陳西鋒 陳曄

摘 要：為了提高聚丙烯腈纖維的合成質(zhì)量，從提高合成聚丙烯腈的三股物料混合均勻度出發(fā)，利用CFD技術(shù)進(jìn)行多相流流場(chǎng)的數(shù)值計(jì)算方法，探討SK型靜態(tài)混合器的元件結(jié)構(gòu)參數(shù)及元件數(shù)量對(duì)混合器管內(nèi)三股物料預(yù)混均勻度的影響，并分析相應(yīng)的壓力降變化等。結(jié)果表明：當(dāng)混合元件的寬度D=110 mm、長(zhǎng)寬比L/D=1、元件扭轉(zhuǎn)角α=270°時(shí)混合效率最高。為達(dá)到理想混合均勻度的目的，以優(yōu)化后的混合元件參數(shù)為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)一種新型靜態(tài)混合器并對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬，滿足要求時(shí)的新型混合器的總長(zhǎng)度約為傳統(tǒng)SK型靜態(tài)混合器長(zhǎng)度的1/2。新型靜態(tài)混合器的混合效率比傳統(tǒng)SK型靜態(tài)混合器約提高了50%，但壓力降損失也較大。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)混合器；聚丙烯腈纖維；混合均勻度；CFD技術(shù)；多相流

中圖分類號(hào)：TH122;TQ021.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2023）03-0001-11

基金項(xiàng)目：中石化安慶分公司技術(shù)開(kāi)發(fā)（委托）項(xiàng)目（32000000-21-ZC0607-0006）

作者簡(jiǎn)介：陳西鋒（1995—），男，安徽阜陽(yáng)人，碩士研究生，主要從事流體仿真方面的研究。

通信作者：陳曄，E-mail：chenye@njtech.edu.cn

隨著現(xiàn)代有機(jī)合成工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，中國(guó)的腈綸合成技術(shù)也在逐步提高［1］。聚丙烯腈纖維可以用來(lái)代替羊毛，或與羊毛混紡制成毛織物等，是重要的紡織原材料。其用途十分廣泛，它不僅用于日常生活中也用于軍事中［2-3］。隨著人們生活水平的提高，提高聚丙烯腈的合成質(zhì)量也迫在眉睫。目前，聚丙烯腈的合成主要在聚合釜內(nèi)完成，其合成的原材料通過(guò)不同進(jìn)料管輸入釜內(nèi)，為了提高釜內(nèi)聚丙烯腈的合成質(zhì)量就必須引入一個(gè)新型進(jìn)料系統(tǒng)（一種靜態(tài)混合器），使3種單體在進(jìn)入聚合釜前已達(dá)到充分混合。

