三角形管壁叶片式静态混合器

摘要

本发明公开了一种三角形管壁叶片式静态混合器，包括单元节筒体和固定安装在筒体内壁的叶片，所述叶片是由筒体切割形成的三角形管壁叶片，三片三角形管壁叶片呈120°在内壁上均布，用于流体物料将隔开成相互不完全断流的三个大致区域。本发明混合效果好、易制造、节能，不易挂纤维类流体物料且便于清洗。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静态混合器，具体涉及一种三角形管壁叶片式静态混合器。

背景技术

背景：在以流体物料作为加工对象的流程化生产、废水处理等许多工业生产和相关 领域中，除了主要流体物料外，必须添加辅料和其他化学品。随着各行业产品品种和质 量性能要求的不断提高以及科技的发展，各种辅助添加料无论在数量、还是种类上越来 越多。所以，必须利用某种混合装置或设备实现液-液、气一液等多相流混合。工业生 产中利用湍流混合机理实现这些多相流混合的设备，主要有机械搅拌混合反应器、射流 混合器、喷射混合器、撞击流混合器、静态混合器、动态混合器等。与传统的搅拌器装 置不同，静态混合器内虽然没有运动部件，但依靠泵等动量源提供的初始动能使拟混合 流体依次通过具有特殊结构的静态混合单元，在很宽的雷诺数范围内很好地实现不同尺 度流体的分散混合和分布混合。

静态混合器的压力波动特性、传热特性、混沌混合特性及流动特性，且在强化高粘 度流体间的分布混合与分散混合方面表现出卓越的性能，因而得到了广泛地关注，并在 大宗具有化工特性的连续、流动介质的生产过程中得到广泛应用。

但是，一方面，由于各个行业或者具体到某个行业，因其生产工艺、加工的流体物 料特性(如分子强度特性、浓度特性、黏度特性等)不同，对静态混合器的要求不同， 有的静态混合器结构虽然能够实现物料的充分均匀混合，但影响或破坏了原有流体物料 特性；另一方面，除了实现均匀混合和保护被混物料特性外，还要考虑静态混合器本身 的节能降耗、易于制作加工、结构简单、单位混合能力的体积小等特性。

现有常用静态混合器要么混合效率不理想，要么能耗高、挂浆，要么易堵塞、不易 清洗等。所以，不断研发更加适合物料特别要求用途的、更加符合流体流动状态、高效、 低耗，结构简单紧凑、不易堵塞、易于清洗、易于加工制作、安装检修方便的静态混合 器是人们所期待的。

用途：静态混合器不仅具有结构简单，操作成本低的优点，而且能适合任何雷诺数、 任何粘度的流体，同时可通过改变混合元件数来满足不同混合强度的要求，混合效果好， 因而广泛用于液一液、液一气、液一固、气一气的混合、萃取、反应等工艺过程。在造 纸、石油化工、药品、塑料、油脂、合成纤维、橡胶、化妆品等领域的混合、萃取、热 交换、分散、溶解等工艺过程中都能用到。

静态混合器通常结构

作为静态混合器的典型代表——Kenics静态混合器(KSM)，又称为标准静态混合器， 其混合元件为扭曲180°的左右螺旋叶片(见图1)。当需混合的物料流沿着管道进入Kenics 静态混合器时，物料流在其自身动能的作用下，依次通过有多组左、右螺旋元件交替排 列的特殊通道，此时物料流在被迫反复进行的“分割一移位-重新汇合”3个要素的作用 下实现充分混合；特别是在湍流时，除“分割一移位一重新汇合”3个要素外，流体在流 动断面方向产生剧烈二次涡流，由此导致很强的剪切力作用于流体，从而使流体的细微 部分进一步被分割，进而实现强化混合。

到目前为止，包括Kenics、SMX、SMV、SMXL、SH等典型的静态混合器在内， 已有上百种静态混合器产品和许多国内外的专利，但根据权威参考文献和发明专利查 询，结构类型为KSM型、低压型、SMV型、SMK型、SMXL型、ISG型、HEV型、 IS50型、IS45型、CT型、SMR型和螺杆旋式。

