一种静态混合装置及其方法

专利名称：一种静态混合装置及其方法
技术领域：
本发明涉及两种或更多流体的混合，特别是涉及一种无需外加动力的 静态混合装置及其方法。
背景技术：
进行两种以上流体的混合是工业上常见的工艺过程。在混合过程中常 采用两种混合方法，第一种是动态混合，如各种搅拌机，起混合作用的混 流泵等，搅拌机原理是利用马达带动叶轮等在一个混合池里旋转以实现流 体的混合；第二种是静态混合，例如常用的各种形式的静态混合器，当两 种以上待混合的流体流经此静态混合器之后就完成了混合作用。
第一种动态混合器存在以下缺点1)占地体积大；2)混合时间长； 3)存在着能源消耗；4)需要人工维护；5)投入成本大、使用成本高；6) 易油污污染、不环保等多个问题。
静态混合器是由不需要做机械运动的部件组成，所以被称为静态混合 器。自70年代初开始应用于流体工艺中，主要原理是在流体流经的管内设 置一些静止的混合元件，当两种或两种以上的流体通过这些元件时，每个 混合元件对流体起着分流、错开、切割、变形、旋转、汇合等作用，从而 使流体达到预定的混合效果。静态混合器的利用具有很高的经济效益，可 广泛应用于混合、乳化、萃取、强化传质、强化传热、强化反应等各个方 面。传统的静态混合存在着一些缺点，例如中国专利申请号为85106712 的粉粒体静态混合器，02825571.2的静态混合器，02208018.X的管式静态 混合器，87201156的混合元件可卸式静态混合器，03265542.8旋转水流 静态混合器，这些静态混合器存在着以下问题1)混合只在局部进行， 只对管道中相领近的部位进行混合，不能对整个管道内的液体进行全面 的、整体的混合，混合程度模糊不清晰。2)单次混合效果差，需要进行 很多次混合后才能达到一定的混合效果。3)只能对小管径小流量的流体 混合，常见的静态混合器一般直径在100mm左右，我们现场实际应用中经常会遇到管径在500mm、 900mm等大管径、大流量的场合。4)难以保 证流量大小悬差比较大的两相及以上流体的混合均匀。现实应用中多数都 是小流量流体与大流量流体的混合，比如药剂的投加混合。
在国际互联网上对静态混合器进行了相关搜索，找到一些生产静态混 合器的厂家及其产品，如肯尼丝(kenics)、苏尔士 (sulzer) 、 komax等， 是目前国际上比较领先、技术比较典型、同时生产规模也比较大的静态混 合器生产厂家，以改进型Ross静态混合器为例，如图1所示，其能克服 以上第1个缺点，但仍存在后面三个缺点。尤其Ross静态混合器只适用 于较小的管径。如果要针对1000mm左右管径进行混合，如果分成16层 叠加，要么在4层每次的情况下进行四次混合，要么16层每次进行一次 混合。但4次混合就会大大加强其长度，且还远远不能达到混合均匀。如 果16层每次的话，其管道直径就达到了 4000mm，截面积增加为原来进口 管径的16倍；4层叠加其面积就增大为原来的4倍，如图2; 8层叠加其 面积就增大为原来的8倍，如图3; 16层叠加其面积就增大为原来的16 倍，如图4; n层叠加其面积就增大为原来的n倍，这显然是不能适用于 常见的大流量大管径的流体混合。

发明内容
本发明的目的是提供一种可以对两相或更多流体进行整体性混合，特 别适应于直径较大的液管的、混合均匀的静态混合装置及方法。
为了达到上述目的，该静态混合装置包含具有进液口和出液口的液 管，其特征在于，该液管包含至少两个支管，每个支管包含至少两个管段， 每个管段之间成一定角度，相互倾斜设置。
在一优选实施例中，所述至少两个支管在水平方向上并列设置，所述 支管管段的出口相对进口水平方向上变宽垂直方向上变窄。
