周紀(jì)敏

(上海市三鼎工程咨詢有限公司,上海 200030)

化工流程中常常運(yùn)用多種混合設(shè)備如攪拌器、攪拌桶、混合器等,以達(dá)到物料多種狀態(tài)下的充分混合,或不同相態(tài)的混合,或同種相態(tài)的反應(yīng)。其中,靜態(tài)混合器體積小、安裝簡單、混合效果好且結(jié)構(gòu)簡單、易于維護(hù),因此被廣泛應(yīng)用于化工、醫(yī)藥、食品、污水處理等領(lǐng)域。

靜態(tài)混合器是一種沒有運(yùn)動部件、不需要能耗的高效混合設(shè)備,其基本的工作機(jī)理是利用固定在管內(nèi)的混合單元體,改變流體在管內(nèi)的流動狀態(tài),即依靠流體自身的能量流動沖擊內(nèi)部的靜止元件,增加流體的層流運(yùn)動的速度梯度,或使流體形成湍流,以達(dá)到不同流體之間良好分散和充分混合的目的,是一種應(yīng)用于物料混合過程的重要工具,如圖1所示,具有適用范圍廣、混合均勻、成本較低、維護(hù)要求低、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn),越來越廣泛地應(yīng)用于各種工藝流程[1]。

圖1 商用混合器外形圖

靜態(tài)混合器可用于液-液、液-氣、液-固、氣-氣的混合以及乳化、中和、吸收、萃取、反應(yīng)和強(qiáng)化傳熱等工藝過程,可以在很寬的流體黏度范圍(約10 mPa·s)內(nèi)和不同的流型(層流、過渡流、湍流、完全湍流)狀態(tài)下應(yīng)用,既可間歇操作,也可連續(xù)操作。同時可以根據(jù)物料的物性和混合要求進(jìn)行定制,且容易直接放大。

甲基丙烯酸甲酯(MMA)是含C=C雙鍵和羰基的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的單體,由甲基丙烯酸甲酯制得的聚合物顯示了極好的透明性、機(jī)械強(qiáng)度和耐老化性。它主要用于生產(chǎn)有機(jī)玻璃及有機(jī)玻璃模塑料,還可用于生產(chǎn)工程塑料產(chǎn)品及作溶劑、膠黏劑、PVC改性劑等。從而,市場對MMA 的需求量只增不減。為了提高經(jīng)濟(jì)效益,進(jìn)一步提高M(jìn)MA的生產(chǎn)效率、優(yōu)化生產(chǎn)流程,靜態(tài)混合器發(fā)揮了良好的作用。

本文通過模擬計(jì)算的方法,對酰胺化反應(yīng)中硫酸管道靜態(tài)混合器的應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 靜態(tài)混合器在MMA裝置的應(yīng)用

MMA裝置的ACH 反應(yīng)單元、酰胺化反應(yīng)單元、萃取及精餾單元都應(yīng)用了管道靜態(tài)混合器,都有良好的效果。同時,由于管道靜態(tài)混合器的尺寸較小,流體在混合器內(nèi)的停留時間較短,也減少了流體的泄漏和浪費(fèi)。

1.1 粗ACH管道靜態(tài)混合器

在ACH反應(yīng)單元中,為阻止反應(yīng)器出料線中的ACH在高溫下分解,加入少量的濃硫酸,通過靜態(tài)混合器進(jìn)行液-液流體充分混合,保持粗ACH物流在一定的酸度范圍,從而保證了粗ACH的含量,提高了ACH在下游的提純率。

1.2 硫酸管道靜態(tài)混合器

在酰胺化反應(yīng)單元中,ACH與H2SO4的放熱反應(yīng)形成一個中間酰胺,為提高反應(yīng)效率,同時保證反應(yīng)安全,運(yùn)用泵、冷凝器、靜態(tài)混合器和混合反應(yīng)器,形成一個取熱回路。此時,靜態(tài)混合器不僅僅是一個混合設(shè)備,而是一臺管道式反應(yīng)器,將少量阻聚劑、濃硫酸、ACH和中間酰胺物流足夠混合、接觸,提高反應(yīng)能力,最大程度提高了ACH的生產(chǎn)效用。酰胺化反應(yīng)中,物料組成復(fù)雜、物性多樣、常常出現(xiàn)局部過熱、自聚或結(jié)晶的現(xiàn)象,導(dǎo)致管道堵塞、泄漏、流速不均、反應(yīng)能力受阻等問題。應(yīng)用靜態(tài)混合器,大大改進(jìn)了以上現(xiàn)象。

