管內同心雙螺旋靜態混合器的製造方法

2023-12-09 21:06:51

管內同心雙螺旋靜態混合器的製造方法
【專利摘要】管內同心雙螺旋靜態混合器，涉及一種流體混合器，混合器旋向相同的內扭旋葉片沿定位圓杆（6）外壁圓周方向均勻分布，構成一個內螺旋元件；旋向相同的外扭旋葉片沿管體（7）內壁圓周方向均勻分布，構成一個外螺旋元件。軸向相鄰的內（外）螺旋元件旋向相反，首尾順次連接且周向錯開一定角度。內外螺旋元件長度相同且對應軸向位置的內外螺旋元件旋向相反。流體在內外螺旋元件作用下形成內外兩個旋向相反的同心螺旋流，各螺旋流內的流體被切割、旋轉及合併，進一步強化了流體的徑向混合。本發明適用於各類流體的混合或反應，特別適合應用在處理量大，流動壓降要求較小，而混合器長度又不能較長的操作工況。
【專利說明】管內同心雙螺旋靜態混合器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種流體物料混合器，特別是涉及一種管內同心雙螺旋靜態混合器。【背景技術】
[0002]靜態混合器是一種能夠實現兩種或兩種以上流體連續混合或反應的管式混合裝置。靜態混合器沒有運動構件，而是利用流體自身的運動，在混合元件的作用下實現流體的混合。混合元件的結構形式及排列方式決定了流體的流動狀態，對於混合器的混合性能或反應效果具有重要影響。在眾多已經實現工業化應用的靜態混合器當中，根據混合元件對流體的作用方式的不同，主要分為旋流式、繞流式及分流式三種類型混合器。其中，旋流式混合器以Kenics混合器為代表，它是利用扭旋葉片迫使流體在混合管內螺旋流動，在離心力的作用下實現流體的徑向流動，同時由於相鄰螺旋元件旋向交替變化並成垂直布置，對流體起到了分割及匯合作用，進而實現了對流體的混合；繞流式混合器採用一定排列方式的板條組合結構，迫使流體產生繞流並且改變流動方向，利用不同繞流的重新匯合實現流體的混合，如SML型和SMX型混合器；分流式混合器的典型代表是SMV型混合器，它是採用多層波紋板對流體進行分割，同時利用傾斜的通道改變流體的流動方向，從而實現了不同流道內流體的混合。這些類型的混合器具有不同的流動特性及混合機理，適用於不同的流體物性及操作條件。大量實驗研究及工程應用結果表明，一定結構的混合元件必須與一定物性參數的流體相配合，並且在一定的操作條件下才能充分發揮出混合器良好的混合性倉泛。
[0003]隨著靜態混合器應用範圍的不斷擴大，傳統的一些混合器已經很難適應新的操作工況，比如流體處理很大，而流動壓降又要求較小，同時混合器的製造及運行成本又要較低等苛刻運行條件，本發明的目的就是開發出一種能夠適應這些特殊要求的新型靜態混合器。流體處理量大往往意味著在一定混合器直徑條件下，流體的流動速度大，而流動阻力與速度的平方成正比，因此壓降會很大，若要降低壓降只有兩種途徑:一是降低流速，即增大混合器直徑；二是簡化混合元件結構，降低單位管長壓降。流速降低及元件結構簡化通常意味著混合器混合效果的降低，若要達到生產工況要求的混合性能，勢必要增加混合器長度，進而又增加了系統壓降，同時增大了混合或反應時間。因此要滿足上述的工況要求，必須使混合器在低流速下具有非常良好的混合性能，並且混合元件要結構簡單、便於製造。很明顯繞流式及分流式混合器由於單位管長壓降很大不滿足這樣的要求，只能在旋流式混合器中選擇符合上述工況要求的混合器。但是現有的旋流式混合器由於混合性能相對較差，必須開發出新型高效的旋流式混合器才能適應上述較為苛刻的操作工況。
[0004]若要提高旋流式混合器的混合性能，必須改進或優化傳統旋流式混合器的混合元件，在軸向多螺旋流的基礎上，設法使徑向也形成多螺旋流，利用徑向多螺旋流的相互影響、相互耦合提高混合器橫截面內流體的均布，進而提高整個混合器的混合效果。

