HG-T20570.20-1995静态混合器的设置.pdf.pdf.pdf

静态混合器的设置

HG/T 20570.20—95

编制单位：化工部工艺系统设计技术中心站

批准部门：化 学 工 业 部

实施日期：一九九六年九月一日

编制人：

化工部工艺系统设计技术中心站陆振民(特邀）徐 斌(特邀) 龚人伟

审核人：

中国寰球化学工程公司 汪清裕

化工部工艺系统设计技术中心站 封淑元

应用范围和类型

1.0.1 应用范围

静态混合器应用于液-液、液-气、液-固、气-气的混合、乳化、中和、吸收、萃取、反应和强化传热等工艺过程，可以在很宽的流体粘度范围(约 $1 0 ^ { 6 } \mathrm { m P a } \cdot \mathbf { s } )$ 以内，在不同的流型(层流、过渡流、湍流、完全湍流)状态下应用，既可间歇操作，也可连续操作，且容易直接放大。以下分类简述。

1.0.1.1 液-液混合：从层流至湍流或粘度比大到 $1 : 1 0 ^ { \mathfrak { s } } \mathrm { m P a } \ \cdot \ s$ 的流体都能达到良好混合，分散液滴最小直径可达到 $1 { \sim } 2 \mu \mathrm { m }$ ，且大小分布均匀。

1.0.1.2 液-气混合：液-气两相组份可以造成相界面的连续更新和充分接触，从而可以代替鼓泡塔或部分筛板塔。

1.0.1.3 液-固混合：少量固体颗粒或粉末(固体占液体体积的5%左右)与液体在湍流条件下，强制固体颗粒或粉末充分分散，达到液体的萃取或脱色作用。

1.0.1.4气-气混合：冷、热气体掺混，不同组份气体的混合。

1.0.1.5 强化传热：静态混合器的给热系数与空管相比，对于给热系数很小的热气体冷却或冷气体加热，气体的给热系数提高8倍；对于粘性流体加热提高5倍；对于大量不凝性气体存在下的冷凝提高到8.5倍；对于高分子熔融体可以减少管截面上熔融体的温度和粘度梯度。

1.0.2 静态混合器类型和结构

1.0.2.1 本规定以 SV型、SX型、SL型、SH型和 SK型(注①)五种类型的静态混合器系列产品为例编制。

1.0.2.2 由于混合单元内件结构各有不同，应用场合和效果亦各有差异，选用时应根据不同应用场合和技术要求进行选择。

1.0.2.3 五种类型静态混合器产品用途和性能比较见表1.0.2-1和表1.0.2—2，结构示意图见图1.0.2。静态混合器由外壳、混合单元内件和连接法兰三部分组成。

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(五类静态混合器产品用途表 表1.0.2-1)

	型号	$\vec { p }$ 品用途
	$S V$	适用于粘度 ${ \leqslant } 1 0 ^ { 2 } \mathbf { m } \mathbf { P } \mathbf { a } \ { \cdot } \ \mathbf { s }$ 的液-液、液-气、气-气的混合、乳化、反应、吸收、萃取、强化传热过程 $d _ { \mathrm { { h } } }$ (注®) $\leqslant 3 . 5$ ，适用于清洁介质 $d _ { \mathrm { h } } { \geqslant } 5$ ，应用介质可伴有少量非粘结性杂质
	SX	适用于粘度 $\leqslant 1 0 ^ { 4 } \mathbf { m } \mathbf { P a } \cdot \mathbf { s }$ 的中高粘液-液混合，反应吸收过程或生产高聚物流体的混合，反应过程，处理量较大时使用效果更佳
	SL	适用于化工、石油、油脂等行业，粘度 $\leqslant 1 0 ^ { 6 } \mathrm { { m P a } \cdot { s } }$ 或伴有高聚物流体的混合，同时进行传热、混合和传热反应的热交换器，加热或冷却粘性产品等单元操作
	SH	适用于精细化工、塑料、合成纤维、矿冶等部门的混合、乳化、配色、注塑纺丝、传热等过程。对流量小、混合要求高的中、高粘度 $( \leqslant 1 0 ^ { 4 } \mathrm { { m P a } \cdot \ s ) }$ 的清洁介质尤为适合
SK		适用于化工、石油、炼油、精细化工、塑料挤出、环保、矿冶等部门的中、高粘度 $( \leqslant$ $1 0 ^ { 6 } \mathrm { { m P a } \cdot \varepsilon ) }$ 流体或液-固混合、反应、萃取、吸收、塑料配色、挤出、传热等过程。对小流量并伴有杂质的粘性介质尤为适用

(五类静态混合器产品性能比较表 表1.0.2-2)