1.3 MMA管道靜態(tài)混合器

在萃取及精餾單元中,粗MMA與萃取塔和丙酮分離塔塔底產(chǎn)物、阻聚劑、水,通過靜態(tài)混合器混合后,分離水相和有機(jī)相,大大提高了分離率。

2 管道靜態(tài)混合器的工作原理

靜態(tài)混合器是一種用于將兩種或多種物料混合在一起的裝置,它通常是由一組靜止的、相同或者不同形狀的單元相連組成。物料的混合過程基于物料在裝置中的流動和剪切力,使用流體動力學(xué)和物理原理來實(shí)現(xiàn)混合。當(dāng)兩種或多種物質(zhì)通過混合器時,它們會在混合器內(nèi)部形成交錯的流層,并且由于流體的不同運(yùn)動狀態(tài),會產(chǎn)生剪切力和切向應(yīng)力,從而促進(jìn)物料的充分混合[2]。

靜態(tài)混合器有許多不同的設(shè)計(jì),通常有阻力板、障礙物、細(xì)長的通道的基本元素。當(dāng)物料通過靜態(tài)混合器時,它們必須沿著固定的路徑流動,這是由混合器內(nèi)的構(gòu)造決定的。這些路徑通常是彎曲的、交錯的或細(xì)長的,如圖2所示。在這些路徑中,流體會發(fā)生各種運(yùn)動狀態(tài),包括旋轉(zhuǎn)、剪切和折疊。這些運(yùn)動狀態(tài)產(chǎn)生的力量和應(yīng)力能夠有效地將物質(zhì)混合在一起。

圖2 靜態(tài)混合器結(jié)構(gòu)外觀圖

3 管道靜態(tài)混合器的選型

3.1 類型

靜態(tài)混合器的靜態(tài)混合單元結(jié)構(gòu)不同,所產(chǎn)生的流體流動形態(tài)及性能也不同,如圖3所示。可分為SV型、SX型、SL型、SH型和SK型五種類型,其中SV型、SX型、SK型應(yīng)用最為廣泛,見表1。在選擇時應(yīng)考慮流體特征、要求的混合程度、壓力降、直徑、長度、剪切率、流體停留時間、滯留體積以及傳熱、傳質(zhì)等因素;另外還要考慮工藝生產(chǎn)中的可靠性、設(shè)備成本、操作費(fèi)用和清洗能力等。

表1 五類靜態(tài)混合器性能對比表

圖3 靜態(tài)混合器內(nèi)部流體流動形態(tài)圖

②ΔP——單位長度靜態(tài)混合器壓力降,Pa;

③比較條件是相同介質(zhì)、長度(混合設(shè)備)、規(guī)格相同或相近,不考慮壓力降的情況下,流速取0.15～0.6 m/s時與空管比較的強(qiáng)化倍數(shù);

④18.6倍是指dh≥5時的△P,23.5倍是指dh<5時的ΔP。

3.1.1 SK型

SK型內(nèi)部混合單元成螺旋狀,單元與單元之間成90°焊接而成,此系列的混合器適合于混合要求不高的場合,優(yōu)點(diǎn)是:內(nèi)部空間比較大,適合物料中有固體顆粒的物料和黏度比較大的物料,此設(shè)備流通性好,不易堵塞[3]。

3.1.2 SV型

SV型靜態(tài)混合器,此系列混合器混合精度高,但對物料比較苛刻,不適合高黏度和物料中含固體顆粒的物料?；旌闲阅苓h(yuǎn)遠(yuǎn)高于SK型和SX型,但如物料中含顆粒狀固體,設(shè)備易堵塞。

3.1.3 SX型

SX型混合器混合效果介于SK和SV之間,混合性能高于SK型,適合一般黏度的物料,物料中允許帶有少量的固體顆粒,流通性一般。

SX型單元采用相互交叉90°的單元片焊接而成,焊后進(jìn)行酸洗鈍化處理,組成時相鄰兩單元90°交叉[4],如圖4所示。通過增加不同流體之間的接觸面積和接觸時間來增強(qiáng)分子擴(kuò)散,實(shí)現(xiàn)混沌對流效果;同時,流體流經(jīng)每一個單元片,流向都會改變,重定向功能很明顯,流體受到切割,混合效率更高[5]。適用于黏度≤104mPa·s的中高黏液-液混合以及反應(yīng)吸收過程或生產(chǎn)高聚物流體的混合,反應(yīng)過程,處理量較大時使用效果更佳。