目前用于液-液混合的靜態(tài)混合器主要有5種［4-5］，分別是SV型、SX型、SL型、SH型、SK型。不同的靜態(tài)混合器有著不同的特點(diǎn)，其中SK型靜態(tài)混合器混合效率較低于其他靜態(tài)混合器，但其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、便于維修、壓力降損失較小等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛使用［6］。目前許多學(xué)者對(duì)SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行了大量的研究，龔斌等［7］研究了混合元件長(zhǎng)徑比對(duì)混合器湍流流場(chǎng)的影響，研究表明長(zhǎng)徑比的減小將引起各方向流速波動(dòng)加劇，流體的湍動(dòng)程度增加，長(zhǎng)徑比由2降為1時(shí)湍動(dòng)能幅值約增加了4倍。Jiang等［8］研究了元件厚度對(duì)SK型靜態(tài)混合器壓降的影響，通過(guò)在牛頓流體及管內(nèi)流動(dòng)狀態(tài)為湍流的條件下得到了摩擦系數(shù)與雷諾數(shù)、元件長(zhǎng)寬比、自由截面積比的關(guān)系式，而自由截面積比與元件厚度有關(guān)，根據(jù)表達(dá)式從而得到元件厚度對(duì)靜態(tài)混合器壓降有較大的影響。Nyande等［9］對(duì)層流條件下低壓降SK型靜態(tài)混合器進(jìn)行CFD分析，研究結(jié)果表明當(dāng)SK型靜態(tài)混合器的相鄰混合元件的旋向不同且無(wú)間隙時(shí)，達(dá)到混合均勻度時(shí)的管道長(zhǎng)度最短，然而當(dāng)混合元件有間隙時(shí)其壓力降大大減小，但管道長(zhǎng)度也相應(yīng)地增加。Towoju等［10］用開(kāi)槽的混合元件對(duì)不同流體進(jìn)行混合，研究結(jié)果表明當(dāng)槽寬為0.2 mm且個(gè)數(shù)為2時(shí)混合效果達(dá)到最佳。Obed等［11］對(duì)SK型靜態(tài)混合器管道內(nèi)湍流強(qiáng)化傳熱進(jìn)行研究，研究表明SK型靜態(tài)混合器顯著提高了管內(nèi)的傳熱速率，摩擦系數(shù)也相應(yīng)增加。龔斌等［12］對(duì)混合元件個(gè)數(shù)對(duì)SK型靜態(tài)混合器流場(chǎng)特性的影響進(jìn)行了研究，結(jié)果表明在前3個(gè)混合元件中湍動(dòng)強(qiáng)化呈遞減趨勢(shì)，即湍動(dòng)逐漸增加，但增加速度逐漸減弱?？紤]到SK型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及壓力降損失小等特點(diǎn)，本文將在SK型靜態(tài)混合器的基礎(chǔ)上研究出一種新型的靜態(tài)混合器，并確定其相關(guān)的參數(shù)，以提高三股物料的預(yù)混效率。SK型靜態(tài)混合器是由一個(gè)管道及若干混合元件組合而成，其中混合元件有一定的扭轉(zhuǎn)角，相鄰元件間的偏轉(zhuǎn)角為90°［13］，其混合原理是流體經(jīng)過(guò)混合器時(shí)被內(nèi)部混合單元不斷切割，又由于混合元件具有一定的扭轉(zhuǎn)角度迫使流體方向不斷進(jìn)行改變，產(chǎn)生對(duì)流和渦旋的運(yùn)動(dòng)，被分割的流體又會(huì)在兩個(gè)單元間相交匯，如此重復(fù)運(yùn)動(dòng)使得流體混合均勻，這就是SK型靜態(tài)混合器的工作原理。如圖1為SK型靜態(tài)混合器模型圖。

物料的運(yùn)輸是在室溫下（18℃）進(jìn)行的，由于室溫的溫度較低并且與各相流體的溫度相差不大，因此室溫對(duì)各相流體的溫度影響較小，通?？梢院雎?，又由于各相物料溫度在30℃以下時(shí)發(fā)生聚合反應(yīng)較少，綜合以上可以忽略室溫對(duì)物料本身溫度、密度及黏度的影響，因此可以把各相流體看成各不相同的均質(zhì)流體，為其流場(chǎng)數(shù)值模擬提供了可行性。隨著計(jì)算流體力學(xué)技術(shù)（CFD）不斷成熟，為新型靜態(tài)混合器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了技術(shù)基礎(chǔ)［14-15］。

1 SK型靜態(tài)混合器相關(guān)結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化

1.1 三股物料的組成及其相關(guān)性質(zhì)

表1為各相物料的組成及其相關(guān)性質(zhì)。第一相流體為丙烯腈單體，第二相流體較為特殊，它是由丙烯腈單體、醋酸乙烯酯單體及水組合而成的，第三相流體為醋酸乙烯酯單體。由于各相流體的溫度較為特殊，所以不同流體對(duì)應(yīng)的黏度及密度數(shù)值無(wú)法直接獲取，而是通過(guò)密度計(jì)及流變儀進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)而獲得的。

1.2 混合器管徑的確定及進(jìn)料管的相關(guān)尺寸和位置

通過(guò)三根進(jìn)料管分別輸送三相流體至靜態(tài)混合器，由于進(jìn)料流量不大，相應(yīng)地第一、二、三相流體的進(jìn)料管直徑d1、d2、d3的值也不大，其值可以合理地確定，各進(jìn)料管圓心到靜態(tài)混合器的圓心距離分別為l1、l2、l3，進(jìn)料管長(zhǎng)度為l0，各進(jìn)料管圓心與混合器圓心間的夾角為120°，其相關(guān)的數(shù)據(jù)如表2所示。