内容	SV型	SX型	SL型	SH型	SK型	空管
分散、混合效果(注③)(强化倍数)	8.7~15.2	6.0~14.3	2.1~6.9	4.7~11.9	2.6~7.5	1
适用介质情况(粘度 $\mathbf { m } \mathbf { P a } \cdot \mathbf { s } )$	清洁流体可 ${ \leqslant } 1 0 ^ { 2 }$	伴杂质的流体可 ${ \leqslant } 1 0 ^ { 4 }$	伴杂质的流体 ${ \leqslant } 1 0 ^ { 6 }$	清洁流体可 $\leqslant 1 0 ^ { 4 }$	伴杂质的流体 ${ \leqslant } 1 0 ^ { \leqslant }$
压力降比较(ΔP 倍数)	$\frac { \Delta P _ { \mathrm { s k } } } { \Delta P _ { \Xi \notin } } { = } 7 { \sim } 8$ 倍
层流状态压力降(∆P 倍数)	18.6~23.5 $( \ Y ^ { \pm } )$	11.6	1.85	8.14	1
完全湍流压力降 $( \Delta P$ 倍数）	2.43~4.47	11.1	2.07	8.66	1

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2 主要技术参数的确定

2.0.1 流型选择

根据流体物性、混合要求来确定流体流型。流型受表观的空管内径流速控制。

2.0.1.1 对于中、高粘度流体的混合、传热、慢化学反应，适宜于层流条件操作，流体流速控制在0.1~0.3m/s。

2.0.1.2 对于低、中粘度流体的混合、萃取、中和、传热、中速反应，适宜于过渡流或湍流条件下工作，流体流速控制在0.3~0.8m/s。

2.0.1.3 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，适宜于湍流条件下工作，流体流速控制在 $0 . 8 { \sim } 1 . 2 \mathrm { m } / \mathrm { s }$ 0

2.0.1.4 对于气-气、液-气的混合、萃取、吸收、强化传热过程，控制气体流速在1.2~14m/s的完全湍流条件下工作。

2.0.1.5 对于液-固混合、萃取，适宜于湍流条件下工作，设计选型时，原则上取液体流速大于固体最大颗粒在液体中的沉降速度。固体颗粒在液体中的沉降速度用斯托克斯(Stokes)定律来计算：

$$ V _ { \mathrm { \overline { { { s u z } } } } } = d ^ { 2 } g ( \frac { \rho _ { \mathrm { \overline { { { m } } } \mathrm { { i } } \mathrm { { i } } \mathrm { { i } } \mathrm { { z } } } } } { \rho _ { \mathrm { \overline { { { m } } } \mathrm { { i } } \mathrm { { i } } \mathrm { { i } } \mathrm { { i } } } } } { - 1 } ) / 1 8 \sqrt { \mu }\tag{2.0.1} $$

式中

$V _ { \overline { { \mathbf { m } } } \mathbf { \otimes } }$ ——沉降速度，m/s；

$d -$ ——颗粒最大直径，m；

$P _ { \sqrt { 1 } } ( x ) = P _ { \sqrt { 2 } } ( x )$ 操作工况条件下，颗粒、液体的密度， $\log / \mathbf { m } ^ { 3 }$

μ——操作工况条件下的液体动力粘度， $\mathbf { m } \mathbf { P } \mathbf { a } \cdot \mathbf { s }$

${ \pmb g } ^ { * }$ ——重力加速度，9.81m/s²。

2.0.2 静态混合器混合效果与长度的关系

静态混合器长度的确定：一是由工艺本身的要求，二是通过基础实验和实际应用经验来确定注①。

2.0.2.1 湍流条件下，混合效果与混合器长度无关，也就是在给定混合器长度后再增加长度，其混合效果不会有明显的变化。推荐长度与管径之比 $L / D { = } 7 { \sim } 1 0 ( S K$ 型混合长度相当于 $L / D { = } 1 0 { \sim } 1 5 )$

2.0.2.2 过渡流条件下，推荐长度与管径之比 $L / D { = } 1 0 { \sim } 1 5$ a

2.0.2.3 层流条件下，混合效果与混合器长度有关，一般推荐长度为 $L / D { = } 1 0 ^ { \sim }$
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30。

2.0.2.4 对于既要混合均匀，又要尽快分层的萃取过程，在控制流型情况下，混合器长度取 $L / D { = } 7 { \sim } 1 0$

2.0.2.5 流体的连续相与分散相的体积百分比和粘度比关系，如果相差悬殊，混合效果与混合器长度有关，一般取上述推荐长度的上限(大值)。

2.0.2.6 对于乳化、传质、传热的过程，混合器长度应根据工艺要求另行确定。

注：①以上所列混合效果与混合器长度的关系是指液-液、液-气、液-固混合过程的数据，对于气-气混合过程，其混合比较容易，在完全湍流情况下 $L / D { = } 2 { \sim } 5$ 即可。

