog Genie Procedes, 1997, 11(51): 307-314.

[11]THAKUR R K, VIAL C, NIGAM K D P, et al. Static mixers in the process industries:A review[J]. Chem Eng Res Des, 2003, 81(7): 787-826.

[12]高祖昌, 楊春花, 薛建輝, 等. 四旋混合器[P]. 中國: CN202516491U,2012-11-07.

[13]LOBRY E, THERON F, GOURDON C, et al. Turbulent liquid-liquid dispersion in SMV static mixer at high dispersed phase concentration[J]. Chem Eng Sci, 2011, 66(23): 5762-5772.

[14]翟建華.計算流體力學(CFD)的通用軟件[J].河北科技大學學報,2005,26(2):160-165.ZHAI Jianhua. Review of commercial CFD software[J]. Journal of Hebei University of Science and Technology, 2005,26(2):160-165.

[15]DE B, MANDAL T K, DAS G. Experimental studies on phase inversion in a small diameter horizontal pipe[J]. Chem Eng Res Des, 2010, 88(7): 819-826.

[16]LEMENAND T, DELLAVALLE D, ZELLOUF Y, et al. Droplets formation in turbulent mixing of two immiscible fluids in a new type of static mixer[J]. Int J Multiphas Flow, 2003, 29(5): 813-840.

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：1008-1534(2016)03-0214-04

收稿日期：2016-01-15;修回日期：2016-03-23；責任編輯：張士瑩

基金項目：科技型中小企業技術創新基金無償資助項目(12C26211300743)

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

中圖分類號：TQ028.8

文獻標志碼：A

doi:10.7535/hbgykj.2016yx03006

金作宏.SK型靜態混合器的液液分散數值模擬[J].河北工業科技,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.