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过滤器技术

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管道静态混合器

日期:2014/12/1 14:42:03 人气:7223

1、概念
静态混合器是一种新型的化工单元设备,自70年代开始应用后,迅速在国内外各个领域得到推广应用。众所周知,对于二股流体的混合,一般用搅拌的方法。这是一种动态的混合设备,设备中有运动部件。而静态混合器内主要构件静态混合单元在混合过程中自身并不运动,而是凭借流体本身的能量并借助静态混合单元的作用使流体得到分散混合,设备内无一运动部件。
2、静态混合器的混合形态
静态混合器在基本工艺流程中的组合方法见下图所示的两种类型。在实际应用中往往将多种基本流程组合在一起使用。两种液体汇合部位的结构,应根据液体的粘度、密度、混合比、互溶性等来确定。尤其当两种液体一接触就反应或凝胶而相变时,更要注意汇合部位的结构、流速以及混合器的选择。
层流的混合
经静态混合器混合后的流体的混合形态,与经具有传动部件的混合机或搅拌机混合的混合形态有明显的差别。图二表示采用静态混合器混合两种流体是产生的典型层流混合状态。混合状态由条带状变为连续的或不连续的线状及粒子状,而状态的变化取决于流体混合时的雷诺数和韦伯数。例如:当流速、粘度、混合器直径一定时,如果流体间表面张力大,流体的混合形态则从条带状转向线状,进而变化到粒子状。混合器单元数、管径和流速的选定混合器的单元数和直径随流体的性质(粘度、互溶性、密度)、混合比、希望达到的混合状态、接触面上液体的结构变化等而不同,可通过试验和经验来确定。通常基于雷诺数并经试验确定混合器的放大倍数。但当雷诺数Re<100(严格地说在1以下)时,混合程度、混合状态与雷诺数无关,只取决于混合器的单元数。因此,只要混合统一流体,不论其流速和混合器直径多大,经试验确定的单元数都适用。混合器管内流速越大,混合效果越好。但流速太大,压力损失增加,提高了加压泵的扬程,能耗多。因此选定流速有一个较优的范围。
湍流混合适合于湍流混合的静态混合器采用的是扭曲叶片的形式。其理由是,随着流速的增大,在流动的断面方向会产生很多激烈的涡流和很强的剪切力。由于这种强大的剪切力的存在,故可地发生气液、液液、固液等的分散及液液、固液的溶解。
除扭曲叶片的形式外,其它形式的静态混合器也可以进行湍流混合,但其供给流体的能量大多消耗于流体与壁面的摩擦,用于流体之间的摩擦很少。所以,从耗能的角度来看,这些结构劣于扭曲叶片的形式的混合器。
3、流体的混合机理
对于层流和湍流等不同的场合,静态混合器内流体混合的机理差别很大。层流时是“分割---位置移动---重新汇合”的三要素对流体进行有规则的反复作用,从而达到混合;湍流时,除以上三要素外,由于流体在流动的断面方向产生剧烈的涡流,有很强的剪切力作用于流体,使流体的细微部分进一步被分割而混合。
4、静态混合器具有以下特点:
①混合性能好,效率高,易实现连续化生产,降低劳动强度,提高生产效率;
②操作弹性大,操作稳定;
③放大效应小,放大容易;静态混合器型号、规格多,适用范围广;
④结构简单,设备体积小,占地面积小,不易损坏,设备费用低;
⑤能耗低,操作费用小。
混合反应技术
原则上,静态混合器在不使用机械搅拌单元的情况下就能实现混合。运动部分仅限于被混合的各种物料组分。
产品混合所需要的能源直接来自流体本身,固定的混合单元能连续地对流体进行分切、扩散和重新分配。混合所需要的动能来自泵装置。
实际上,静态混合器具有体积小、维护方便、安装简单、可拆卸和可靠性高等特点。
所有传质行业的连续工艺都采用混合和反应技术。
5、应用领域