1.3 計(jì)算域構(gòu)建及網(wǎng)格劃分

由于該計(jì)算模型較為簡(jiǎn)單，所以流體域可以直接在Design Modeler模塊上建立，先建立總的圓柱體流體域，然后通過(guò)Sweep操作建立混合元件，利用Boolen功能將圓柱體流體域作為目標(biāo)體而混合元件作為刀具進(jìn)行布爾操作，最終得到流體域，此流體域不需要簡(jiǎn)化因此更能反應(yīng)真實(shí)性，考慮到流體域的不規(guī)性，不能用六面體網(wǎng)格對(duì)流體域進(jìn)行劃分，于是選用四面體網(wǎng)格。網(wǎng)格劃分完成需要檢查網(wǎng)格質(zhì)量，主要包括網(wǎng)格質(zhì)量、歪斜率、正交質(zhì)量［16］，其中網(wǎng)格質(zhì)量和正交質(zhì)量均要大于0.95而歪斜率則要小于0.25，避免因網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題而造成的模擬誤差。

以下是對(duì)單混合元件靜態(tài)混合器進(jìn)行網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證，如圖2所示。從圖2中可以看出，當(dāng)計(jì)算區(qū)域的網(wǎng)格總數(shù)N由74842增大到134213時(shí)，進(jìn)料管1的入口壓力基本保持不變，這說(shuō)明當(dāng)網(wǎng)格數(shù)為74842時(shí)，網(wǎng)格精度已經(jīng)達(dá)到了計(jì)算所需要的要求。因此，將具有74842個(gè)網(wǎng)格數(shù)的模型用于單單元靜態(tài)混合器的數(shù)值模擬。由于本文所研究的模型較多，后續(xù)不同模型的網(wǎng)格數(shù)均由此方法確定。

1.4 多相流模型的選取及邊界條件的設(shè)置

當(dāng)前研究多相流的方法有歐拉-拉格朗日方法和歐拉-歐拉方法［17］，在Fluent中一共有以下3個(gè)歐拉-歐拉多相流模型，他們是VOF模型，混合模型，歐拉模型；其中VOF模型可以得到一種或多種互不相融流體間的交界面，而Mixture模型則是相對(duì)簡(jiǎn)化了的模型，相較于其他模型具有計(jì)算量較小的特點(diǎn)，歐拉模型是流體中最復(fù)雜的多相流模型，其計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確，但其計(jì)算的穩(wěn)定性較差。本文則選取Mixture模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

邊界條件選擇速度入口，根據(jù)1.1中各進(jìn)料管的大小及各相流體的流量，通過(guò)計(jì)算可得第一、二、三相流體的進(jìn)料流速v1、v2、v3分別為0.3、0.2、0.2 m/s，出口邊界條件設(shè)置成壓力出口，壁面定義為固定壁面，且滿足無(wú)滑移的條件。

1.5 SK型靜態(tài)混合器單單元結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)對(duì)混合均勻度的影響

1.5.1 靜態(tài)混合器管徑大小對(duì)物料混合均勻度的影響

SK型靜態(tài)混合器混合單元的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)有3種，即元件的寬度（混合元件的寬度與混合器內(nèi)徑相等）、元件的長(zhǎng)寬比及元件的扭轉(zhuǎn)角，本文所采用混合元件的厚度均為2 mm。由于各相流體的黏度都較低，為了能獲得較高的混合效率所以本文選擇流體流動(dòng)狀態(tài)為湍流，而管內(nèi)流體流動(dòng)狀態(tài)是否為湍流則取決于管徑大小d及混合器管入口表觀流速v所決定的，湍流的判別方法用雷諾數(shù)Re判斷，當(dāng)Re>4000時(shí)為湍流狀態(tài)，其表達(dá)式如式（1）［18］：

式中：ρ代表流體的密度；d代表混合器圓管的直徑；v代表流體的表觀流速；η則代表流體的黏度。

根據(jù)式（1），在滿足混合器內(nèi)混合狀態(tài)為湍流的條件下，分別選取4種不同的混合器管內(nèi)徑D1=110 mm，D2=126 mm，D3=142 mm，D4=150 mm，采用控制變量的方法，控制混合器長(zhǎng)徑比L/D=1，混合元件單元扭轉(zhuǎn)角度α=180°，分別建立對(duì)應(yīng)的流體域后進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。

