CN111203123A - 气液静态混合器及气液混合系统 - Google Patents

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CN111203123A CN201811400957.XA CN201811400957A CN111203123A CN 111203123 A CN111203123 A CN 111203123A CN 201811400957 A CN201811400957 A CN 201811400957A CN 111203123 A CN111203123 A CN 111203123A
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李宏光
杨士芳
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张利军
周丛
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Abstract

本发明公开了一种气液静态混合器及气液静态混合系统，气液静态混合器包括具有进液口(4)、进气口(5)和出口(6)的混合器主体，混合器主体内设置有具有进液口(4)和进气口(5)的气液混合区(1)，气液混合区包括沿流体的流动方向依次连接的收缩段(11)、喉管段(12)及扩张段(13)，收缩段(11)沿朝向喉管段的方向逐渐收缩，扩张段(13)从喉管段向靠近出口的方向逐渐扩张；其中，扩张段(13)和出口(6)之间设置有静态混合区(3)，静态混合区内设置有沿轴向呈螺旋形延伸的扭曲片(31)。本发明提供的静态混合器及气液静态混合系统具有良好的气液分散、混合和传质效果，且制造成本低廉、结构紧凑、操作简单、维护成本低。

Description

气液静态混合器及气液混合系统
技术领域
本发明涉及石油化工领域，具体地涉及一种气液静态混合器及气液混合系统。
背景技术
静态混合器是一种没有运动部件的高效混合设备，其基本工作机理是利用固定在管内的混合单元体改变流体在管内的流动状态，以达到不同流体之间良好分散和充分混合的目的。
气液反应中的气液传质阻力通常是宏观反应速度的控制步骤，因此减小气液传质阻力，增大气液传质是提高反应速度的关键。微气泡可以大大增加气液传质面积，而静态混合器可以促进气体和液体的混合，增加气泡的表面更新速率，从而增强混合，强化传质。其中，微气泡通常指粒径小于100微米的气泡，具有比表面积大、气含率高、不易破碎、粘附效率高、传质效率高等特点。
随着处理流量、处理难度及应用范围的增加，不仅对微细气泡的粒径大小及粒径均匀程度提出了更高要求，而且微细气泡发生系统的结构紧凑性、能耗、运行维护等问题也日益受到关注。而现有的静态混合器在气液混合时存在气泡直径不均匀、气泡直径过大以及气液混合不均匀等缺陷。因此，提高静态混合器的混合和传质性能，并减少流经静态混合器的压降损失是微通道反应器的重要研究方向。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中的静态混合器在气液混合时所产生的气泡直径不均匀、气泡直径过大以及气液混合不均匀等问题。
为了实现上述目的，本发明一方面提供一种气液静态混合器，所述气液静态混合器包括具有进液口、进气口和出口的混合器主体，所述混合器主体内设置有具有所述进液口和所述进气口的气液混合区，所述气液混合区包括沿流体的流动方向依次连接的收缩段、喉管段及扩张段所述收缩段沿朝向所述喉管段的方向逐渐收缩，所述扩张段从所述喉管段向靠近所述出口的方向逐渐扩张；
其中，所述扩张段和所述出口之间设置有静态混合区，所述静态混合区内设置有沿轴向呈螺旋形延伸的扭曲片。
优选地，所述扭曲片的扭曲角度为90°～360°，优选为120°～180°。
优选地，所述扭曲片沿轴向方向的长度为所述静态混合区的内径的1～10倍，优选为2～4倍。
优选地，所述混合器主体内还设置有位于所述扩张段和所述静态混合区之间的剪切滤出区，所述剪切滤出区内设置有用于流体穿过的至少一层滤网。
优选地，所述剪切滤出区内设置有多层所述滤网以及将多层所述滤网间隔开的分隔环。
优选地，所述剪切滤出区内设置有多层所述滤网，沿流体的流动方向，所述滤网的目数逐层相同或逐层增多。
优选地，所述滤网的目数范围为200～800。
优选地，所述气液混合区还包括具有所述进液口、与所述收缩段的大端连接的圆柱状的进液段。
优选地，所述收缩段形成为锥台形结构，所述收缩段的锥角为20°～40°；和/或，
所述扩张段形成为锥台形结构，所述扩张段的锥角为10°～30°；和/或，
所述收缩段的大端内径与所述扩张段的大端内径相同；和/或，
