CN105944584B - 一种用于液-液混合乳化的静态混合器及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于液‑液混合乳化的静态混合器及工作方法，包括混合器主体，所述混合器主体的一端设有至少两个液体入口，所述混合器主体的另一端设有液体出口，所述液体入口和液体出口之间设有波纹板，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同，在所述波纹板的壁面上分布有沟槽。本发明在静态混合单元的波纹板的壁面上设置沟槽，可以使净减阻达8%；本发明中微沟槽的存在改变了流体与混合器波纹板表面之间的界面接触，增大了流体在材料表面的接触角，从而改变了波纹板表面的疏水性能；此外，微沟槽结构能够减少边界层的小涡流的汇聚，使边界层分离延迟，减少壁面湍流的能量损失。

Description

一种用于液-液混合乳化的静态混合器及其工作方法

技术领域

本发明涉及一种静态混合器，具体地说是一种用于液-液混合乳化的静态混合器及其工作方法，主要应用于石油化工、日用化工及能源等生产过程中的液-液均质混合和乳化等的化工工艺过程中。

背景技术

均质是食品或化工行业生产中经常要运用的一项技术。食品加工中的均质就是指物料的料液在挤压，强冲击与失压膨胀的三重作用下使物料细化，从而使物料能更均匀的相互混合，比如奶制品加工中使用均质机使牛奶中的脂肪破碎的更加细小，从而使整个产品体系更加稳定。牛奶会看起来更加洁白。均质主要通过均质机来进行的。是食品、乳品、饮料的行业的重要加工设备。

乳化工艺是一种液体以极微小液滴均匀地分散在互不相溶的另一种液体中的作用。乳化是液-液界面现象，两种不相溶的液体，若加入适当的表面活性剂在强烈的搅拌下，油被分散在水中，形成乳状液。

乳化***乳化基质现有制备工艺，其配方为硝酸铵55～80%，硝酸钠0～15%，水10～22%，乳化剂1.0～3%，油相材料3～6%。乳化剂为失水山梨醇单油酸酯，聚异丁烯丁二酰亚胺类，以及它们的复合物。包装型产品的油相材料为南阳复合蜡、茂名复合蜡，机油等。散装型产品的油相材料为柴油、机油、再生油、轻蜡油等。

苏尔士静态混合器是在70年代由瑞士苏尔士（sulzer）公司研制的一种静态混合器，苏尔士静态混合器的混合单元是由金属片或塑料片轧制成的波纹板交替重叠而成,相邻的两块波纹板的波纹倾斜方向不同,改变波纹的峰高、波纹间的夹角和波纹的倾斜角度,就可以得到许多不同规格的混合单元。

许多混合单元组合在一起,相邻单元彼此具有交角,就构成了苏尔士静态混合器,相邻两个波纹板间的波纹通道使流体在平行于波纹板平面的两个不同的方向上流动,相邻的下一个静态混合单元,其波纹通道使流体在旋转了一定角度的平面上流动,这样,静态混合器能使管内流体在空间三个方向上流动,使流体混合均匀。在苏尔士型静态混合器中,产生流体的分散和混合作用、每个单元板片的前缘对流体的剪切作用、相交通道会合点“混合小池”作用和流体作转向时动压力对流体的撕裂作用。

苏尔士静态混合器在湍流工作状态下具有较优异的混合性能，随着技术的发展，得到了广泛的应用。但是，该种混合器的不足之处是混合过程中阻力较大。

此外，在现在通用的化工工艺应用中，大多采用机械混合与静态混合器串联工艺，机械搅拌设备消耗功率大，工作流程不连续，工作介质不封闭，机械搅拌设备故障率高，在一些特殊工艺流程中，故障的发生直接导致化工生产出现危险。

使用本发明的一体化装置,可代替现有乳化基质制备工艺中的二段法制备工艺，取消现有的粗乳，精乳。

发明内容

本发明的目的在于针对上述问题，提供一种用于液-液混合乳化的静态混合器及其工作方法。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案包括：一种用于液-液混合乳化的静态混合器，包括混合器主体，所述混合器主体的一端设有至少两个液体入口，所述混合器主体的另一端设有液体出口，所述液体入口和液体出口之间设有波纹板，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同，在所述波纹板的壁面上分布有沟槽。