由于是對(duì)單單元靜態(tài)混合器進(jìn)行數(shù)值模擬，其混合均勻度較差，很難用一種評(píng)價(jià)指標(biāo)來(lái)判斷混合效率，所以本文將會(huì)從多個(gè)方面綜合評(píng)價(jià)其混合均勻度。第一種評(píng)價(jià)指標(biāo)為出口截面處各相體積分?jǐn)?shù)數(shù)值與理論混合均勻度的各相體積分?jǐn)?shù)數(shù)值之間的偏差，第二種評(píng)價(jià)指標(biāo)為出口處截面平均密度值的變化，第三種評(píng)價(jià)指標(biāo)為觀察靜態(tài)混合器出口截面處各相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。如不能通過(guò)其中一種指標(biāo)判斷，則需要通過(guò)多種指標(biāo)綜合比較，可以更為準(zhǔn)確地判斷流體的混合效率。如圖3為不同管徑下的SK型靜態(tài)混合器出口截面處各相體積分?jǐn)?shù)平均值及各相混合均勻時(shí)的理論值線圖，圖4為不同管徑下的SK型靜態(tài)混合器出口截面處第一相體積分?jǐn)?shù)分布云圖。從圖3可以明顯地看出當(dāng)管徑大小為150 mm時(shí)，其各相體積分?jǐn)?shù)平均值與其理論值偏差最大，表明了其混合效率最差，而其他3個(gè)不同管徑大小對(duì)混合效率的影響從圖3很難判斷。結(jié)合圖4比較第一相流體體積分?jǐn)?shù)大于0.9的面積大小，其面積越大表明混合效率越差，從圖4中可以明顯地觀察到第一相流體體積分?jǐn)?shù)大于0.9的面積隨著管徑的增大而增大，表明其混合效率逐漸變差，又由于第一相流體的密度明顯低于其他兩相，則混合器出口橫截面平均流體密度將逐漸減小，這也符合圖5中混合器出口截面平均密度隨著混合器管徑的增加而逐漸減小的規(guī)律。綜合比較兩圖可得到當(dāng)混合器的管徑增大時(shí)，對(duì)應(yīng)的混合效率下降。

1.5.2 靜態(tài)混合器元件長(zhǎng)寬比對(duì)物料混合均勻度的影響

分別選取常用的SK型靜態(tài)混合器混合元件長(zhǎng)寬比L/D（即混合單元元件的長(zhǎng)度與其寬度之比）為1.0、1.3、1.5。其中混合器的內(nèi)徑d選取110 mm，單元扭轉(zhuǎn)角度α取180°，建立相對(duì)應(yīng)的流體域后分別進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。同理從圖6中明顯看出各相體積分?jǐn)?shù)平均值與理論平均值偏差最大，表明當(dāng)L/D=1.5時(shí)其混合效率最差，從圖7中也只能明顯地判斷出當(dāng)L/D=1.5時(shí)其混合效率最差且不能判斷出其他兩個(gè)長(zhǎng)寬比對(duì)混合效率的影響，因此需要增加元件的數(shù)量，當(dāng)元件的數(shù)量為3個(gè)時(shí)，比較出口處第一相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，由圖8可以明顯地看出當(dāng)混合元件長(zhǎng)寬比為1時(shí)要大于長(zhǎng)寬比為1.3時(shí)的混合效率。由于元件長(zhǎng)寬比的減小將引起各方向流速波動(dòng)加劇，當(dāng)流體的湍動(dòng)程度增加［8］，有利于流體的混合。所以混合器元件長(zhǎng)寬比的減小將提高流體的混合效率。綜合以上，當(dāng)混合元件長(zhǎng)寬比增加時(shí)，其混合效率隨之降低。

1.5.3 靜態(tài)混合器元件扭轉(zhuǎn)角α對(duì)物料混合均勻度的影響

元件的扭轉(zhuǎn)角即為一平板件的底邊相對(duì)于頂邊所扭轉(zhuǎn)過(guò)的角度，根據(jù)旋向的不同可以分為左旋和右旋，如圖9所示為不同扭轉(zhuǎn)角的混合元件。為了探究混合元件扭轉(zhuǎn)角α對(duì)混合效率的影響，分別選取常用的扭轉(zhuǎn)角α=90°、α=180°、α=270°，通過(guò)分別進(jìn)行數(shù)值模擬試驗(yàn)，探討不同單元扭轉(zhuǎn)角度對(duì)混合器的混合效率的影響。根據(jù)圖10可以看出當(dāng)扭轉(zhuǎn)角增大時(shí)，第一相體積分?jǐn)?shù)值大于0.9的面積逐漸減少，表明混合效率逐漸提高。綜合以上，當(dāng)混合元件扭轉(zhuǎn)角α增大時(shí)，其混合效率也在變大。