现有的静态混合器的主要技术问题和缺点：

从国内外目前所出现的各种静态混合器看，基本上都能实现让各种流体达到混合目 的。但是，作为静态混合器，除了确保被混合的各种物料流体的均匀混合外，还必须考 虑混合前后对物料本身带来的影响，其次考虑混合过程的能耗(压力降)，再者考虑元 件的制作加工、组合后体积以及成本等因素。

其中KSM、低压、HEV、IS45、CT五种类型的混合元件结构相对简单，因此，混 合过程压降小一些；另外，对于较高浓度、较高黏度或纤维性状流体在混合过程不易堵 塞；且制作相对简单。其它几种(SMV、SMK、SMXL、ISG、IS50、SMR、螺杆旋式) 类型的混合元件结构相对复杂，虽然混合效果好，但混合过程压降大，且对于较高浓度、 较高黏度或纤维性状流体在混合过程易堵塞；其中IS50型螺旋型结构、加工复杂、易堵 塞等更明显。

以上十种类型静态混合器具有的共同不足是：一是，各种混合元件对象纸浆纤维这 样的流体，易在元件的浆料纤维流入方向上挂浆，或对于螺杆旋型元件不挂浆但产生堵 塞，对于较高浓度情形时，这两种情况更明显，因而带来麻烦；二是，各种混合元件都 是需要专门加工(不是取材于静态混合器管壁本身)，加工相对复杂；三是，在流体前 行过程，除了分割(分流)、合流外，轴向相邻组元件旋转角基本固定(如KSM、低 压、IS45、CT为90°；其余不存在旋转角)。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三角形管壁叶片式静 态混合器。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明提供的三角形管壁叶片式静态混合器，包 括单元节筒体和固定安装在筒体内壁的叶片，所述叶片是由筒体切割形成的三角形管壁 叶片，三片三角形管壁叶片呈120°在内壁上均布，用于流体物料将隔开成相互不完全断 流的三个大致区域。

具体地，所述三角形管壁叶片具有底边，与所述底边垂直的垂直边，以及连接底边 和垂直边端部的弧边，所述垂直边与被切割筒体的轴心线在同一平面上，所述弧边与筒 体内壁焊接。所述弧边与筒体内壁焊接。切割时，底边是来自筒体端面圆上的一段圆弧， 垂直边与弧边均沿着筒体的径向切割，形成的切割面(垂直面、弧面)均与被切割筒体 的壁面垂直，切割形成的三角形管壁叶片的投影是三角形，展开后弧边是一条圆弧，且 该圆弧正好可以和筒体内壁贴合，方便焊接。

具体地，所述弧边的弧长是0.083～0.167倍的筒体周圆弧长；

具体地，所述三角形管壁叶片的切割角α为15°～30°。

具体地，所述三角形管壁叶片的尖端起始焊接接触联接角β为0°。

具体地，所述单元节串联布置，相邻基本单元节叶片的旋向相反。

具体地，所述单元节串联布置，每隔两个基本单元节叶片的旋向相反。

使用时，流体物料在轴向移动的同时，受到叶片的导流作用，在每块叶片区域内形 成向筒内壁方向的偏旋转向，轴向移动与向筒内壁方向的偏旋转向的结合，使三个区域 流体形成小螺旋涡流前行；当流体在左侧离开叶片底边后，各区域流开始汇合，并在原 有各自的惯性流作用下使整体流围绕轴心产生旋转前行流动。

如此，继续进入下一混合器基本单元节内，继续着下一个逐渐分隔、旋转、汇合的 周期。根据设计需要，相邻基本单元节，或每隔两个基本单元节，将叶片的旋向更改成 反向，有利于混合。

有益效果：本发明创造与现有的各种静态混合器比，主要的优点和效果：

1、与KSM、低压、ISG、IS45、CT等同一类叶片式静态混合器比，一方面用料直 接取自于与管壳同源材料，用料简单；另一方面，直接切割后焊接至管内壁，不用扭曲 加工，叶片制造简单；而SMV、SMK、SMXL、IS50、螺杆旋型静态混合器混合元件在 制作和安装时也比本发明创造复杂。

2、除HEV外，与其它各种类型相比，由于本发明创造的叶片是三角形，故对进入 的流体物料是“逐渐分隔开”，这样不会使流体受到“突然的碰撞式”分隔；另外，物料前 进方向与叶片面没有夹角，而是切线接触，转角逐渐加大、阻力小，因而节省能耗；