所述喉管段的内径为所述进液段的内径的1/3～1/2，所述喉管段的长度为所述喉管段的内径的1～3倍；和/或，
所述收缩段的长度为所述喉管段的长度的1～3倍；和/或，
所述进液段的长度为所述喉管段的长度的1～3倍。
优选地，所述喉管段连通有多个与所述进气口连通以向所述喉管段注入气体的入口，多个所述入口沿所述喉管段的周向间隔设置。
优选地，所述混合器主体内还设置有围绕所述喉管段的环形腔、具有所述进气口且连通至所述环形腔的注气管以及所述环形腔与所述喉管段之间的连接管，沿所述喉管段的周向间隔设置有多个所述连接管，多个所述连接管形成向所述喉管段注入气体的多个所述入口。
根据本发明的另一方面，还提供一种气液混合系统，所述气液混合系统包括如上所述的气液静态混合器。
优选地，所述气液静态混合器设置有多个；
多个所述气液静态混合器并联设置；或者，
多个所述气液静态混合器串联设置；或者，
多个所述气液静态混合器形成多个并联连接的气液静态混合器串，其中每个所述气液静态混合器串包括多个串联的气液静态混合器。
优选地，所述气液静态混合器设置有多个，其中的至少部分所述气液静态混合器串联设置；
串联的所述气液静态混合器中，下游的所述静态混合区的直径小于上游的所述静态混合区的直径；优选地，下游的所述静态混合区的直径与上游的所述静态混合区的直径的比值为：0.3～0.6:1。
本发明提供的技术方案，流体在流经静态混合器的气液混合区时，由于管径变化，流体压力先增大后减小，压力的变化可以明显改变流动速度，产生湍动，有助于微气泡的产生；流体在流经静态混合区时，由于静态混合区内设置扭曲片，流体在静态混合区内扭曲片的倒流作用下产生轴向旋流，增强了水流的湍流强度和径向速度梯度，提高了水流对气泡的剪切破碎程度，并产生大量的微气泡，实现气体和液体的充分混合。本发明公开的静态混合器具有良好的气液分散、混合和传质效果，且制造成本低廉结构紧凑、操作简单、维护成本低。
附图说明
图1为根据本发明的一个实施方式中气液混合器的剖切结构示意图；
图2为根据本发明的另一实施方式中气液混合器的剖切结构示意图；
图3为扭曲片的结构示意图。
附图标记说明
1-气液混合区；11-收缩段；12-喉管段；13-扩张段；14-进液段；2-剪切滤出区；21-滤网；3-静态混合区；31-扭曲片；4-进液口；5-进气口；6-出口；7-注气管；8-环形腔；9-连接管。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。另外，“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内、外。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非有明确规定。
本发明提供了一种气液静态混合器，如图1和图2所示，所述气液静态混合器包括具有进液口4、进气口5和出口6的混合器主体，所述混合器主体内设置有具有所述进液口4和所述进气口5的气液混合区1，所述气液混合区1包括沿流体的流动方向依次连接的收缩段11、喉管段12及扩张段13，所述收缩段11沿朝向所述喉管段12的方向逐渐收缩，所述扩张段13从所述喉管段12向靠近所述出口6的方向逐渐扩张。
其中，所述扩张段13和所述出口6之间设置有静态混合区3，所述静态混合区3内设置有沿轴向呈螺旋形延伸的扭曲片31。
本发明提供的技术方案，流体在流经静态混合器的气液混合区1时，由于管径变化，流体压力先增大后减小，压力的变化可以明显改变流动速度，产生湍动，有助于微气泡的产生；流体在流经静态混合区3时，由于静态混合区3内设置扭曲片31，流体在静态混合区3内扭曲片的倒流作用下产生轴向旋流，增强了水流的湍流强度和径向速度梯度，提高了水流对气泡的剪切破碎程度，并产生大量的微气泡，实现气体和液体的充分混合。本发明公开的静态混合器具有良好的气液分散、混合和传质效果，且制造成本低廉结构紧凑、操作简单、维护成本低。
其中，静态混合器3内的扭曲片31的扭曲是自身的扭曲，如图3所示。本发明的一个优选实施方式中，所述扭曲片31的扭曲角度为90°～360°，更优选为120°～180°。
优选地，扭曲片31沿轴向方向的长度为所述静态混合区3的内径的1～10倍，更优选为2～4倍。
在一个实施方式中，优选地，如图1所示，所述混合器主体内设置有位于所述扩张段13和所述静态混合区3之间的剪切滤出区2，所述剪切滤出区2内设置有用于流体穿过的至少一层滤网21。
优选地，剪切滤出区2内设置有多层所述滤网21以及将多层所述滤网21间隔开的分隔环，通过设置分隔环可以使得多层滤网之间具有间距。