静态混合器的发展始于70年代初,在化工、石油、化纤、油脂、食品和环境保护等领域逐步得到应用,而且在作为化工单元操作的交办、萃取、气体吸收、反应、热交换、溶解、分散、粉粒料的混合等方面迅速发展,进而使利用这种特点的应用机械和应用系统的开发不断地取得可喜的成果。
6、水处理领域
在水处理领域,混合和接触是为重要的单元操作,它会对各个处理阶段的效果产生根本性的影响,甚至会影响到整个处理工艺的终结果。对水质要求的提高导致不断地改进净化工艺。这是的在线静态混合器在本领域的使用(用来进行混合和接触操作)得到明显增加。
用于混合和接触操作的静态混合器安装在工艺物流的管线中。相关的管道或管路可以是圆形、方形或长方形。不同设计和不同物料使用不同的混合器,从而更好的满足各种工艺要求。
6.1功能
静态混合器主要由有序的导向板组成,而导向板会对流过管道的物料产生规则性的径向混合。流动途径具有一定的几何形状,因此可排除任何随机性混合。混合任务因此能在非常短的流距之内完成。
与搅拌槽或空管系统不同的是,静态混合器能确保对整个液体流进行强制性混合接触。
混合或传质所需要的能量来自主流体本身,这表现为相对于空管系统来说具有的较高压降。压降数值取决于混合器的设计及相关的操作条件,一般来说在0.02-3mwg的范围之内。与动态搅拌器相比,静态混合器所需要的能量至少小一个数量级。此外,能量能够通过整个混合器容积均匀的进行消散。
6.2特性
混合器单元面到面的长度非常短(为管径的1-5倍),因此,所需的安装空间也很小。重新安装到装置中在一般情况下不会出现任何问题。作为一个惯例,混合器的直径和连接管道的直径相同。
即使在操作条件不断变化的情况下,混合效果也能够保持稳定。诸如絮凝剂之类的添加剂能够被快速而均匀的分散开。没有必要过量的进行进料(已经证明可节约高达45%的物料)。
混合器能够对整个工艺物流进行强制性混合。因此可大大的降低储槽体积,甚至可以不使用储槽。
由于流体在整个截面上的浓度都是连续而平衡的,测量因此具有很高的代表性。
能够很快的启动装置。连续运行为一种稳定状态。所得到的测量数据具有代表性,因此能对装置进行的控制。
压降和能量消耗很低。
静态混合器没有运动部件。因此不存在磨损,所需要的维护工作量也很小。
在安装方式和材质方面具有很高的灵活性。静态混合器的截面可以是圆形、方形或长方形;也可以安装在一个开放的管道中。混合器的材质可采用不锈钢、碳钢、PP、PVDF或玻璃钢。
絮凝作用
为了得到佳的絮凝效果,要尽快均匀的将PAC、FeCl3、FeSO4或高分子电解质分布到整个工艺物料流中。通过使用混合器就能够很理想的达到这些目的。液体强制性混合器能够确保整个物流在数秒之内均匀地混合,药剂实际节省量可高达45%。
絮凝剂的在线稀释
为使絮凝剂具有佳的活性,在将其加入到污水之前,使用体积为10-100倍的水来稀释。由于初级溶液在一般情况下都为高粘度溶液,在水中不能够自动的被稀释,因此要确保混合的彻底性。高分子聚合物在水中分布越均匀,则其活性也越大。使用静态混合器能够确保混合。静态混合器的使用能够减少絮凝剂的使用量,因此能够节省成本。
混合消毒剂
快速混合接触消毒技术用于中水处理
次氯酸钠在水溶液中离解成HOCl 和OCl - 离子,即游离氯,其中HOCl 起主要杀菌作用。处理后的中水中残留的有机物与氯生成的化合物无杀菌能力。为了充分发挥HOCl 的杀菌作用,要求在加次氯酸钠后HOCl尚未与有机物反应之前,在几秒时间内迅速完成杀菌作用。中水处理后投加次氯酸钠消毒时,快速混合接触极为重要。
静态混合器作用
静态混合器选用结构简单的螺旋形混合器,是在管道内安装一定数量的左旋右旋元件(见图1) 。投加次氯酸钠溶液后的水流经静态混合器时有3种混合作用:
(1)分割作用。每个元件将水流一分为二,如果混合器内有6 个元件,水流被分割成26 即64 股。水流被分割后液层厚度很薄,使细菌暴露于HOCl 之中,加大了接触面积,易被杀灭。
(2)转换作用(径向旋涡反转作用)水流在各断面内沿管中心轴线产生交替反向的涡流,增强了混合接触作用。
(3)反转作用。在混合器内水流经右旋元件和左旋元件的旋转方向相反交替,提高了混合接触效率。
7、静态混合器的工作范围和安装位置
静态混合器具有很广的工作范围。用于液体混合时,静态混合器的流体流动速率一般设计为0.5-1.5m/s。但是,即便在较低流动速率的情况下,混合器也能够获得很好的混合效果。对于大多数应用情况,混和器可安装在任何位置。如果被混合介质的密度有很大差异且流速非常低时,则应将混合器安装在垂直位置(流动方向好为从小至上)。
8、可调式静态混合器
可调式静态混合器RSM是应用“改变罐体内部空间体积的方法”RST专利技术,为水处理工业设计的一种新型和节能的水力机械—管道混合装置。
     RSM的混合机构是一具Rohud,没有运动部件,它被锚固在混合器内,其工作时相对水流呈静止状态。在管道水流推动下Rohud自动形成锥形喷孔,其喷射扩散式紊流流态仍然是典型的管道静态水力混合模式。通过“压差控制器”的自动调控系统或手工操作,能够在生产运行过程中灵便的调节该喷孔的尺寸,以改变喷射水流速度,维持混合过程所必需的能耗和速度梯度G值。RSM彻底改变了静态(固定)混合器不能操控水力混合强度的弊端,首次实现了管道水力混合过程可控制。
     目前国内外广泛使用的各种固定式管道静态混合器都是不能调节的,只有在生产运行条件与混合器的设计参数及工作条件相符时,才可能获得予期的混合效果。以自来水厂的絮凝混合工序为例;在处理过程中,水量、水温水质、化学药剂种类和投量等常常发生变动影响絮凝效果。如生产运行水量受制于用水量的增减。在水厂投产初期或冬季供水量少时,呈现低负荷运行态势。在这种情况下,固定式等态混合器的混合强度严重不足,导致混凝反应沉淀效果低劣、药耗增高等后果;老厂挖潜提高产水量或夏季供水高峰期间是超负荷运行工况。由于混合器的阻力大,不可避免地发生水头损失(能耗)急剧增大和浪费能源等现象。  
RSM的主要技术特征是可调节性,适应流量变化的能力强,能够对生产运行条件的改变及时作出反应和调整。如果某季节的水质条件好不必进行混合处理时,RSM的喷孔直径可以调节到近乎管道内径的水平,无阻碍的让水流通过,消除了不必要的能源耗费。
     众所周知,上述固定式静态混合器的缺陷是公认的,由于没有解决办法或替代产品,只能带病运行。如果采用RSM取代之,将会改变现状,提升自来水厂站的絮凝混合工艺的技术质量,为节省药剂、节约电力和提高净化水质以及降低生产成本创造了条件。
    “可调式静态混合器”,是对原有管道静态混合器的改进。众所周知,静态混合器在制水量达到设计水量的条件下,具有很好的混合效果,但是当制水量效低时(设计水量的80%以下),混合强度降低、效果变差。我们开发的“可调式静态混合器”,可以在低水量的情况下一直保证做到设计时的佳混合效果,低水量可以做到40%。其特别适用于制水量变化较大的水厂,强化混合效果,为后续的絮凝与沉淀(或澄清)过程提供良好的条件,从而还可以降低药耗。其实现简单,操作方便,从混合机理上分析是毫无疑问能够实现混合调节的,已经过中试试验,确实能保证混合效果。
     实现水处理的快速混合过程中,混流式混合的水流不符合快速、均匀混合的要求,推流式管道混合的效果又受制于流量的影响。本文作者提出的一种可调式静态混合器(RSM)可望突破管道流量的制约,实现水力快速混合过程的控制。

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