1.6 混合元件相關(guān)參數(shù)的優(yōu)化

根據(jù)上述的單因素試驗(yàn)的研究及結(jié)論，采用正交實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)混合元件相關(guān)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，正交試驗(yàn)探討的影響因素為混合器管徑、混合元件長(zhǎng)寬比、混合元件扭轉(zhuǎn)角。因素水平編碼如表3所示。

利用Design-Expert軟件設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)表并進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，以各影響因素取值為自變量，以混合器出口處截面各相體積分?jǐn)?shù)平均值為評(píng)價(jià)指標(biāo)。正交試驗(yàn)結(jié)果如表4所示，以單單元靜態(tài)混合器出口截面處第一相平均體積分?jǐn)?shù)值0.76760000、第二相平均體積分?jǐn)?shù)值0.16710000、第三相平均體積分?jǐn)?shù)值006527000為目標(biāo)（數(shù)值分別為第一、二、三相體積分?jǐn)?shù)理論值）利用軟件Design-Expert中Optimization-Numerical-Solutions得到相對(duì)應(yīng)的最佳單元尺寸，其中混合器直徑為110 mm，混合元件長(zhǎng)寬比為1，元件扭轉(zhuǎn)角為270°。與單因素試驗(yàn)中得到的最優(yōu)尺寸值一致。

1.7 混合元件個(gè)數(shù)的確定

由于SK型靜態(tài)混合器第一個(gè)混合元件對(duì)整個(gè)混合器的混合效率影響甚大，而第一個(gè)混合元件的相關(guān)參數(shù)已經(jīng)確定，所以靜態(tài)混合器的其他混合元件的參數(shù)選擇與第一個(gè)混合元件的參數(shù)保持一致。為了提高元件的混合效率，使相鄰元件的扭轉(zhuǎn)角度相同但旋向不同，并且相鄰元件間的偏轉(zhuǎn)角為90°。分別取混合元件個(gè)數(shù)n=4、5、6進(jìn)行數(shù)值模擬，提取混合器截面出口處各相體積分?jǐn)?shù)云圖，如圖11所示（從左至右分別為一、二、三相積分?jǐn)?shù)云圖）。

從圖11中可以明顯地發(fā)現(xiàn)流體的混合均勻度隨著元件個(gè)數(shù)的增加而提高，當(dāng)混合元件個(gè)數(shù)為6時(shí)，流體混合已較為均勻，當(dāng)n=6時(shí)，分別隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，提取每個(gè)點(diǎn)的第1、2、3相體積分?jǐn)?shù)，如圖12為不同隨機(jī)點(diǎn)的各相體積分?jǐn)?shù)數(shù)值對(duì)應(yīng)的點(diǎn)線圖。從圖12中可以看出不同隨機(jī)點(diǎn)對(duì)應(yīng)同一相的體積分?jǐn)?shù)數(shù)值變化不大，都在理論值附近，證明混合效果較好，通過(guò)計(jì)算得到第一、二、三相體積分?jǐn)?shù)值與理論值最大偏差僅為0.18%、180%、370%，最大偏差值都小于5%，表明混合均勻度已經(jīng)達(dá)到期望，此時(shí)混合器的長(zhǎng)度為660 mm。圖13為不同混合元件個(gè)數(shù)的進(jìn)出口壓力降線圖，從圖13中可以看出隨著混合元件個(gè)數(shù)的增加，其進(jìn)出口壓力降也增大，這表明增加混合元件的個(gè)數(shù)也增加了能量的消耗。

2 新型靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

2.1 新型靜態(tài)混合器模型簡(jiǎn)介

秉承著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)原則，新型靜態(tài)混合器由SK型靜態(tài)混合器改進(jìn)而成的，其模型圖如圖14所示，其中第一部分是傳統(tǒng)SK型靜態(tài)混合器單單元結(jié)構(gòu)部分，與1.6節(jié)所確定的單單元靜態(tài)混合器相關(guān)尺寸一致。第二部分為直徑為110 mm高為10 mm且底部設(shè)有倒直角的形體（兩邊的倒角距離都為10 mm），這一部分主要是自由混合區(qū)域，流體在離開(kāi)第一個(gè)混合元件時(shí)利用動(dòng)能進(jìn)行自由混合，開(kāi)有倒角是為了增加橫向混合動(dòng)能，使得混合更加充分。第三部分是連接自由混合區(qū)域的混合器，根據(jù)上文可知混合器管徑較小時(shí)有利于混合，所以此部分的混合元件的寬度選取為44 mm，使其明顯小于第一個(gè)混合元件的寬度。為保證混合效率，長(zhǎng)寬比和元件扭轉(zhuǎn)角與上文優(yōu)化結(jié)果一致，相鄰元件的偏轉(zhuǎn)角為90°并且元件的旋向各不相同。