优选地，所述滤网21的目数范围为200～800，沿流体的流动方向，多层所述滤网21的目数逐层相同或逐层增多。这样依次经过各层滤网的流体可以逐层被破碎剪切，直径较大的气泡或液滴可以被进一步剪切破碎直径变得更小。
本领域技术人员可以理解的是，混合器主体内并不限于图1所示的在扩张段13和静态混合区3之间的剪切滤出区2，如图2所示，可以不设置剪切滤出区2，而直接将静态混合区3与扩张段13连接。当然，还可以在扩张段13与静态混合区3之间设置其他形式的能够促进气液混合的混合区，或者在静态混合区3的下游设置能够促进气液混合的各种形式的混合区。
在本发明提供的一个实施方式中，如图1所示，所述气液混合区1包括依次连接的收缩段11、喉管段12及扩张段13，该气液混合区1还包括与所述收缩段11的大端连接的圆柱状的进液段14，该进液段14的远离收缩段11的端部具有进液口4，进气口5连通至喉管段12。应该可以理解，本发明提供的技术方案并不限于气液混合区1具有进液段14，也可不具有进液段14，而将进液口4直接设置于收缩段11的大端，进气口5的设置也不限于本实施方式中的设置方式。
本实施方式中，优选地，所述收缩段11形成为锥台形结构，所述收缩段11的锥角为20°～40°；所述扩张段13形成为锥台形结构，所述扩张段13的锥角为10°～30°；所述收缩段11的大端内径与所述扩张段13的大端内径相同；所述喉管段12的内径为所述进液段14的内径的1/3～1/2，所述喉管段12的长度为所述喉管段12的内径的1～3倍；所述收缩段11的长度为所述喉管段12的长度的1～3倍；所述进液段14的长度为所述喉管段12的长度的1～3倍。其中，所述收缩段11和所述扩张段13的锥角指的是锥台形结构的母线和轴线之间的夹角。
本实施方式中，优选地，所述喉管段12连通有多个与所述进气口5连通以向所述喉管段12注入气体的入口，多个所述入口沿所述喉管段12的周向间隔设置。通过多个入口向喉管段12注入气体，不仅增强了水流的湍动程度，而且提高了气相在水流中的分布均匀程度及气含率。而传统的仅通过一个入口向喉管段12注入气体的方式，流体在径向上的分布很不均匀，这对混合是不利的。
本实施方式中，如图1所示，所述混合器主体内还设置有围绕所述喉管段12的环形腔8、具有所述进气口5且连通至所述环形腔8的注气管7以及所述环形腔8与所述喉管段12之间的连接管9，沿所述喉管段12的周向间隔设置有多个所述连接管9，多个所述连接管9形成向所述喉管段12注入气体的多个所述入口。优选地，所述连接管9间隔设置有2-5个，更优选为2-4个。从进气口5注入的气体，沿注气管7依次进入环形腔8、连接管9，然后进入喉管段12内。本实施方式中注气管7、环形腔8和连接管9的结构设计，还起到了稳定进气压力的作用，并使得环向的压力分布更加均匀。
应该可以理解的是，为形成多个入口，也可以设置多个进气口5以及分别连通所述进气口5和喉管段12的多个通道，从而形成多个向喉管段12注气的入口。
下面具体描述下采用图1所示的静态混合器工作的具体过程。
工作过程中，气体首先注入到进气口5内，气体沿注气管7进入到环形腔8内，然后从环形腔8沿多个连接管9进入到喉管段12内，通过调整气源阀门开度，使得注气流量和注气压力达到设定值。此后液体由进液口4进入到进液段14，然后进入收缩段11，由于收缩段11处流道横截面积减小，水流速度升高，随后进入喉管段12与气体均匀混合。均匀混合的气液两相流进入扩张段13，流速放慢，后流经剪切滤出区2，直径较大的气泡或液滴被进一步剪切破碎直径变得更小。其后流经静态混合区3，由于存在扭曲片31，流道的横截面产生变化，水流流速增加，并在扭曲片31导流作用下产生轴向旋流，从而气液相得到充分混合，相界面的表面更新速度得到提升，传质过程被大大强化，气液反应得以充分进行，反应后的气体和液体混合物最后从出口6流出。该静态混合器综合利用文丘里流道、滤网和扭曲片，使气泡在压力变化、滤网剪切、旋流碰撞作用下破碎生成微米级气泡，气相和液相得到充分的混合。解决了现有技术中文丘里管内气泡破碎不完全的问题和旋流式产生初始气泡粒径大及气相分布不均的问题。
图2所示的静态混合器与图1所示的静态混合器的工作过程基本相同，只是图2中的静态混合器没有剪切滤出区2，该实施方式中的静态混合器中的气体和液体在经过气液混合区1和静态混合区3，利用变径结构和扭曲片31也可使得静态混合器内的气液产生微气泡，混合均匀。
根据本发明的另一方面，还提供一种气液混合系统，所述气液混合系统包括如上所述的气液静态混合器。
优选地，所述气液静态混合器设置有多个。根据具体需要，可以将多个所述气液静态混合器并联设置；或者，多个所述气液静态混合器串联设置；或者，多个所述气液静态混合器形成多个并联连接的气液静态混合器串，其中每个气液静态混合器串包括多个串联的气液静态混合器。