3、除HEV外，与其它各种类型相比，本发明创造的三角形叶片在对被分隔流体是 靠倾斜面3上渐进式，所以不会造成象浆料纤维一类物料的挂浆(其它类型均会易挂浆)； 也相对来说，不易造成象聚丙烯酰胺类高分子一类流体因过重切割而聚合度(黏度)下 降。

4、不会像SMV、SMK、SMXL、IS50、SMR、CT、螺杆螺旋类型那样，对于纤维 状流体或高浓、高黏度流体那样易堵塞；

5、因叶片结构简单，除HEV外，均比其它各种类型静态混合器易清洗。

6、HEV型静态混合器虽然与本发明创造一样，具有结构简单、节能、不会挂浆、 不会堵塞，但它没有分隔流体功能，只有产生周边的小旋转流，从整体上讲，混合效果 比本发明创造要差很多。

除了上面所述的本发明解决的技术问题、构成技术方案的技术特征以及由这些技术 方案的技术特征所带来的优点外，本发明的三角形管壁叶片式静态混合器所能解决的其 他技术问题、技术方案中包含的其他技术特征以及这些技术特征带来的优点，将结合附 图做出进一步详细的说明。

附图说明

图1是现有Kenics静态混合器(KSM)的结构组成与工作原理示意图；

图2是本发明的三角形管壁叶片式静态混合器基本单元节的透视图；

图3是图2的轴测图；

图4是叶片的制作图；

图5是图4中叶片的结构示意图；

图6是图5的C向视图；

图7是图5的D向视图；

图8是图9的A向视图；

图9是三角形管壁叶片式静态混合器基本单元节平面视图；

图10是图9的B向视图；

图11是静态混合器基本单元节混合原理；

图12是叶片与管壁面焊接联接角的结构示意图；

图13是图12的A向视图；

图14是在三个叶片两两中间加焊三个小叶片的结构示意图；

图15是本发明实施例3的结构示意图；

具体实施方式

实施例1：

由图2和图3可见，基本单元节由一节圆管与焊接在其内壁的三片三角形管壁叶片 组成。图中实线部分为叶片，虚线或点划线部分为圆管；右图为左图的(自右向左看的) 轴测图。

叶片的制作见图4，每个叶片取材均取自于外接圆管；制作时，取一段圆管(根据 叶片设计大小，确定管高度)，在管壁上按照虚线切割形成垂直面3；同时在管壁上按照 点划线切割形成弧面4(弧面4各处保持与筒壁面垂直)，保持与轴垂直形成底面5，底 面的长短取决于设计的叶片角度和大小；垂直面3与底面5成直角。制作成的叶片见图 5、图6和图7，具有与弧形表面2。在焊接时，将弧面4与圆管内壁贴合焊接，叶片的 直角部分伸悬在管内；三个叶片呈120°在内壁上均布。

使用时，流体物料的流向如图8，图9、图10和图11所示：

被混合的流体物料自叶片的尖端一侧的右端进入，向左流动，自单元节筒体1的左 侧流出。尖端是与底面底面5相反的一端，弧面4与筒体1焊接。

在图11中，实线部分为叶片，虚线或点划线部分为圆管轮廓部分，箭头双划虚线 为流体物料在三叶片区域间的基本流动轨迹，被混合的流体物料从右侧进入混合器基本 单元节内后，被三个叶片(图中叶片垂直面3的作用)逐渐分隔开成相互不完全断流的 三个大致区域；由于叶片的弧形叶面2及偏斜转向安装，流体物料在轴向移动的同时， 受到叶片的导流作用，在每块叶片区域内形成向筒内壁方向的偏旋转向，“轴向移动” 与“向筒内壁方向的偏旋转向”的结合，使三个区域流体形成小螺旋涡流前行；当流体 在左侧离开叶片底面5后，各区域流开始汇合，并在原有各自的惯性流作用下使整体流 围绕轴心产生旋转前行流动。如此，继续进入下一混合器基本单元节内，继续着下一个 “逐渐分隔、旋转、汇合”的周期。根据设计需要，相邻基本单元节，或每隔两个基本 单元节，将叶片的旋向更改成反向，有利于混合。