在另一优选实施例中，所述至少两个支管在垂直方向上并列设置，所 述支管管段的出口相对进口水平方向上变窄垂直方向上变宽。
进一步，该静态混合装置还包括穿过液管的注入管，该注入管与每个 支管相通，支管内可设有导流板。
本发明还提供一种静态混合流体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤
a. 分流，进液口的流体流入至少两个支管内；
b. 错开和薄化，将所述流体经过支管内至少两个相互倾斜设置的管
段，由于管段进口和出口的形状不同，从而使经过流体的形状发生变化，
对流体进行错开和薄化；
c. 叠加汇流，将所有支管内的流体叠加汇流， 根据需要，可重复上述步骤，直至流体混合均匀。
在所述步骤a中，第二相流体通过注入管注入每个支管内，与支管内 的第一相流体混合。所述流体分流的方向和汇流的方向优选相垂直。 本发明的有益效果在于
1. 混合速度快， 一般情况三次混合就能非常均匀；
2. 混合全面，可以把任一小块截面上液体分布到整个管道的截面上；
3. 能适用于各种管径，不论分流管数N为多少，其总体积只增大为
有效截面的2倍；


图1为现有的ROSS静态混合器的透视图2为图1中ROSS静态混合器设置4根支管时的示意图，图中小圆 表示有效的液体流通管道，大圆表示整个混合单元；
图3为图1中ROSS静态混合器设置8根支管时的示意图4为图1中ROSS静态混合器设置16根支管时的示意图5为本发明优选的静态混合装置的主视图6为图5中静态混合装置的俯视图7为图5中静态混合装置沿J-J的剖视图8为图5中静态混合装置沿K-K的剖视图9为图5中静态混合装置沿L-L的剖视图IO为图5中静态混合装置沿M-M的剖视图11为图5中静态混合装置沿N-N的剖视图12至图16为流体混合过程中支管11的变化示意图17为支管11的最终位置示意图；图18为支管12的最终位置示意图； 图19为支管13的最终位置示意图； 图20为支管14的最终位置示意图21-a和图21-b为流体第一次混合前、后的状态示意图； 图21-c至图21-d为流体第二次混合前、后的状态示意图； 图21-e至图21-f为流体第三次混合前、后的状态示意图； 图22为本发明另一优选的静态混合装置的示意图23为根据本发明第三优选的静态混合装置的示意图24为图23中静态混合装置的俯视图； 图25为图23中静态混合装置沿P-P的剖视图； 图26为图23中静态混合装置沿Q-Q的剖视图； 图27为图23中静态混合装置沿R-R的剖视图； 图28为图23中静态混合装置沿S-S的剖视图； 图29为图23中静态混合装置沿T-T的剖视图； 图30为图23中静态混合装置沿U-U的剖视图； 图31为图23中静态混合装置沿V-V的剖视图； 图32为图23中静态混合装置采用流线形设计的示意图； 图33为图23中静态混合装置的装配示意图，该装置采用分段加工后 整体拼接的方式安装；
图34为注液管的结构示意图35为安装有分流板的静态混合装置的结构示意图； 图36为流体使用Ross静态混合器混合前的局部示意图，图中示出了 一根支管；
图37为流体使用图5中静态混合装置混合前的局部示意图，图中示 出了一根支管；
图38为流体使用Ross静态混合器混合后的局部示意图； 图39为流体使用图5中静态混合装置混合后的局部示意图。
具体实施例方式
本发明可以通过以下的实施例来做进一步说明:如图5所示，为根据本发明优选的静态混合装置的结构示意图，该装 置包括进液口 1和出液口 2。本装置是安装在管路中间的一段特殊管道或 液管，可以通过法兰、螺纹、焊接、对夹等方式固定在需要的管路中。由 于连接在管路中，为了便于分流，将装置两端的圆管设计成方管。
