管道静态混合器流场分析

刘倩倩

（中石化四机石油机械有限公司， 湖北 荆州 434000）

不同流体之间的混合是油田采出水处理过程中经常遇到的问题，常用方法为利用各类机械搅拌设备来提高混合效率，但机械搅拌设备通常操作繁琐、故障率高、经济效益低，因此研究混合效率高且能够适应各类工况的静态混合器成为一种必然趋势[1]。管道混合器可以通过控制水量，做到均匀混合并且减少能耗。在油田中采用管道混合器不仅可以快速均匀混合物料，解决加药不均匀，药剂消耗量大，而且可以大大降低设备费用和成本费用，这对企业提高采油经济效益、降低水处理成本及节约能源具有重要意义。

1 静态混合器研制

1.1 管道静态混合器结构设计

静态混合器是一种广泛应用于化工、石油、环保等领域的混合装置。管道内安装有若干固定的混合单元，每一单元由若干叶片按一定角度交叉排列而成。管内不同单元结构其作用可分为三类，一是对流体起分割作用；二是使流道形状和截面发生变化产生剪切作用；三是使流体产生旋转，起到自动搅拌作用[2-4]。如图1所示，它是一种新的静态混合器—弯管内置翼片混合器。

图1 弯管内置翼片混合器

静态混合器结构由管道经过多次弯曲而成，水从管道一端注入，这一端管道上开有两个小孔，分别注入两种药剂，在管道每个拐弯处装有一块挡板—翼片，如图2所示。

图2 弯管内置翼片混合器内部结构

弯管直线段长2 1 0 1.8 5 m m，管的排量为450L/min，药剂的注入速度大于0.27L/min，小于4.32L/min，管道内的水为主要部分。管道内的流速约为0.8m/s，则雷诺数为：Re=Pvd/μ=1000×0.8×0.1082/0.00103≈8400＞2300，因此，管道内的流动为湍流。

对于湍流混合过程来说，由质点扩散理论，提高混合效果，通常有两种途径，一是延长流体在混合器中停留时间，二是增加液体的湍流度[5-7]。基于以上两点，一是弯管改变流体流动方向，产生涡流，提高湍流强度，根据湍流混合理论，旋涡越多，越有利于药剂与水的混合，湍动能越高，越有利于旋涡的形成。二是节省空间，可以把管道做得比较长，保证多相流体之间有较长混合时间。通过安装翼片使得流体在管道内运动与挡板相互作用，流体被多次分割、改向，产生分流、合流、旋转而达到充分混合。

1.2 管道静态混合器的流场分析

采用FLUENT14.0流体计算软件模拟流体在弯管内的流动情况。由于管道中的每一个弯道对流体的作用相似，因此以一个弯道加以说明，管道内流体只有一种水。弯管对流场的影响如图3所示：

图3 弯管对流场的影响

从图3可以看出，流体与弯管壁之间的作用增大了一部分流体流速，也减小了一部分流体流速，使流场中速度梯度增大，同时也改变了流体流动方向。同时，在弯管的下游内壁处产生了很大旋涡，而直流管中流动的流体是不可能产生这种旋涡的，从而增大了流体湍动能，有利于多种液体的混合。

选取翼片与垂直方向夹角为45°时，分析翼片对流场的影响。图4、图5分别为翼片背向水的来流方向和迎向水的来流方向两种情况下流场速度矢量放大图。从放大翼片所在区域流场中可以看到：翼片背向来流方向时，翼片对上游流场影响较小，而对下游流场影响较大，翼片迎向来流方向时，正好相反。

由于翼片的存在，使管道截面减小，混合器拐弯处速度进一步增大，还在板背后形成旋涡，使静态混合器内流体扰动强烈，湍流强度增强，而且驱使壁面边缘低速流体流向轴心高速流体，轴心高速流体流向壁面边缘低速流体，产生了比较好的径向混合效果，可以使药剂快速均匀地分散于水中。

图4 翼片背向水流流场速度矢量放大图

图5 翼片迎向水流流场速度矢量放大图

从翼片的两种不同放置情况看，翼片背向水流方向时，有比较大的高速流动区域。因此有较大的速度梯度，产生强度比较大的涡旋，更有利于流体的混合。

2 管道静态混合器的流场影响因素分析

2.1 加入药剂后，管道静态混合器的流场分析

按出口排量450L/min计算，当药剂与水的体积比为1:9时，进口药剂量为45L/min，药剂进口速度为2.845m/s，进口水量为405L/min，水的进口速度为0.734m/s。从图6、图7中可以看出，随着流体在管道内的流动，药剂也不断在水中扩散与水混合。这是经过一个弯道后的混合效果，如经过多个弯道后，混合效果将会更加明显。

2.2 管道静态混合器翼片角度对混合效果的影响分析

为了研究翼片处于不同角度下流体的混合效果，特选取翼片分别为30°、45°、60°、90°，如图8、图9、图10、图11所示为翼片不同角度下的速度矢量图：

图6 管道不同横截面上药剂体积分数分布图

图7 管道纵向对称面上药剂体积分数分布图

图8 翼片30°

图9 翼片45°

图10 翼片60°

图11 翼片90°

从图8至图11可以看出，在管道的入口处，当药剂加入到管道中后，药剂迅速沿着管道壁散开；当流动到弯管处时，在翼片处都形成了旋涡，其中翼片在60°和90°时，液体的流动性明显减弱；而在弯管处及出口端的流体可以看到翼片在45°时，液体流速更趋于稳定，流动均匀性较好，更有利于液体的混合。

2.3 管道静态混合器翼片长度对混合效果的影响分析

图12 翼片长35mm宽25mm时药剂体积分数分布云图（0.0630652）

图13 翼片长40mm宽25mm时药剂体积分数分布云图（0.0642748）

图14 翼片长50mm宽25mm时药剂体积分数分布云图（0.0624126）

图15 翼片长60mm宽25mm时药剂体积分数分布云图（0.0608137）

从图12到图15可以看出，在翼片长度不同时，液体的混合效果也不同。当翼片的长度为40mm时，其出口处的体积分数最大，说明液体的流动性最好，混合均匀性最高。

3 结论

为了研究管道静态混合器的混合效果，本文通过对混合器数值模拟，研究了加入药剂、翼片不同角度、翼片不同长度等情况下混合器的流场分析，从而得到了不同参数下混合器的混合效果。

（1）弯管处增加翼片增大了流体湍动能，有利于多种液体的混合；

（2）翼片背向液流方向45°时，药剂在水中的混合效果最好；

（3）宽度25mm，长度为30、40、50、60mm四种翼片相比，出口的药剂体积分数差别不明显，以40mm长为最优。