1-單元片一;2-單元片二;3-單元片三;4-單元片四;5-單元片五;6-單元片六;7-單元片七;8-單元片八;9-單元片九;10-單元片十。

3.2 含硫酸管道靜態(tài)混合器的選型

3.2.1 物性和混合要求

根據(jù)流體物性情況,選擇合適的流體流型,從而進(jìn)一步確定靜態(tài)混合器的形式。

對于中、高黏度的流體,混合、傳熱、慢化學(xué)反應(yīng)等過程,適宜層流條件下操作,一般流體速度(以空管徑計(jì)算的流速)0.1～0.3 m/s。

對于低、中黏度的流體,混合、萃取、傳熱、中速反應(yīng)等過程,適宜過渡流或湍流條件下操作,一般流體速度0.3～0.8 m/s。

對于低黏度、難混合的流體,混合、乳化、快速反應(yīng)等過程,適宜湍流條件下操作,一般流速0.8～1.2 m/s。

對于氣-氣、氣-液流體的混合以及萃取、強(qiáng)化傳熱等過程,適宜完全湍流條件下操作,氣體速度可在1.2～14 m/s。

3.2.2 MMA裝置硫酸管道靜態(tài)混合器

MMA裝置酰胺化反應(yīng)中,含硫酸管道靜態(tài)混合器(下稱硫酸在線混合器)是液-液流體混合。其進(jìn)料黏度103～114.3 CP、物料復(fù)雜,含有99.03%的硫酸、少量聚合物、微量固體等,混合難度大,對混合效果要求高。適宜于湍流條件下操作,流體速度范圍為0.8～1.2 m/s。選擇SX型靜態(tài)混合器起到了良好的混合作用,促進(jìn)了物流的充分接觸和反應(yīng),也提高了下游反應(yīng)器的反應(yīng)效率。

3.2.3 硫酸在線混合器的安裝流程

酰胺化反應(yīng)回路系統(tǒng)中,混合反應(yīng)器產(chǎn)物通過硫酸在線混合器,注入混有阻聚劑的濃硫酸,注入形式以噴射為佳,在物流流速和混合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用下,形成湍流,使物流充分混合,提高下游混合反應(yīng)器的噴射效果[6],見圖5。

圖5 硫酸在線混合器流程圖

3.2.4 硫酸在線混合器的規(guī)格選定

硫酸在線混合器的進(jìn)料數(shù)據(jù)見表2。N1進(jìn)料輸送壓力0.53 MPa(G),輸送管道內(nèi)徑DN300 mm;N2進(jìn)料輸送壓力0.4 MPa(G),混合器允許壓力降50.0 kPa。

表2 硫酸在線混合器進(jìn)料物理性質(zhì)

硫酸在線混合器的進(jìn)料流量大,硫酸在線混合器的口徑暫按DN400選擇,核算壓力降。流速:

流速在選擇范圍內(nèi)。

查HG/T 20570—95 2.0.1/2.0.2,JBT 7660—2016表4,初選長度L=2 000 mm;水力直徑dh=100 mm;設(shè)計(jì)壓力1.0 MPa(G),該靜態(tài)混合器型號暫定為:SX-100/400-1.0-2000。

雷諾數(shù):

式中:ReE——雷諾數(shù);

dh——水力直徑,m;

ρc——連續(xù)相流體密度,kg/m3;

u——混合流體流速(以空管內(nèi)徑計(jì)),m/s;

μ——工作條件下連續(xù)相黏度,Pa·s;

ε——靜態(tài)混合器空隙率。

70

查HG/T 20570—95 表2.0.3-1f=22.3ReE-0.194

壓力降:

式中:f——摩擦系數(shù);

L——靜態(tài)混合器長度,m。

ΔP>50 kPa,壓力降較大。

由于混合體積比相差較大,初選長度下流型不合適且壓力降較大?？梢?相同物料進(jìn)料狀態(tài)下,靜態(tài)混合器長度大小影響壓力降[7],見表3。減小長徑比使壓力降ΔP>50 kPa。最終選用 SX-100/400-1.0-800。

表3 靜態(tài)混合器長度與壓力降的關(guān)系

3.2.5 硫酸在線混合器的流體力學(xué)特性

酰胺化反應(yīng)回路系統(tǒng)中,通過調(diào)節(jié)進(jìn)料流量來控制硫酸在線混合器出料的溫度和壓力值。物料通過靜態(tài)混合器產(chǎn)生的壓力降是計(jì)算體系輸入能量不可缺少的數(shù)據(jù)。而壓力降則與流體性質(zhì)和流速、混合器的結(jié)構(gòu)尺寸以及零件數(shù)、零件形狀等因素有關(guān)。隨著流體流量加大,混合器兩端的壓差也逐漸加大[8],見圖6。