2.2 數(shù)值模擬結(jié)果及分析

2.2.1 混合元件個(gè)數(shù)的確定

混合元件個(gè)數(shù)的確定方法與上文一致，分別取混合元件個(gè)數(shù)為4、5時(shí)，提取不同混合元件個(gè)數(shù)下的各相體積分?jǐn)?shù)分布云圖，如圖15所示。從圖15中可以看出當(dāng)混合元件個(gè)數(shù)為5時(shí)流體已達(dá)到混合均勻，同樣分別在各相體積分?jǐn)?shù)云圖中隨機(jī)選取10個(gè)點(diǎn)，提取不同點(diǎn)對(duì)應(yīng)的各相體積分?jǐn)?shù)數(shù)值，通過(guò)計(jì)算后得到各相體積分?jǐn)?shù)與理論體積分?jǐn)?shù)的偏差均小于5%，其混合均勻度已達(dá)到要求。如圖16為新型靜態(tài)混合器的軸截面湍動(dòng)能云圖，從圖16中可以明顯地發(fā)現(xiàn)在混合器管徑較小的那一部分其湍動(dòng)能較大，流體在此部分產(chǎn)生強(qiáng)烈的混合。如圖17為不同混合元件個(gè)數(shù)對(duì)應(yīng)的進(jìn)出口壓力降，結(jié)果表明新型靜態(tài)混合器的壓力降也隨著混合元件的個(gè)數(shù)增加而增大，與傳統(tǒng)SK型靜態(tài)混合器相比其壓力降較大，表明能耗損失較大，但其混合效率大大提高。新型靜態(tài)混合器的總長(zhǎng)度為340 mm，其長(zhǎng)度約為SK型靜態(tài)混合器的一半，大大地減少了混合器材料用量。無(wú)論是傳統(tǒng)靜態(tài)混合器還是新型靜態(tài)混合器，伴隨著混合效率提高的同時(shí)壓力降的損失也在增大，但相比于其他類型的靜態(tài)混合器其壓力降損失是相對(duì)較小的。

2.2.2 具有較高混合效率的位置判斷

為了進(jìn)一步探究流體的高混合效率主要存在于哪部分，分別在自由混區(qū)底部及第二、三、四個(gè)混合元件底部設(shè)置橫截面，依次提取各橫截面處的流體速度矢量圖，如圖18所示。從流形可以看出，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)自由混合區(qū)時(shí)，其混合效率并不高，但當(dāng)流體經(jīng)過(guò)第二個(gè)混合元件之后，流體的混合效率大大提高，從圖18中第2部分可以看出大量的流體速度方向趨向于垂直混合器管壁，當(dāng)流體碰到管壁時(shí)，其速度方向?qū)?huì)改變，因而能產(chǎn)生更強(qiáng)的混合反應(yīng)。而當(dāng)流體經(jīng)過(guò)第三個(gè)混合元件底部時(shí)，流體的混合效率明顯地降低，從圖18中可以看出雖然存在兩個(gè)有利于混合的小渦流，但從整體上流體接近于做周向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，減弱了混合效果。同理，當(dāng)流體經(jīng)過(guò)第四個(gè)混合元件底部時(shí)，其混合效率更低。根據(jù)以上可以知道流體在經(jīng)過(guò)第二、三個(gè)混合元件時(shí)，流體具有較高的混合效率，但此時(shí)并未達(dá)到要求的混合均勻度，要想達(dá)到混合均勻度就需要再增加混合元件來(lái)達(dá)到目的。