优选地，在所述液体入口和液体出口之间设有静态混合段，所述液体入口、静态混合段和液体出口是相互连通的；所述静态混合段包括若干波纹板单元，每个波纹板单元均由若干在纵向上重叠布置的波纹板构成邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同，文丘里管直径小的一段为文丘里高速段，直径大的一段为文丘里缓冲段，在经过文丘里高速段时，几种液体由于截面积的突然减小，根据伯努利方程，流速增高、压力减小，流体在此种情况下会形成高速湍流，呈现高度混合状态，流体进入文丘里缓冲段时，流速减缓。

优选地，所述沟槽均匀分布在所述波纹板的壁面，且沟槽的方向与其所处的波纹板上波纹的倾斜方向一致。

优选地，相邻的波纹板之间波纹倾斜方向呈90°夹角，将夹角设为90°，流体会在波纹通道内旋转90°，对流体的撕裂作用和剪切作用更为明显，促使流体流动方向更为复杂，剪切作用加剧，混合效果好。。

优选地，所述沟槽为微米级沟槽，所述沟槽与所述波纹板为一体式结构。在微观层面，由于波纹板表面的微沟槽的作用，使得波纹板表面形成小的涡流，小涡流的产生使流体的边界层分离得以延迟，从而使流体阻力减少，耗能减少，进而使波纹板的剪切混合作用更为明显。

优选地，所述沟槽的截面形状为等腰三角形。等腰三角形的截面使流体在材料表面的接触角一致，减少能量损失，减阻效果好。

优选地，所述沟槽的截面的高度与底边长度的比值为0.6～0.8。该比值使得微沟槽发挥最佳的减阻作用。

优选地，在所述液体入口和所述静态混合段之间设有一文丘里管，所述文丘里管直径小的一端与所述液体入口相连通，所述文丘里管直径大的一端与所述静态混合段相连通。

一种利用权利要求1-8所述的静态混合器的工作方法，包括如下步骤：

步骤1）：多种待混合液体从不同的液体入口同时进入混合器主体；

步骤2）：液体在文丘里管内进行初步混合；

步骤3）：液体进入静态混合单元进一步混合后从液体出口排出。

优选地，所述步骤2）中，液体在经过文丘里管的小直径段时，由于截面积的突然减小，根据伯努利方程，液体流速增高、压力减小，液体在此种情况下会形成高速湍流，进行初步混合；

所述步骤3）中，液体在波纹板的导流作用下，形成交叉的液体，在静态混合单元内进行剪切作用，完成最终混合。

一种静态混合器的应用，应用到石油化工，日用化工等领域的液-液混合工艺以及乳化***行业的乳化基质制备工艺。

本发明有益效果是：

1．本发明在静态混合单元的波纹板的壁面上设置沟槽，壁面微沟槽减阻技术是表面处理技术的一种, 实验发现微沟槽壁面可以得到4% 的减阻效果。通过改进微沟槽结构,可以使净减阻达8%；本发明中微沟槽的存在改变了流体与混合器波纹板表面之间的界面接触，增大了流体在材料表面的接触角，从而改变了波纹板表面的疏水性能；此外，微沟槽结构能够减少边界层的小涡流的汇聚，使边界层分离延迟，减少壁面湍流的能量损失，由于以上两个因素的影响，本发明的微沟槽的应用使本发明的静态混合单元比起传统的苏尔士混合器的减阻效能提高8%以上。

2．本发明沟槽的尺寸量级为微米级别，对于不同的流体粘度进行尺寸的调整，可以满足不同的工艺要求，适用范围广。

3.本发明将静态混合单元与文丘里管进行串联，通过文丘里管对液体进行初步混合，静态混合单元进行进一步的混合，可以达到理想的混合效果，使得单体设备完成两段工艺，取消了机械搅拌工艺，减少了冗余设备，降低设备故障的发生率。