图6为图5的俯视图，图7、 8、 9、 10、 11分别为图5中静态混合装 置沿J-J、 K-K、 L-L、 M-M、 N-N的剖视图。不管流体从该混合器的哪一 端流入，该装置都能起到混合作用。在下面的描述中，假定待混合两相流 体从右端流进，从左端流出。
如图7所示，管道内具有多个支管，或将管道在水平方向上分成多层， 形成多个扁状支管，也可选择在垂直方向上分为多层，当然也可以在任意 方向上分成多层，支管可以是方形的，圆形的，多边形或其它形状。支管 的数目可根据需要而定，至少为2根，优选2、 4、 8、 16、 32。如果管径 比较小，选取分流数少能便于加工；如果管径比较大，选取分流数多能便 于保证混合效果，在本实施例中分为8层。这相当于将一根管道分成8根 支管ll、 12、 13、 14、 15、 16、 17、 18，但是其截面积与流通能力基本不 变，本实施例中8根支管都是横窄竖宽的细长形扁状管，每个支管包括至 少两个管段4，每个管段4之间成一定角度相互倾斜设置，实现支管在空 间上的错开。管段4的出口和进口的形状是不同的，本实施例中管段4的 出口相对进口水平方向上变宽垂直方向上变窄，从而实现支管的薄化。
如图8所示，将8根支管进行错开，使支管11、 12、 13、 14与支管 15、 16、 17、 18处于不同的垂直位置，本实施例中，支管11、 12、 13、 14与支管15、 16、 17、 18分成两组错开，并使这两组处于两个垂直位置， 当然也可以将它们分成3组并分别错开，使它们处于三个或更多个不同的 垂直位置。
如图9所示，将各个支管进一步错开，并在这一过程中进行薄化。薄 化的过程相当于一个管道或物体被挤压得越来越扁。
在图8中，支管ll、 12、 13、 14水平方向上处于同一位置，但在图9 中又将它们错开，使它们在水平方向上分别处于不同的位置，这是为垂直 方向上的重叠做准备。从图8到图9的过程中，可以清楚地看到，每根支 管都由垂直方向上很长水平方向很窄变为垂直方向上变薄水平方向变宽。如图10所示，将8根支管进一步错开与薄化，使8根支管在垂直方 向上错开，为重叠做准备。同时8根支管变得垂直方向上更薄水平方向上 更宽。
如图11所示，将8根支管进一步薄化，使它们在垂直方向上排成一 列，为叠加做好准备。
最后进行叠加，将8根支管在垂直方向上叠加，使流体汇流，从而完 成整个混合过程。本发明的目的在于通过管道中设置支管及管段的倾斜方 式实现管道的变形，从而使流体分流、错开、薄化及叠加，根据需要，可 重复上述步骤，直至流体混合均匀。在图7到图11中支管并排的顺序11、 15、 12、 16、 13、 17、 14、 18变为图11中的11、 13、 14、 12、 16、 18、 17、 15的顺序。这种顺序的变化可以根据需要进行，只是错开的方向不同， 但变形原理还是一样的。如在本实施例中，从图9到图10,把支管14变 形后放到了上面，支管12变形后放到了下面，其实也可以把支管14变形 后放到下面，支管12变形后放到上面。
图12中的涂黑部分代表最初分流时支管11内流体的形状。图13到 图16中的涂黑部分表示了支管11在错开并薄化的过程中的变化，流入支 管U内的流体的形态会根据支管11的变化而变化，所以该装置能把处于 任何一分流支管内的一小块横向截面面积上的流体都均匀的分布到整个 管道截面上，从而可以保证混合均匀。