3 結(jié) 論

本文首先對(duì)SK型靜態(tài)混合器單單元結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確定了最優(yōu)單元寬度D（等于混合器管徑）、元件長(zhǎng)寬比L/D、元件扭轉(zhuǎn)角α，并確定了混合元件的數(shù)量，在此基礎(chǔ)上確定了新型靜態(tài)混合器的相關(guān)參數(shù)，得到的主要結(jié)論如下：

a）SK型靜態(tài)混合器單單元最優(yōu)尺寸中單元寬度D=110 mm、元件長(zhǎng)寬比L/D=1、元件扭轉(zhuǎn)角α=270°，隨著混合元件的個(gè)數(shù)增加，其混合均勻度也在增加但壓力降也在增加，流體達(dá)到理想混合均勻度時(shí)的元件個(gè)數(shù)n=6。

b）新型靜態(tài)混合器相比于傳統(tǒng)SK型靜態(tài)混合器有較高的混合效率，達(dá)到理想混合均勻度時(shí)的混合器總長(zhǎng)度約為SK型靜態(tài)混合器的1/2，大大節(jié)省了材料的利用。新型靜態(tài)混合器內(nèi)管內(nèi)直徑較小的部分其湍動(dòng)能較大，有利于流體的混合但壓力降損失較大，增加了能量的消耗。

參考文獻(xiàn)：

［1］李青山，沈新元.腈綸生產(chǎn)工學(xué)［M］.北京：中國(guó)紡織出版社，2000.

LI Qingshan， SHEN Xinyuan. Acrylic Production Enginee-ring［M］. Beijing： China Textile Publishing House， 2000.

［2］康魯浩，王成國(guó)，井敏，等.碳纖維用聚丙烯腈合成工藝研究進(jìn)展［J］.能源化工，2015，36（1）：67-72.

KANG Luhao， WANG Chengguo， JING Min， et al. Research progress on polyacrylonitrile synthesis process for carbon fiber［J］. Energy Chemical Industry， 2015， 36（1）： 67-72.

［3］賀福，趙建國(guó)，王潤(rùn)娥.碳纖維工業(yè)的長(zhǎng)足發(fā)展［J］.高科技纖維與應(yīng)用，2000，25（4）：9-13.

HE Fu， ZHAO Jianguo， WANG Run'e. The rapid develop-ment of the carbon fiber industry［J］. Hi-Tech Fiber and Application， 2000， 25（4）： 9-13.

［4］吳德榮.化工裝置工藝設(shè)計(jì)［M］.上海：華東理工大學(xué)出版社，2014.

WU Derong. Process Design of Chemical Plants［M］. Shanghai： East China University of Science and Technology Press， 2014.

［5］吳英樺.粘性流體混合及設(shè)備［M］.北京：中國(guó)輕工業(yè)出版社，1993.

WU Yinghua. Viscous Fluid Mixing and Equipment［M］. Beijing： China Light Industry Press， 1993.

［6］姬宜朋.旋轉(zhuǎn)式Kenics型混合器混合性能及流動(dòng)特性研究［D］.北京：北京化工大學(xué)，2005.

JI Yipeng. Study on Mixing Performance and Flow Characteristics of Rotary Kenics Mixer［D］. Beijing： Beijing University of Chemical Technology， 2005.

［7］龔斌，包忠平，黃娜，等.元件長(zhǎng)徑比對(duì)SK型靜態(tài)混合器湍流流場(chǎng)的影響［J］.石油化工高等學(xué)校學(xué)報(bào)，2009，22（1）：65-68.

GONG Bin， BAO Zhongping， HUANG Na， et al. The effect of component length-to-diameter ratio on the turbulent flow field of SK type static mixers［J］. Journal of Petrochemical Universities， 2009， 22（1）： 65-68.

［8］JIANG X G， XIAO Z D， JIANG J A， et al. Effect of element thickness on the pressure drop in the Kenics static mixer［J］. Chemical Engineering Journal，2021，424.

［9］NYANDE B W， MATHEW T K， RICHARD L. CFD analysis of a kenics static mixer with a low pressure drop under laminar flow conditions［J］. Industrial & Engineering Chemistry Research， 2021， 60（14）： 5264-5277.

［10］TOWOJU O A， ISHOLA F A. Performance characte-rization of a kenics static mixer using slotted elements［J］. IOP Conference Series： Materials Science and Engineering， 2021， 1107（1）： 1-8.

［11］OBED Y W A， JKIZITO J P. Turbulent heat transfer enhancement in an axially rotating pipe fitted with kenics segment mixer［J］. Results in Engineering， 2020， 7： 1-7.

［12］龔斌，包忠平，張春梅，等.混合元件數(shù)對(duì)SK型靜態(tài)混合器流場(chǎng)特性的影響［J］.化工學(xué)報(bào)，2009，60（8）：1974-1980.

GONG Bin， BAO Zhongping， ZHANG Chunmei， et al. The influence of the number of mixing elements on the flow field characteristics of the SK type static mixer［J］. CIESC Journal， 2009， 60（8）： 1974-1980.