2.0.3 静态混合器的压力降计算公式

对于系统压力较高的工艺过程，静态混合器产生的压力降相对比较小，对工艺压力不会产生大的影响。但对系统压力较低的工艺过程，设置静态混合器后要进行压力降计算，以适应工艺要求。

2.0.3.1 SV型、SX型、SL型压力降计算公式：

$$ \Delta P = f \frac { \rho _ { \mathrm { c } } } { 2 \varepsilon ^ { 2 } } u ^ { 2 } \frac { \tilde { L } } { d _ { \mathrm { h } } }\tag{2.0.3-1} $$

$$ R e _ { \mathrm { t } } { = } \frac { d _ { \mathrm { b } } \rho _ { \mathrm { c } } u } { \mu \varepsilon }\tag{2.0.3-2} $$

水力直径(db)定义为混合单元空隙体积的4倍与润湿表面积(混合单元和管壁 $( d _ { \mathsf { h } } )$ 面积)之比：

$$ d _ { \mathrm { h } } { = } 4 ( \frac { \pi } { 4 } D ^ { 2 } L { - } { \cal { \Delta } } A \delta ) / ( 2 { \Delta } A { + } { \pi } D L )\tag{2.0.3-3} $$

式中

$\Delta P \cdot$ —单位长度静态混合器压力降， $\mathbf { \nabla } \mathbf { P a }$

f———摩擦系数；

$\rho _ { c }$ 工作条件下连续相流体密度， $\mathbf { k g } / \mathbf { m } ^ { 3 }$

$\pmb { u }$ —混合流体流速(以空管内径计)， $\ m / \mathsf { s }$

ε——静态混合器空隙率， $\varepsilon { = } 1 { - } A \delta$

$d _ { h }$ ——水力直径，m；

$R e _ { \xi }$ ——雷诺数；

$\mu$ 工作条件下连续相粘度， $\mathbf { P a } \bullet \mathbf { s }$

$L$ ——静态混合器长度，m；

$\pmb { \Delta A }$ ——混合单元总单面面积， $\mathbf { m } ^ { 2 }$

A $s v$ 型，每 $\mathbf { m ^ { 3 } }$ 体积中的混合单元单面面积， $\mathbf { m ^ { 2 } } / \mathbf { m ^ { 3 } }$ 0

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$d _ { \mathrm { h } } \quad \ m \mathrm { m }$	2.3	3.5	5	7	15	20
$\textbf { \textit { A } } \textbf { \textit { m } } ^ { 2 } / \mathbf { \epsilon } \mathbf { \hat { m } } ^ { 3 }$	700	475	350	260	125	90

δ——混合单元材料厚度，m，一般 $\delta { = } 0 . 0 0 0 2 \mathbf { m }$

D——管内径，m。

摩擦系数(f)与雷诺数 $( R e _ { \varepsilon } )$ 的关系式见表2.0.3—1和图2.0.3所示。

2.0.3.2 SH 型、SK型压力降计算公式

$$ \begin{array} { l } { \Delta P { = } f { \frac { \rho _ { \mathrm { c } } } { 2 } } { \varkappa } ^ { 2 } \cdot L / D } \ { R e _ { \mathrm { D } } { = } D \rho _ { \mathrm { c } } u / \mu } \end{array}\tag{2.0.3-4} $$

(2.0.3-5)

摩擦系数(f)与雷诺数 $( R e _ { \mathrm { D } } )$ 的关系式见表2.0.3-2和图2.0.3所示。关系式 4的压力降计算值允许偏差±30%，适用于液-液、液-气、液-固混合。

(SV型、SX型、SL型静态混合器f与 $\pmb { R e } _ { \theta }$ 关系式 表2.0.3-1)