圖6 靜態(tài)混合器流量與壓力降的關(guān)系

硫酸在線混合器內(nèi)結(jié)構(gòu)為單元片結(jié)構(gòu),阻力很小,理論計(jì)算的壓力降小,其動力消耗也是很小的。混合器的摩擦阻力引起的動力消耗,計(jì)算如下:

式中:Pf——動力,kW;

ΔP——單位長度靜態(tài)混合器壓力降,Pa;

QT——流量,m3/s。

摩擦阻力引起的消耗很小。

3.3 硫酸在線混合器的作用

ACH和H2SO4反應(yīng)生成α-甲酰胺基異丙基硫酸氫酯,同時產(chǎn)生大量的熱量。硫酸在線混合器將物料混合均勻,使反應(yīng)充分,發(fā)熱均勻。提高了中間酰胺產(chǎn)物量的同時,保證了安全生產(chǎn)。同時,取熱回路將熱量收集去換熱系統(tǒng),能源再利用,起到了很好的節(jié)能降耗作用。

4 靜態(tài)混合器在MMA生產(chǎn)流程中的安裝與選材

4.1 安裝

靜態(tài)混合器體積小、質(zhì)量輕,可作為管道元件,直接安裝在管道上,但其位置的選擇也非常關(guān)鍵。需要考慮流體的物理性質(zhì)和流向,確保良好的混合效果;考慮安裝和維護(hù),確保操作和維護(hù)的方便和安全性;考慮混合器內(nèi)部結(jié)構(gòu)單元,保證混合器功能的充分利用?？梢苑譃榕P式和立式兩種安裝方式。

4.1.1 臥式安裝

靜態(tài)混合器臥式安裝較為常見,適用于各種物料的混合。

4.1.2 立式安裝

靜態(tài)混合器立式安裝適用于密度大的物料混合,可以充分利用管道內(nèi)的流體動能與靜力壓力,使混合更加均勻,提高混合效率。此外,由于靜態(tài)混合器的特殊結(jié)構(gòu),即使在高流速下也能夠保持較好的混合效果。而且占地面積較小,可以最大限度地利用空間,提高生產(chǎn)效率。

MMA在線混合器采用立式安裝,塔底有機(jī)產(chǎn)物、阻聚劑和水在重力作用下,通過靜態(tài)混合器時,有機(jī)相和水相高效混合,大大提高了下游分液罐的分液效果。

4.2 選材

不同材質(zhì)的靜態(tài)混合器有不同的耐腐蝕性能和強(qiáng)度特點(diǎn),適用于不同的流體和混合環(huán)境。例如,塑料靜態(tài)混合器適合于腐蝕性流體的混合,不銹鋼靜態(tài)混合器適用于高壓、高溫環(huán)境下的流體混合,陶瓷靜態(tài)混合器適用于高黏度、高濃度流體的混合等。

MMA裝置多為有毒、可燃、易結(jié)晶、易聚合的物料,選擇不銹鋼靜態(tài)混合器較為合適。特殊情況根據(jù)混合物料的特性,整體或局部選擇特殊材料,如鋯合金、哈式合金、ALLOY28合金等。

5 結(jié)論與探討

1)實(shí)踐證明靜態(tài)混合器用于液-液混合的效果很好,能提高混合的均勻程度,避免混合死區(qū)的產(chǎn)生;提高混合效率,減少混合停留時間,在盡可能少的混合單元完成充分混合;能夠進(jìn)行連續(xù)化的生產(chǎn),保證產(chǎn)品的生產(chǎn)量;降低混合器能耗,減少操作成本,提高經(jīng)濟(jì)效益。

2)無噪聲,維修少,磨損少,使用壽命長。無需輔助空間,直接安裝在管線上,投資成本低。

3)靜態(tài)混合器對混合物流的黏度幾乎沒有要求。

4)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,靜態(tài)混合器在技術(shù)改造中越來越受到青睞。它可以替代反應(yīng)設(shè)備,或在動態(tài)反應(yīng)設(shè)備前加上靜態(tài)混合器,使物料充分混合,從而在減少反應(yīng)時間、節(jié)省能耗、減少投資等方面都起到重要作用。