其中，在串联的所述气液静态混合器中，优选设置为，下游的所述静态混合区3的直径小于上游的所述静态混合区3的直径。这样，流体在逐级经过静态混合区3可以逐级形成更微小的液滴或气泡。
优选地，下游的所述静态混合区3的直径为上游的所述静态混合区3的直径的比值为：0.3～0.6:1。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种气液静态混合器，其特征在于，所述气液静态混合器包括具有进液口(4)、进气口(5)和出口(6)的混合器主体，所述混合器主体内设置有具有所述进液口(4)和所述进气口(5)的气液混合区(1)，所述气液混合区(1)包括沿流体的流动方向依次连接的收缩段(11)、喉管段(12)及扩张段(13)，所述收缩段(11)沿朝向所述喉管段(12)的方向逐渐收缩，所述扩张段(13)从所述喉管段(12)向靠近所述出口(6)的方向逐渐扩张；
其中，所述扩张段(13)和所述出口(6)之间设置有静态混合区(3)，所述静态混合区(3)内设置有沿轴向呈螺旋形延伸的扭曲片(31)。
2.根据权利要求1所述的气液静态混合器，其特征在于，所述扭曲片(31)的扭曲角度为90°～360°，优选为120°～180°。
3.根据权利要求1所述的气液静态混合器，其特征在于，所述扭曲片(31)沿轴向方向的长度为所述静态混合区(3)的内径的1～10倍，优选为2～4倍。
4.根据权利要求1所述的气液静态混合器，其特征在于，所述混合器主体内还设置有位于所述扩张段(13)和所述静态混合区(3)之间的剪切滤出区(2)，所述剪切滤出区(2)内设置有用于流体穿过的至少一层滤网(21)。
5.根据权利要求4所述的气液静态混合器，其特征在于，所述剪切滤出区(2)内设置有多层所述滤网(21)以及将多层所述滤网(21)间隔开的分隔环。
6.根据权利要求4所述的气液静态混合器，其特征在于，所述剪切滤出区(2)内设置有多层所述滤网(21)，沿流体的流动方向，所述滤网(21)的目数逐层相同或逐层增多。
7.根据权利要求4所述的气液静态混合器，其特征在于，所述滤网(21)的目数范围为200～800。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的气液静态混合器，其特征在于，所述气液混合区(1)还包括具有所述进液口(4)、与所述收缩段(11)的大端连接的圆柱状的进液段(14)。
9.根据权利要求8所述的气液静态混合器，其特征在于，所述收缩段(11)形成为锥台形结构，所述收缩段(11)的锥角为20°～40°；和/或，
所述扩张段(13)形成为锥台形结构，所述扩张段(13)的锥角为10°～30°；和/或，
所述收缩段(11)的大端内径与所述扩张段(13)的大端内径相同；和/或，
所述喉管段(12)的内径为所述进液段(14)的内径的1/3～1/2，所述喉管段(12)的长度为所述喉管段(12)的内径的1～3倍；和/或，
所述收缩段(11)的长度为所述喉管段(12)的长度的1～3倍；和/或，
所述进液段(14)的长度为所述喉管段(12)的长度的1～3倍。
10.根据权利要求1-7中任意一项所述的气液静态混合器，其特征在于，所述喉管段(12)连通有多个与所述进气口(5)连通以向所述喉管段(12)注入气体的入口，多个所述入口沿所述喉管段(12)的周向间隔设置。
11.根据权利要求10所述的气液静态混合器，其特征在在于，所述混合器主体内还设置有围绕所述喉管段(12)的环形腔(8)、具有所述进气口(5)且连通至所述环形腔(8)的注气管(7)以及所述环形腔(8)与所述喉管段(12)之间的连接管(9)，沿所述喉管段(12)的周向间隔设置有多个所述连接管(9)，多个所述连接管(9)形成向所述喉管段(12)注入气体的多个所述入口。
12.一种气液混合系统，其特征在于，所述气液混合系统包括根据权利要求1-11中任意一项所述的气液静态混合器。
13.根据权利要求12所述的气液混合系统，其特征在于，所述气液静态混合器设置有多个；
多个所述气液静态混合器并联设置；或者，
多个所述气液静态混合器串联设置；或者，
多个所述气液静态混合器形成多个并联连接的气液静态混合器串，其中每个所述气液静态混合器串包括多个串联的气液静态混合器。
14.根据权利要求12所述的气液混合系统，其特征在于，所述气液静态混合器设置有多个，其中的至少部分所述气液静态混合器串联设置；
串联的所述气液静态混合器中，下游的所述静态混合区(3)的直径小于上游的所述静态混合区(3)的直径；优选地，下游的所述静态混合区(3)的直径与上游的所述静态混合区(3)的直径的比值为：0.3～0.6:1。
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