液体喷射混合技术研究

张晓欢

摘 要：针对传统机械搅拌设备中存在的不足，该文提出了一种新型的液体喷射混合技术，即采用液体循环流代替工业机械搅拌。以水和沙子为例，对液体喷射混合进行了初步研究。研究发现，当液体喷口角度向下时，液体搅拌具有良好的混合效果，其混合时间不超过4s；同时，通过固-液悬浮实验可知，液体搅拌具有很好的固液悬浮效果，尤其当喷口角度在120°～135°内时，具备较佳混合效果；以上实验证明了液体搅拌技术具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替传统的机械搅拌技术，具有很好的工业应用前景。

关键词：液体喷射 机械搅拌 混合时间 悬浮高度

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）04（c）-0101-02

混合操作广泛应用于化工、石油、食品、水处理、冶金等行业，是应用最广泛的化工单元操作之一，尤其以化学工业中应用最为广泛[1-3]。

目前为止，化工工业中的混合设备中主要以机械搅拌为主。一般说来，机械搅拌可以通过合理的选择搅拌叶轮以达到不同的工艺混合要求，所以，其涵盖的工业范围很广，尤其是液-液、气-液和固-液等液体混合工艺，几乎都涉及机械搅拌设备[5-6]。

但是，机械搅拌设备结构比较复杂。而且，机械搅拌主体结构在运输以及装置运行过程中易损坏，需要经常停车检修以替换零件，难以实现装置持续、稳定、安全地运行。因此开发一种合理利用回流液体的喷动混合技术具有很好的应用前景。

1 实验装置及材料

实验研究对象中水的密度为1 000 kg/m，沙子的物性如表1所示。

装置示意图如图1所示，底部为平面，液位高度500mm，喷口直径为14mm，喷口的离底高度为50mm。液体喷入总体流量为8m3/h，每个喷口的速度为4.2m/s。

2 混合时间测量原理和模拟方法

2.1 混合时间测量原理-pH法

混合时间的检测通常是局部注入具有相同流动性质但不同检测性质的物质，如温度、颜色、电导率、pH等，然后利用测量装置检测这些介质均匀遍及整个体系所需的时间[4]。结合该实验条件，该文采用pH法测定混合时间。

pH法的测量方法如下：先在在容器内部插入pH传感器，待内部流场稳定后在液面加入示踪剂NaOH溶液，利用pH传感器记录pH值随时间的变化规律，待pH值趋于稳定时的时间即为混合时间。

2.2 CFD模拟

该文利用FLUENT 12.0 商用软件，结合标准k-ε双方程湍流模型，对反应器内的固-液混合效果进行数值模拟。反应器内流体为固-液两相操作，物性参数具体见表1。计算模型以设备整个流体域为计算域进行网格划分。流体入口采用速度进口边界条件，入口湍流取值按水力直径大小及湍流强度I（I取5%）；出口采用自由出口边界；固壁采用无滑移固壁条件并采用标准壁面函数处理。采用有限体积法对控制方程进行离散，分离式求解器求解，压力和速度的耦合采用SIMPLE 算法，利用欧拉-欧拉模型计算多相流模型，对流项的离散使用一阶迎风差分格式。模拟计算中，收敛残差设定为10-4，计算直至收敛。

3 结果与讨论

3.1 混合时间测量

在该混合时间测量实验中，以单相液态水为例，液位高度为300mm，喷口离底高度为100mm，考察的喷口角度的范围为30°～150°，共9个角度，其角度分布如图2所示，利用pH法测量混合时间，结果如图3所示。

由图3可知，随着喷口角度的增加，混合时间呈现先增加后减少的趋势，尤其当喷口角度为105°～135°时，其混合时间不超过4s，具有较好的混合效果；同时，我们注意到，当喷口角度30°～90°，即液体向上喷动，其混合时间大大高于向下喷动所需要的时间，特别当角度为30°时，混合时间为5.5s。这是因为，当液体向上运动时，反应器内的流体主要以顶端循环流为主，而底部液体的运动则很容易形成流动死区。正是因为这种流动死角的存在，大大增加了底部流体混合所需要的时间，从而影响了整个反应器内的混合过程，而下喷的流体就不存在这一问题，所以具有较好的混合效果。

由此可知，上喷的流体极易形成底部流动死角，所以在工业应用中尽可能地摒弃这一操作工艺，采用具有良好混合效果的向下喷动形式。

3.2 固-液悬浮高度

固-液悬浮高度作为釜式反应器中的基本参数，代表了固体粒子在釜内的轴向分布，经常用于测量固体粒子悬浮程度。它的大小直接反应了釜内固-液混合效果的好坏。本节采用实验与CFD模拟相结合的方法对液体搅拌的固-液悬浮高度进行研究。

根据3.1节的实验结论，向下的喷口设置具备更佳的混合效果，所以，悬浮高度研究所考察的喷口角度范围为90°～150°，液位高度为300mm，喷口离底高度为100mm，固体材料为沙子，体积含量V/V为13.3%，以固体悬浮高度与液位高度的比值H/H作为固液悬浮的标准高度，物性参数见表1所示，结果如图4所示。

由图4可知，随着喷口角度的增加，固液悬浮高度呈现先增大后减小的过程，当喷口角度为120°～135°，具有较佳的固液悬浮效果，尤其当角度为135°时，混合效果最佳，其悬浮高度为0.91。因此，不管是CFD模拟还是实验过程都进一步说明了通过设置合理的喷口角度可以达到固液两相的均匀混合。

4 结语

针对传统机械搅拌设备中存在的不足，该文提出了一种新型的液体喷射混合技术，即采用液体循环流代替工业机械搅拌。以水和沙子为例，对液体喷射混合进行了初步研究。研究发现，当液体喷口角度向下时，液体搅拌具有良好的混合效果，其混合时间不超过4s；同时，通过固-液悬浮实验可知，液体搅拌具有很好的固液悬浮效果，尤其当喷口角度在120°～135°内时，具备较佳混合效果；以上实验证明了液体搅拌技术具有很好的混合效果，在很大程度上可以代替传统的机械搅拌技术，具有很好的工业应用前景。

参考文献

[1] 殷元骐.羰基合成化学[M].北京：化学工业出版社，1995：143-144.

[2] 陈庆铃.醋酸生产技术与市场前景[J].化工技术经济，2001（6）：23-26.

[3] 朱泽霖，富国强，刘强.搅拌器在工业合成醋酸反应器中的应用[J].精细化工原料及中间体，2009（4）：7-11.

[4] 张玉平，金锋，张岩，等.两相流相浓度检测技术的研究[J].北京理工大学学报，2002，22（3）：383-386.

[5] 王凯，冯连芳.混合设备设计[M].北京：机械工业出版社，2001.

[6] Nienow.A.W， Suspension of solid particles in turbine-agitated， baffled vessels[J].Chemical Engineering Science，1968（23）：1453-1459.