【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種管內同心雙螺旋靜態混合器，該混合器利用徑向多螺旋流的相互影響、相互耦合提高混合器橫截面內流體的均布，進而提高整個混合器的混合效果，並且結構簡單，流動無死角或短路，流動阻力小，在湍流狀態下也具有明顯的混合強化效果。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
管內同心雙螺旋靜態混合器，由內左旋葉片、內右旋葉片、外左旋葉片、外右旋葉片、定位圓杆、定位圓環、及管體構成，所述混合器旋向相同的內螺旋葉片沿定位圓杆外壁圓周方向均勻分布，構成一個內螺旋元件；內螺旋元件內螺旋葉片的結構相同，經焊接將各葉片與定位圓杆連接在一起，並在保證圓周均布的同時還應確保各螺旋葉片的端面平齊，內螺旋元件內周向相鄰螺旋葉片的夾角a i的大小取決於內螺旋葉片的數量/?,.，兩者的關係為σ ,.=360 ° Ini ;旋向相同的外螺旋葉片沿管體內壁圓周方向均勻分布，構成一個外螺旋元件；外螺旋元件內的各螺旋葉片的結構相同，採用點接方式將各葉片固定在定位圓環內側，保證各葉片圓周均布，而且端面平齊；每個外螺旋元件採用三個定位圓環進行周向定位並連接成一個整體，三個定位圓環分別位於外螺旋元件兩端及中間截面；外螺旋元件內周向相鄰螺旋葉片的夾角與外螺旋葉片數量&兩者的關係為^^=360° /n0O
[0007]所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，所述內螺旋元件或外螺旋元件在混合器管體軸線方向連續首尾順次連接，相鄰螺旋元件的螺旋葉片旋向相反，且相鄰內或外螺旋元件在分界面處錯開角度β鄭。，錯開角度為混合元件內周向相鄰螺旋葉片夾角〃或〃 ^的一半，即 β j=a J2, β = a J2ο
[0008]所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，所述相鄰的內或外螺旋元件的螺旋葉片旋向不同，長度，寬度，厚度，扭轉角及數量均相同；每個內螺旋元件葉片數量^與對應的外螺旋元件葉片數量&相同或不同，其數量範圍均為2~5。
[0009]所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，所述內螺旋葉片與外螺旋葉片的扭旋中心均為管體軸線，內外螺旋葉片扭 轉角範圍為90°~270° ,內螺旋元件外直徑與外螺旋元件內直徑I相同，保留Imm間隙；內外螺旋元件軸向長度Z相同，取1~3倍管體內直徑。
[0010]所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，所述定位圓杆長度等於管體長度，定位圓環外直徑與管體內壁貼合；內螺旋元件利用定位圓杆連接在一起，外螺旋元件通過對交界面處的兩個定位圓環的焊接構成一個整體。
[0011]本發明的優點與效果是:
1.本發明混合效果好，流體在內外螺旋元件作用下形成同心的雙螺旋流，形成了徑向及軸向多螺旋流共存的流動狀態，各螺旋流之間相互耦合、相互疊加，混合效果顯著提高；
2.本發明的流型更加接近平推流，無流動死角，無短路，不會發生個別流股返混或無法流出混合器的情況；
3.本發明應用範圍廣泛，特別適合層流、處理量大、流動壓降要求小的操作工況；
4.本發明的水力直徑大，流動阻力小，可用於較高粘度物系；
5.本發明結構簡單,加工製造成本低,便於維護。
[0012]6.本發明可替代塔式或釜式反應器，能夠實現反應過程的連續化。
【專利附圖】

【附圖說明】[0013]圖1為本發明的裝配結構圖；
