管道靜態混合器流場分析

劉倩倩

（中石化四機石油機械有限公司， 湖北 荊州 434000）

不同流體之間的混合是油田采出水處理過程中經常遇到的問題，常用方法為利用各類機械攪拌設備來提高混合效率，但機械攪拌設備通常操作繁瑣、故障率高、經濟效益低，因此研究混合效率高且能夠適應各類工況的靜態混合器成為一種必然趨勢[1]。管道混合器可以通過控制水量，做到均勻混合并且減少能耗。在油田中采用管道混合器不僅可以快速均勻混合物料，解決加藥不均勻，藥劑消耗量大，而且可以大大降低設備費用和成本費用，這對企業提高采油經濟效益、降低水處理成本及節約能源具有重要意義。

1 靜態混合器研制

1.1 管道靜態混合器結構設計

靜態混合器是一種廣泛應用于化工、石油、環保等領域的混合裝置。管道內安裝有若干固定的混合單元，每一單元由若干葉片按一定角度交叉排列而成。管內不同單元結構其作用可分為三類，一是對流體起分割作用；二是使流道形狀和截面發生變化產生剪切作用；三是使流體產生旋轉，起到自動攪拌作用[2-4]。如圖1所示，它是一種新的靜態混合器—彎管內置翼片混合器。

圖1 彎管內置翼片混合器

靜態混合器結構由管道經過多次彎曲而成，水從管道一端注入，這一端管道上開有兩個小孔，分別注入兩種藥劑，在管道每個拐彎處裝有一塊擋板—翼片，如圖2所示。

圖2 彎管內置翼片混合器內部結構

彎管直線段長2 1 0 1.8 5 m m，管的排量為450L/min，藥劑的注入速度大于0.27L/min，小于4.32L/min，管道內的水為主要部分。管道內的流速約為0.8m/s，則雷諾數為：Re=Pvd/μ=1000×0.8×0.1082/0.00103≈8400＞2300，因此，管道內的流動為湍流。

對于湍流混合過程來說，由質點擴散理論，提高混合效果，通常有兩種途徑，一是延長流體在混合器中停留時間，二是增加液體的湍流度[5-7]?；谝陨蟽牲c，一是彎管改變流體流動方向，產生渦流，提高湍流強度，根據湍流混合理論，旋渦越多，越有利于藥劑與水的混合，湍動能越高，越有利于旋渦的形成。二是節省空間，可以把管道做得比較長，保證多相流體之間有較長混合時間。通過安裝翼片使得流體在管道內運動與擋板相互作用，流體被多次分割、改向，產生分流、合流、旋轉而達到充分混合。

1.2 管道靜態混合器的流場分析

采用FLUENT14.0流體計算軟件模擬流體在彎管內的流動情況。由于管道中的每一個彎道對流體的作用相似，因此以一個彎道加以說明，管道內流體只有一種水。彎管對流場的影響如圖3所示：

圖3 彎管對流場的影響

從圖3可以看出，流體與彎管壁之間的作用增大了一部分流體流速，也減小了一部分流體流速，使流場中速度梯度增大，同時也改變了流體流動方向。同時，在彎管的下游內壁處產生了很大旋渦，而直流管中流動的流體是不可能產生這種旋渦的，從而增大了流體湍動能，有利于多種液體的混合。

選取翼片與垂直方向夾角為45°時，分析翼片對流場的影響。圖4、圖5分別為翼片背向水的來流方向和迎向水的來流方向兩種情況下流場速度矢量放大圖。從放大翼片所在區域流場中可以看到：翼片背向來流方向時，翼片對上游流場影響較小，而對下游流場影響較大，翼片迎向來流方向時，正好相反。

由于翼片的存在，使管道截面減小，混合器拐彎處速度進一步增大，還在板背后形成旋渦，使靜態混合器內流體擾動強烈，湍流強度增強，而且驅使壁面邊緣低速流體流向軸心高速流體，軸心高速流體流向壁面邊緣低速流體，產生了比較好的徑向混合效果，可以使藥劑快速均勻地分散于水中。

圖4 翼片背向水流流場速度矢量放大圖

圖5 翼片迎向水流流場速度矢量放大圖

從翼片的兩種不同放置情況看，翼片背向水流方向時，有比較大的高速流動區域。因此有較大的速度梯度，產生強度比較大的渦旋，更有利于流體的混合。

2 管道靜態混合器的流場影響因素分析

2.1 加入藥劑后，管道靜態混合器的流場分析

按出口排量450L/min計算，當藥劑與水的體積比為1:9時，進口藥劑量為45L/min，藥劑進口速度為2.845m/s，進口水量為405L/min，水的進口速度為0.734m/s。從圖6、圖7中可以看出，隨著流體在管道內的流動，藥劑也不斷在水中擴散與水混合。這是經過一個彎道后的混合效果，如經過多個彎道后，混合效果將會更加明顯。

2.2 管道靜態混合器翼片角度對混合效果的影響分析

為了研究翼片處于不同角度下流體的混合效果，特選取翼片分別為30°、45°、60°、90°，如圖8、圖9、圖10、圖11所示為翼片不同角度下的速度矢量圖：

圖6 管道不同橫截面上藥劑體積分數分布圖

圖7 管道縱向對稱面上藥劑體積分數分布圖

圖8 翼片30°

圖9 翼片45°

圖10 翼片60°

圖11 翼片90°

從圖8至圖11可以看出，在管道的入口處，當藥劑加入到管道中后，藥劑迅速沿著管道壁散開；當流動到彎管處時，在翼片處都形成了旋渦，其中翼片在60°和90°時，液體的流動性明顯減弱；而在彎管處及出口端的流體可以看到翼片在45°時，液體流速更趨于穩定，流動均勻性較好，更有利于液體的混合。

2.3 管道靜態混合器翼片長度對混合效果的影響分析

圖12 翼片長35mm寬25mm時藥劑體積分數分布云圖（0.0630652）

圖13 翼片長40mm寬25mm時藥劑體積分數分布云圖（0.0642748）

圖14 翼片長50mm寬25mm時藥劑體積分數分布云圖（0.0624126）

圖15 翼片長60mm寬25mm時藥劑體積分數分布云圖（0.0608137）

從圖12到圖15可以看出，在翼片長度不同時，液體的混合效果也不同。當翼片的長度為40mm時，其出口處的體積分數最大，說明液體的流動性最好，混合均勻性最高。

3 結論

為了研究管道靜態混合器的混合效果，本文通過對混合器數值模擬，研究了加入藥劑、翼片不同角度、翼片不同長度等情況下混合器的流場分析，從而得到了不同參數下混合器的混合效果。

（1）彎管處增加翼片增大了流體湍動能，有利于多種液體的混合；

（2）翼片背向液流方向45°時，藥劑在水中的混合效果最好；

（3）寬度25mm，長度為30、40、50、60mm四種翼片相比，出口的藥劑體積分數差別不明顯，以40mm長為最優。