图17到图20表示了四根支管11、 12、 13、 14被分别错开并薄化后 处不同的位置，但在垂直方向上是相互对齐的。图21-a至图21-f分别表 示流体混合1到3次后所达到的效果，其中，图21-a、图21-b表示的是流 体经过图5中所示一次混合装置混合后所达到的效果；图21-c、图21-d 表示的是流体经过图22中所示二次混合装置混合后所达到的效果；图 21-e、图21-f表示的是流体经过三次混合后所达到的效果。其中，黑体部 分表示一根支管内的一小部分流体7，结合图21-a至图21-f中所示，可以 清楚的了解本发明的混合效果，无论混合流体中第一相流体与第二相流体 的比例是多少，它们分层的效果是一样的，也就是说能达到同样的混合效 果，并且在混合过程中能实现整个管道中液体的全面混合，能保证混合均 匀。在管道中，可以设置一个或多个本发明的静态混合装置，如图22中优选的二次混合装置，相当于将两个图5中的一次混合装置串联设置，也 可以将管道设置成循环的回路，液管内的流体可循环经过该静态混合装
置，直至流体混合均匀，达到理想的效果，才从出液口2流出。
本装置所特有的错开与薄化有着非常明显的作用，如下
1) 错开与薄化过程使得本发明装置的体积并不会增大很多，无论需 要进行多少层的叠加，其总截面积只增加为原来的2倍左右。这样可以应 用于大管径大流量的场合。这一点非常有现实意义，因为在工业生产中很
多需混合流体的管径都是500mm以上的，尤其是在制水与污水处理的过 程中。
2) 薄化的另一个好处就是在水平方向与垂直方向上都可以分成更多 层，这样就大大增强了混合效果，以本实施例中分为8层混合为例，进行 两次混合就可以实现64层叠加，可以想象这对混合而言是非常均匀的， 即使动态混合短时间内也达不到这样的效果。
3) 薄化可以使处于截面上某一小块流体经一次混合后变为一截面上 的线状处于管路中，能在下一次混合时被每根分流管进行分流，二次混合 后就会变成数根截面线状处于管路。
以上实施例主要是在分流的时候一次就分为若干个支管并错开、薄 化、叠加、汇流，当然也可以将分流、错开、薄化、叠加进行多次，如下 面介绍的另一优选实施例，结合图23-31所示，图中剖面线表示管截面内 的流通空间，其过程是这样的
1. 先将流体进行分流，将流体分流到两个支管中；
2. 将步骤1中的支管错开，如图25到图26的过程。
3. 将步骤2中的支管薄化，并在纵向上重叠，如图26到图27的过程；
4. 将前面的支管再次分流并错开，即每根支管再至少分为2根支管， 在该实施例中分为2根，即每根支管共分成4根支管，如图27到图28所
5. 将步骤4中的4根支管薄化，并在纵向上重叠；根据需要，可以将 错开、薄化、重叠这一过程重复多次，直到形成图31所示的形状；
6. 最后叠加汇聚，完成单次混合。此混合过程可以在一个静态混合器 中重复多次，重复次数根据需要而定， 一般情况三次混合就能非常均匀。为了更好、更快的混合流体，可以先对第一相流体进行分流，分流到 至少两个支管内，然后通过一个或数个开有缝隙的注液管5将第二相液体
分别注入到各个支管内，以实现初次层化第二相液体，如图34所示，这
样可以省去一次混合分流薄化成层的过程。更优选地，可以在支管中加入
导流板6，相当于将一个支管再分成多个支管，可以达到更好的混合效果， 如图35所示。本装置加工略有难度，可以分别加工好支管然后进行两端 焊接，也可以做成分段加工总体拼装的方式，如图33所示。
如图36、 37所示，在Ross混合器的支管和本发明装置的支管上各选 取一块小平面，分别为整个管子截面的八分之一。图38、 39分别为混合 后的效果图，从图中可以看出，Ross混合器的支管内的部分流体8的混合 效果明显不如本发明装置的支管内的部分流体9的混合效果。本发明的静 态混合装置可以全面混合流体，可以在例如三次混合之后就把任一小块截 面上液体分布到整个管道的截面上，这是ROSS静态混合器所达不到的。