［13］裴凱凱.SK型靜態(tài)混合器摩阻系數(shù)與混合效果的模擬研究［J］.化工與醫(yī)藥工程，2021，42（2）：7-13.

PEI Kaikai. Simulation study on friction coefficient and mixing effect of SK type static mixer［J］. Chemical and Pharmaceutical Engineering， 2021， 42（2）： 7-13.

［14］張春梅.SK型靜態(tài)混合器流動(dòng)特性研究［D］.天津：天津大學(xué)，2009.

ZHANG Chunmei. Study on the Flow Characteristics of SK Type Static Mixer［D］. Tianjin： Tianjin University， 2009.

［15］朱紅鈞.流體分析及工程仿真［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2011.

ZHU Hongjun. Fluid Analysis and Engineering Simulation［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2011.

［16］胡坤.計(jì)算流體力學(xué)基礎(chǔ)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2019.

HU Kun. Computational Fluid Dynamics Fundamentals and Applications［M］. Beijing： Mechanical Industry Press， 2019.

［17］王瑞金.Fluent技術(shù)基礎(chǔ)及應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2007.

WANG Ruijin. Fluent Technology Basics and Application Examples［M］. Beijing： Tsinghua University Press， 2007.

［18］吳平，邱紅梅，徐美.當(dāng)代大學(xué)物理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2020.

WU Ping， QIU Hongmei， XU Mei. Contemporary Univer-sity Physics［M］. Beijing： Mechanical Industry Press， 2020.

Abstract： China's demand for polyacrylonitrile fibers is increasing year by year， so the synthetic quality of polyacrylonitrile is also increasingly high. The synthesis process of polyacrylonitrile is made of three different materials through three feed pipes into the polymerization kettle for polymerization reaction. In the production process， "scarring" and poor molecular quality of polyacrylonitrile often occur at the bottom of the feed pipe. The reason for the formation of "scarring" phenomenon is that when the temperature of the monomer near the bottom of the feed pipe rises suddenly in the process of pipeline transportation， more self-polymerization reactions occur on the monomer， and the self-polymerization products will be attached to the bottom of the pipe. Over timem the "scarring" phenomenon appears at the bottom of the feed pipe， which will lead to the blocking of the bottom of the feed pipe in serious cases， resulting in great economic losses. Due to the polymerization of the three strands before entering the polymerization kettle， the synthesis quality of polyacrylonitrile will be poor.

In order to improve the synthetic quality of polyacrylonitrile fibers， the feeding system will be redesigned. In order to improve the mixing uniformity of three strands of polyacrylonitrile， a static mixer of SK type was introduced into the feeding system. The numerical calculation method of multiphase flow field was carried out by CFD technology. The influence of relevant structural parameters of the elements of SK type static mixer and the number of elements on the premixed uniformity of three strands of materials in the mixer tube was discussed， and the corresponding pressure drop was analyzed. The related dimensions of the optimal mixing effect of the mixing elements were obtained by orthogonal test. A new static mixer was designed based on the optimized parameters of the mixing elements for the purpose of achieving the ideal mixing uniformity. The new static mixer was mainly composed of two sections with different diameters. It is found that the mixing efficiency is the best when the width D is 110， the aspect ratio L/D is 1， and the torsion angle of the component α is 270°， and the ideal mixing uniformity is reached when the number of elements N is equal to 6. In the new static mixer， the size of the first mixing element is optimized， the width of the mixing element D in the 44mm pipe section is 44mm， and other parameters are unchanged. After numerical calculation and analysis， when the number of mixing elements is 5， the mixing uniformity of the fluid reaches the ideal value. The total length of the designed new static mixer is about 1/2 of the length of the traditional SK type static mixer， and the mixing efficiency is also about 50% higher. However， with the improvement of the mixing efficiency， the pressure drop at the inlet and outlet of the mixer is significantly increased， and the pressure drop loss is increased.

Both the traditional static mixer and the new static mixer can fully mix the materials. The difference is that when the traditional static mixer reaches the mixing uniformity， its length is longer and the pressure drop is smaller， while the new static mixer has shorter length and the pressure drop is larger. The new static mixer can be used in situations where the length of the mixer is required but the pressure drop is not high. The research results provide reference for the design and development of static mixer.

Keywords： static mixer; polyacrylonitrile fiber; mixing uniformity; CFD technology; multiphase flow; pressure drop