圖2為本發明1-1截面剖視圖；
圖3為本發明內混合元件(包括左旋和右旋)裝配結構示意圖；
圖4為本發明內混合元件軸向視圖(虛線表示下一混合單元入口葉片端面)；
圖5為本發明外混合元件(包括左旋和右旋)裝配結構示意圖；
圖6為本發明外混合元件軸向視圖(虛線表示下一混合單元入口葉片端面)。
【具體實施方式】
[0014]下面結合附圖所示實施例，對本發明作進一步詳述。
[0015]管內同心雙螺旋靜態混合器，由內左旋葉片，內右旋葉片，外左旋葉片，外右旋葉片，定位圓杆，定位圓環及管體構成。旋向相同的內扭旋葉片沿定位圓杆外壁圓周方向均勻分布，構成一個內螺旋元件；旋向相同的外扭旋葉片沿管體內壁圓周方向均勻分布，構成一個外螺旋元件。內或外螺旋元件沿混合器軸線方向首尾連續排列，軸向相鄰的內或外螺旋元件旋向相反，且周向錯開一定角度。
[0016]混合器內或外螺旋元件無論相互之間還是彼此之間其長度均相同，並且對應的內外螺旋元件的進口端面或出口端面位於同一個橫截面上，這樣的結構有利於保證混合器內所有流體的停留時間相同，消除軸向返混，提高混合效果。內外混合元件長度取決於操作工況對於混合時間及系統壓力的要求，在螺旋葉片扭轉角不變的情況下，螺旋元件長度減小會提高流體的周向及徑向速度，單位管長的混合能力會提高，但單位管長壓降也會增大，由於兩者之間相互影響，混合元件長度對於一定的操作工況存在一個適宜值，混合元件長度通常取混合器內直徑的廣3倍。
[0017]混合器對應的內外螺旋元件的葉片旋向相反，扭旋中心均為混合管軸線，這樣的布置結構可使進入混合器的流體在任一橫截面內形成兩個旋向相反的同心螺旋流，兩個螺旋流在相應離心力的作用下產生徑向的物質及能量的傳遞及交換。在雷諾數較小的層流狀態下，雖然螺旋流的徑向離心力很小，但該力會使內外螺旋流內的流體粒子形成複雜的混沌流，由於混沌流具有各態遍歷的特性，待混合的各流體就會彼此混合均勻，這就是該混合器在層流狀態下具有良好混合效果的原因。
[0018]混合器各個內(外)螺旋元件內的螺旋葉片端面平齊，包括旋向在內的所有結構參數相同，相鄰的內(外)螺旋元件的螺旋葉片除旋向外其餘結構參數(包括葉片長度、寬度、厚度、扭轉角等)相同。這樣的結構便於混合器的加工製造，降低設備成本，更為重要的是可以使混合器內流體在軸向、徑向及周向得到均布，提高混合效果。
[0019]混合器各個內(外)螺旋元件內的螺旋葉片數量相同，而對應的內與外螺旋元件的螺旋葉片數量可相同亦可不同。混合元件內螺旋葉片的數量決定了對於進入混合單元流體的分割程度，螺旋葉片越多流體細分的程度越高，在低雷諾數下分布混合的效果更明顯，但同時流體的形體阻力也會更大。一般情況下，混合元件內螺旋葉片的數量應在2飛範圍內。
[0020]混合器對應的內與外螺旋元件的螺旋葉片扭轉角可相同亦可不同。螺旋葉片的扭轉角決定了流體在葉片作用下的扭曲程度，扭轉角越大流體的徑向及周向流速也會越大，但同時流動阻力也會越大。對於不同的流體及處理量，取得良好混合效果的葉片扭轉角存在一個最佳值，該值的範圍通常為90°?270°。[0021]混合器內螺旋元件的外徑與外螺旋元件的內徑相同，通常為混合器內直徑的
0.4-0.6倍，其確定的具體原則是要保證內旋流與外旋流的流量近似相同。這樣可以保證內外螺旋流在徑向進行充分的物質與能量傳遞，同時便於內外螺旋元件連接在一起，有利於整個混合器內件的固定。
[0022]混合器軸向相鄰的內(外)螺旋元件在交界面處錯開一定角度，保證前一混合單元流道內的流體被下一混合單元的螺旋葉片一分為二，這樣就實現了不同流體微團的分割、合併過程，該過程每經過一個混合單元時均被重複一次，從而實現了流體的均化。前後螺旋元件的錯開角度為周向相鄰螺旋葉片夾角的一半，即βi=αi/2,β0=α0/2.