需要说明的是，在上述实施例中为了绘图方便，都采用了直边直管， 变形的过程也是这样，其外形也可以采用流线形形状，以增强流通能力和 降低流阻，如图32所示。
在另一优选实施例中，本发明优选的静态混合流体的方法包括以下步
骤
a. 分流，进液口的流体流入至少两个支管内；
b. 错开和薄化，将所述流体经过支管内至少两个相互倾斜设置的管 段，由于管段进口和出口的形状不同，从而使经过流体的形状发生变化， 对流体进行错开和薄化；
c. 叠加汇流，将所有支管内的流体叠加汇流，根据需要，可重复上 述步骤，直至流体混合均匀。
其中，在步骤a中，第二相流体通过注入管注入每个支管内，与支管 内的第一相流体混合。优选地，流体分流的方向和汇流的方向相垂直。
应当可以理解，在不偏离其精神和中心特征的情况下本发明可以其它 形式实现。因此这里的实施例和具体的实施方式是示意性并不是限制性， 并且本发明并不限定在这里给出的详细描述中。
权利要求
1.一种静态混合装置，该装置包含具有进液口和出液口的液管，其特征在于，该液管包含至少两个支管，每个支管包含至少两个管段，每个管段之间倾斜设置。
2. 如权利要求1所述的静态混合装置，其特征在于，所述至少两个 支管在水平方向上并列设置。
3. 如权利要求2所述的静态混合装置，其特征在于，所述支管管段 的出口相对进口水平方向上变宽垂直方向上变窄。
4. 如权利要求1所述的静态混合装置，其特征在于，所述至少两个 支管在垂直方向上并列设置。
5. 如权利要求4所述的静态混合装置，其特征在于，所述支管管段 的出口相对进口水平方向上变窄垂直方向上变宽。
6. 如权利要求1至5任一所述的静态混合装置，其特征在于，所述 支管内设有导流板。
7. 如权利要求6所述的静态混合装置，其特征在于，该静态混合装 置还包括穿过液管的注入管，该注入管与每个支管相通。
8. —种静态混合流体的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤a. 分流，进液口的流体流入至少两个支管内；b. 错开和薄化，将所述流体经过支管内至少两个相互倾斜设置的 管段，由于管段进口和出口的形状不同，从而使经过流体的形状发生变化， 对流体进行错开和薄化；c. 叠加汇流，将所有支管内的流体叠加汇流， 根据需要，可重复上述步骤，直至流体混合均匀。
9. 如权利要求8所述的混合流体的方法，其特征在于，在所述步骤a 中，第二相流体通过注入管注入每个支管内，与支管内的第一相流体混合。
10. 如权利要求8所述的混合流体的方法，其特征在于，所述流体分 流的方向和汇流的方向相垂直。
全文摘要
本发明涉及一种静态混合装置，该装置包含具有进液口和出液口的液管，其特征在于，该液管包含至少两个支管，每个支管包含至少两个管段，管段之间倾斜设置。本发明还涉及一种静态混合流体的方法，包括以下步骤a.分流，进液口的流体流入至少两个支管内；b.错开和薄化，将所述流体经过支管内至少两个相互倾斜设置的管段，由于管段进口和出口的形状不同，从而使经过流体的形状发生变化，对流体进行错开和薄化；c.叠加汇流，将所有支管内的流体叠加汇流，根据需要，可重复上述步骤，直至流体混合均匀。本发明可以适应两种以上流量大小悬差比较大的流体的混合，不仅可以对流体进行整体性混合，而且可以保证混合效果，还适应于直径较大的液管。
文档编号B01F5/06GK101288833SQ200710039510
公开日2008年10月22日 申请日期2007年4月16日 优先权日2007年4月16日
发明者程纪祥 申请人:宝山钢铁股份有限公司