	混合器类型
			$S V { - } 2 . 3 / D$	$S V { - } 3 . 5 / D$	$S V { - } 5 { \sim } 1 5 / D$	SX型	SL型
	层流区	范围关系式	$R e _ { \varepsilon } { \leqslant } 2 3$ $f { = } 1 3 9 / R e _ { \mathrm { e } }$	$R e _ { \varepsilon } { \leqslant } 2 3$ $f { = } 1 3 9 / R e _ { \mathrm { e } }$	$R e _ { \mathrm { e } } { \leqslant } 1 5 0$ $f { = } 1 5 0 / R e _ { \varepsilon }$	$R e _ { \varepsilon } { \leqslant } 1 3$ $f { = } 2 3 5 / R e _ { \mathrm { e } }$	$R e \leqslant 1 0$ $f { = } 1 5 6 / R e _ { \varepsilon }$
	过渡流区	范围关系式	$2 3 { < } R e _ { \mathrm { t } } { \leqslant } 1 5 0$ $f { = } 2 3 . 1 R e _ { \varepsilon } { ^ { - 0 . 4 2 8 } }$	$2 3 { < } R e _ { \mathrm { t } } { \leqslant } 1 5 0$ $\scriptstyle { \left| f = 4 3 , 7 R e _ { \mathrm { t } } - 0 , 6 3 1 \right. }$		$1 3 { < } R e _ { \epsilon } { \leqslant } 7 0$ $y = 7 4 . 7 R e _ { \mathrm { \varepsilon } } ^ { - 0 . 4 7 6 }$	$1 0 { < } R e _ { \mathrm { { t } } } { \leqslant } 1 0 0$ $f { = } 5 7 , 7 R e _ { \ast } { = } 0 . 5 6 8$
湍流区		范围关系式	$1 5 0 { < } R e _ { t } { \leqslant } 2 4 0 0$ ${ \ddot { f } } { = } 1 4 . 1 R e _ { e } { \cdot } ^ { - 0 . 3 2 9 }$	$1 5 0 < R e _ { e } \leqslant 2 4 0 0$ 1 $f { = } 1 0 . 3 R e _ { \mathrm { e } } { = } 0 . 3 5 1$	$R e _ { e } { > } 1 5 0$ $f { \approx } 1 . 0$	$7 0 { < } R e _ { \mathrm { z } } { \leqslant } 2 0 0 0$ $\left| f { = } 2 2 , 3 R e _ { \mathrm { c } } { = } 0 . \ 1 9 4 \right|$	$1 0 0 { < } R e _ { \mathrm { { s } } } { \leqslant } 3 0 0 0$ $f { = } 1 0 , 8 R e _ { \mathrm { s } } { = } 0 . 2 0 5$
完全湍流区		范围关系式	$R e _ { 2 } > 2 4 0 0$ $f { \approx } 1 . 0 9$	$R e _ { \imath } { > } 2 4 0 0$ $f { \approx } 0 . 7 0 2$		$R e _ { \mathrm { t } } { > } 2 0 0 0$ $f { \approx } 5 . 1 1$	$R e _ { \mathrm { e } } { > } 3 0 0 0$ $f { \approx } 2 . 1 0$

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(SH型、SK型静态混合器f与 $\pmb { R e _ { \mathrm { D } } }$ 关系式表2.0.3-2)

混合器类型		SH型	SK型
层流区	范围	$R e _ { D } = 3 0$	$R e _ { \mathrm { D } } { \leqslant } 2 3$
	关系式	$f { = } 3 5 0 0 / R e _ { \mathrm { { D } } }$	$f { = } 4 3 0 / R e _ { \mathrm { D } }$
过渡流区	范围	$3 0 { < } R e _ { \mathrm { D } } { \leqslant } 3 2 0$	$2 3 { < } R e _ { \mathrm { D } } { \leqslant } 3 0 0$
	关系式	$f { = } 6 4 6 ~ \mathcal { R } e _ { \mathrm { D } } ^ { - 0 . 5 0 3 }$	$f { = } 8 7 . 2 { R e } _ { \mathrm { { D } } } ^ { - 0 . 4 9 1 }$
湍流区	范围	$R e _ { \mathrm { D } } { > } 3 2 0$	$3 0 0 { < } R e _ { \mathrm { D } } { \leqslant } 1 1 0 0 0$
	关系式	$f { = } 8 0 . 1 R e _ { \mathrm { D } } { } ^ { - 0 . 1 4 \bar { \bf z } }$	$f { = } 1 7 . 0 { R e _ { \mathrm { D } } } ^ { - 0 . 2 0 5 }$
完全湍流区	范围		$R e _ { \mathrm { D } } { > } 1 1 0 0 0$
	关系式		$f \approx 2 . 5 3$

2.0.3.3 气-气混合压力降计算公式

气-气混合一般均采用SV型静态混合器，其压力降与静态混合器长度和流速成正比，与混合单元水力直径成反比。对不同规格SV型静态混合器测试，关联成以下经验计算公式：

$$ \Delta \ddot { P } { = } 0 . 0 5 0 2 ( u \sqrt { \rho _ { \mathrm { c } } } ) ^ { 1 . 5 3 3 9 } \frac { L } { d _ { \mathrm { h } } }\tag{2.0.3—6} $$

式中

$\Delta P ^ { . }$ —单位长度静态混合器压力降，Pa；

$\pmb { u } ^ { - }$ 混合气工作条件下流速， $m / { \mathfrak { s } } _ { \mathfrak { i } }$

$p _ { c }$ —工作条件下混合气密度， $| \mathbf { k g } / \mathbf { m } ^ { 3 }$

$L$ ——静态混合器长度，m；

$d _ { \mathrm { h } }$ ——水力直径，mm。

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