[0023]混合器內螺旋元件的各螺旋葉片焊接固定於定位圓杆外壁，而外螺旋元件的各螺旋葉片焊接固定在定位圓環的內側，每個外螺旋元件具有三個定位圓環，分別位於兩個端面及中間截面。所有的內螺旋元件通過定位圓杆焊接成一個整體，而所有的外螺旋元件通過對分界面前後兩個定位圓環的焊接也連接成一個整體。整個內螺旋元件插入到外螺旋元件後，調整內外螺旋元件相對周向方位，在內外螺旋葉片接觸點處進行點焊固定。
[0024]實施例1:
如圖1-6所示:本發明所提供的管內同心雙螺旋靜態混合器，包括左旋葉片1，內右旋葉片2，外左旋葉片3，外右旋葉片4，定位圓杆5，定位圓環6及管體7。
[0025]內外螺旋葉片1，2，3，4均採用不鏽鋼板，兩端利用夾具直接扭轉而成或採用專用模具衝壓製成，其長徑比(螺旋板軸向長度與管體內直徑之比)在1.0-3.0之間，扭轉角在90°~270°之間，螺旋葉片厚度在2~3_左右。定位圓杆及定位圓環均採用直徑為3~4_的圓鋼製成，定位圓環應保證其外直徑與管體內壁緊密貼合。
[0026]內外螺旋元件在製作過程中要保證其各螺旋葉片的扭轉軸向重合，並能保證安裝到管體內時與混合器軸線保持一定的同軸度，同軸度偏差不大於2_。混合元件內各相鄰螺旋葉片周向夾角偏差不大於5°。
[0027]內外螺旋元件在配置過程中應確保軸向相鄰的內(外)螺旋元件的葉片旋向相反，同時在混合器任一橫截面處對應的內外螺旋元件的葉片旋向也相反。軸向相鄰螺旋元件錯開角度偏差控制在5°以內。
[0028]內外混合元件的數量可根據混合效果及流動壓降的要求設置，但為了便於製造安裝，每個混合器的長度不宜超過2m，每個混合器內(外)混合元件數量不超過20個。如操作工況需要更多的混合元件可將多個混合器串聯使用。
[0029]對應的內外螺旋元件的螺旋葉片在分界圓柱面上具有多個接觸點，各接觸點採用點焊固定連接，保證混合器在工作過程中內外螺旋元件不產生相互移動，同時也能提高內外螺旋葉片的剛度。
[0030]本發明與傳統的Kenics型混合器相比螺旋流道數量明顯增多，以內外螺旋元件均為3個螺旋葉片為例，本發明具有6個螺旋流道，而Kenics型混合器僅有2個螺旋流道，混合效果明顯提高。
[0031]本發明可垂直布置、水平布置、傾斜布置；或垂直、水平、傾斜組合布置；可單一使用也可串聯或並聯使用，串聯或並聯使用時可採用對接或採用連接管連接，連接方式可採用焊接或法蘭連接。
[0032]實施例2: 本實施例為本發明在甲醇吸收氨氣方面的應用實例。
[0033]本發明的管內同心雙螺旋靜態混合器用作管式吸收反應器，反應器公稱直徑100_，長度4800mm(四根混合管串聯)，內外螺旋元件內螺旋片數量為3，螺旋片扭轉角度為180°，螺旋元件長徑比為2。利用泵驅動甲醇進入射流噴射器，在噴射器內引入氨氣(氨氣壓力為0.2bar)，兩者由噴射器出口進入吸收反應器，在反應器內實現內外螺旋流動，通過內外螺旋板的旋流、剪切、移位等混合作用完成吸收反應過程。在反應器夾套內通入冷卻水控制反應溫度，使整個反應管長度範圍內的溫度保持一致並恆定，從反應器流出的氨甲醇進入半成品罐，由半成品罐再次經泵進入反應器進行循環反應，直到罐中氨甲醇濃度達到規定要求(質量濃度26%)。實驗結果表明物料在管式吸收反應器內混合效果好，物料接觸充分，反應速度快，與以前的塔式吸收相比由120分鐘縮短為30分鐘。參與反應的物料在反應器內只有徑向混合，無軸向返混，停留時間均勻，實現了平推流反應。