实施例2：

在工程设计和具体实施过程，要把握以下方面：

(1)本发明创造静态混合器在使用中基本单元节为基础，每个(或每两个)单元节两 端加工有法兰，每个(或每组)混合单元间依靠法兰连接，相邻单元节或相邻混合单元 的叶片旋向可以改变成反向交错。

(2)根据需混合的流体主物料的特性和浓度，以及外混物料种类多少和混入量，来确 定叶片的大小。叶片的大小指图5中的“垂直面3的长度和弧面5的弧面长度”，两者长 度之比决定了“面4的长度”以及“面4与面3组成的夹角”(在叶片制作加工时也称为切 割角α)。其中“弧面5”弧长较佳范围为0.083～0.167倍的混合节圆筒周圆弧长；切割角 α在15°～30°之间。

(3)制作切割叶片时，保持切割面与管壁面间的垂直，切割成叶片后保证各面及各面 间组成的棱角平滑；三个叶片在管内壁相间120°等距均匀分布；叶片与管壁面焊接后， 保持滑净，无刺、角类点疤。叶片尖端与管壁“起始焊接接触联接角β”(见图12和图 13)为0°；叶片尖端与筒内壁点S，底面接触点为E点，S点与E点形成的γ角(见图 13)根据情况可变化，但γ≤60°。

(4)如果混合节圆筒直径较大，或者在单元节内希望对流体物分隔和旋转程度更进一 步提升，则可再在管内壁的三个叶片两两中间加焊三个小叶片(垂直面可短一些，这样 焊接时底面与大叶面在端面错开)，见图14。

实施例3

实验装置：为了通过实验测定本发明创造静态混合器效果，建立了如图15的实验 装置。图中4为被测静态混合器单元，每种混合器采用2个单元节。1为不锈钢水箱；2 为小型中浓浆泵；3为流量计；5为阀；6为压力表。主要测量流体物料经过混合单元的 压力降、流速变化与分布和挂浆情况。被测静态混合器单元采用两种，一种为本发明创 造混合器2个单元节；另外一种为标准型静态混合器——Kenics静态混合器2组混合单 元元件。材料为有机玻璃，定制加工。

实验目的：作两种混合器的压力、流速变化与分布以及挂浆情况三方面的对比。

实验条件：物料采用已打浆过的针叶木漂白浆料。分别测定清水(0％)、0.2％、0.5％、 1％、1.5％、2％、2.5％、3％八种条件下的流体物料经过两种混合器单元的压力降、流速 变化分布和挂浆情况。纸浆泵扬程为32m。

实验方法：压力降的测定依靠混合器单元两侧的压力表读数；流速分布的测定采用 高速摄像机，各种情况都加入微量的染色纤维；挂浆情况的测定采用流经20min后拆卸 后竖起再观察分析。

实验效果分析：

(1)两种混合器的压力降对比

清水(0％)和0.2％、0.5％浆料浓度时，两种混合器压力降基本一致；浓度超过0.5％ 时，压力降逐渐明显增大(呈正指数上升，判断纸浆显现非牛顿流体特性)，当达到3％ 时，本发明创造混合器比标准型低26％。

(2)两种混合器的流速变化与分布对比

清水(0％)和0.2％浆料浓度时，标准型混合器流速变化快、且局部湍流(小涡流) 范围大；而本发明创造混合器流速变化过渡相对平稳。浓度超过0.5％时，标准型混合 器速变化逐渐明显减小，局部湍流(小涡流)范围明显收敛，但在叶片平直板口入口处 使浆料流动的受阻明显增大；本发明创造混合器流速变化过渡相对平稳，浆料流动的阻 力极小，且使浆料流旋转作用更好。

(3)两种混合器的挂浆情况对比

清水(0％)和0.2％浆料浓度时，标准型混合器基本不挂浆；而本发明创造混合器 不挂浆。浓度超过0.5％时，标准型混合器挂浆越来越明显增加，浆浓达3％挂浆十分明 显；本发明创造未出现挂浆。

(4)两种混合器的混合效率对比

从另外制作的实验装置得出的结论：两种混合器的混合效率(果)对比基本相当。

以上结合附图对本发明的实施方式做出详细说明，但本发明不局限于所描述的实施 方式。对本领域的普通技术人员而言，在本发明的原理和技术思想的范围内，对这些实 施方式进行多种变化、修改、替换和变形仍落入本发明的保护范围内。