【權利要求】
1.管內同心雙螺旋靜態混合器，由內左旋葉片、內右旋葉片、外左旋葉片、外右旋葉片、定位圓杆、定位圓環、及管體構成，其特徵在於，所述混合器旋向相同的內螺旋葉片沿定位圓杆(6)外壁圓周方向均勻分布，構成一個內螺旋元件；內螺旋元件內螺旋葉片的結構相同，經焊接將各葉片與定位圓杆(5)連接在一起，並在保證圓周均布的同時還應確保各螺旋葉片的端面平齊，內螺旋元件內周向相鄰螺旋葉片的夾角Ui)的大小取決於內螺旋葉片的數量(A)，兩者的關係為〃,.=360° //7,.;旋向相同的外螺旋葉片沿管體(7)內壁圓周方向均勻分布，構成一個外螺旋元件；外螺旋元件內的各螺旋葉片的結構相同，採用點接方式將各葉片固定在定位圓環內側，保證各葉片圓周均布，而且端面平齊；每個外螺旋元件採用三個定位圓環(6)進行周向定位並連接成一個整體，三個定位圓環(6)分別位於外螺旋元件兩端及中間截面；外螺旋元件內周向相鄰螺旋葉片的夾角(a o)與外螺旋葉片數量(^)兩者的關係為<2^=360° /n0。
2.根據權利要求1所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，其特徵在於，所述內螺旋元件或外螺旋元件在混合器管體(7)軸線方向連續首尾順次連接，相鄰螺旋元件的螺旋葉片旋向相反，且相鄰內或外螺旋元件在分界面處錯開角度β!或錯開角度為混合元件內周向相鄰螺旋葉片夾角? a o的一半，即β 1:a i/2, β =a 0/2o
3.根據權利要求2所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，其特徵在於，所述相鄰的內或外螺旋元件的螺旋葉片旋向不同，長度，寬度，厚度，扭轉角及數量均相同；每個內螺旋元件葉片數量(A)與對應的外螺旋元件葉片數量(^)相同或不同，其數量範圍均為2~5。
4.根據權利要求3所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，其特徵在於，所述內螺旋葉片與外螺旋葉片的扭旋中心均為管體(7)軸線，內外螺旋葉片扭轉角範圍為90°~270°，內螺旋元件外直徑與外螺旋元件內直徑(4.?)相同，保留Imm間隙；內外螺旋元件軸向長度(Z)相同，取f 3倍管體(7)內直徑。
5.根據權利要求1所述的管內同心雙螺旋靜態混合器，其特徵在於，所述定位圓杆長度等於管體(7)長度，定位圓環外直徑與管體(7)內壁貼合；內螺旋元件利用定位圓杆(5)連接在一起，外螺旋元件通過對交`界面處的兩個定位圓環(6)的焊接構成一個整體。
【文檔編號】B01F5/00GK103816822SQ201410057380
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2014年2月20日 優先權日:2014年2月20日
【發明者】王宗勇, 孟輝波, 張春梅, 吳劍華, 胡少勇 申請人:瀋陽化工大學