附图说明

图1为本发明用于液-液混合乳化的静态混合器一种实施例的外部结构示意图；

图2为本发明用于液-液混合乳化的静态混合器一种实施例的内部结构示意图；

图3为本发明用于液-液混合乳化的静态混合器一种实施例静态混合单元的结构示意图；

图4为本发明一种实施例微沟槽结构示意图；

图5为本发明一种实施例微沟槽局部放大结构示意图；

图6为本发明实施例微沟槽的主视图；

图中：1第一液体入口，2第二液体入口，3第三液体入口，4文丘里高速段，5文丘里缓冲段，6连接法兰，7静态混合段，8静态混合单元，9液体出口。

具体实施方法

结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

一种用于液-液混合乳化的静态混合器，包括混合器主体，所述混合器主体的一端设有至少两个液体入口，所述混合器主体的另一端设有液体出口，所述液体入口和液体出口之间设有波纹板，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同，在所述波纹板的壁面上分布有沟槽。

如图1所示，一种用于液-液混合乳化的静态混合器，包括混合器主体，所述混合器主体的一端设有第一液体入口1、第二液体入口2和第三液体入口3，混合器主体的另一端设有液体出口9；液体入口和液体出口9之间依次设置有文丘里高速段4、文丘里缓冲段5和静态混合段7；文丘里高速段4和文丘里缓冲段5构成一文丘里管，即形成文丘里混合器，文丘里高速段4的直径小于文丘里缓冲段5的直径。文丘里管与静态混合段7之间通过连接法兰6相连接，连接法兰6之间加装密封垫片。

如图2所示，静态混合段7的内部设有静态混合单元8，全部的液体入口、文丘里高速段4、文丘里缓冲段5、静态混合单元8和液体出口9之间是相互连通的，静态混合单元8内设有若干沿轴向依次排列的波纹板单元。

如图3所示，每个波纹板单元由若干在纵向上重叠布置的波纹板构成，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向呈90°夹角。

如图4所示，在所述波纹板单元的壁面上并列均匀分布有沟槽，所述沟槽的方向与其所处的波纹板单元上波纹的倾斜方向一致，即与流体在波纹板单元上的流向一致，沟槽为尺寸量级为微米级的微沟槽。微沟槽的存在改变了流体与混合器波纹板表面之间的界面接触，增大了流体在材料表面的接触角，从而改变了波纹板表面的疏水性能。

微沟槽结构能够减少边界层的小涡流的汇聚，使边界层分离延迟，减少壁面湍流的能量损失。

如图5及图6所示，微沟槽的截面形状为等腰三角形，该等腰三角形的底边长为s，高为h，h与s的比值在0.6～0.8之间。

本实施例的工作方法，包括如下步骤：

步骤1）：几种待混合液体分别从第一液体入口1、第二液体入口2和第三液体入口3同时进入混合器主体；

步骤2）：液体在经过文丘里高速段4时，几种液体由于截面积的突然减小，根据伯努利方程，流速增高、压力减小，流体在此种情况下会形成高速湍流，进行初步混合，呈现高度混合状态，流体进入文丘里缓冲段5时，流速减缓；

步骤3）：流体经过文丘里缓冲段5过渡之后进入静态混合段7，流体由于波纹板的导流作用，形成交叉90度的流体，在静态混合段7再次进行剪切作用，进行再次混合，形成高度混合的效果。

同时在微观层面，由于波纹板表面的微沟槽的作用，使得波纹板表面形成小的涡流，小涡流的产生使流体的边界层分离得以延迟，从而使流体阻力减少，耗能减少，进而使波纹板90度的剪切混合作用更为明显。相邻的静态混合单元在静态混合段7的轴向上有90度的相位差，此相位差促使流体流动方向更为复杂，剪切作用加剧。经过静态混合段7内部一系列静态混合单元8的作用，从液体出口9流出，使几种液体高度混合。

静态混合段7的长度，静态混合单元8中波纹板单元的多少和波纹板尺寸的大小依据工艺流程进行调整，在满足混合要求的情况下，将设备进出口压降调整到最小，所耗功率最小为最理想工况。

本发明在波纹板上进行壁面沟槽处理，采用表面喷涂或者压模刻画的技术，达到微米级别的微沟槽，微沟槽的方向为沿波纹板的流动方向，微沟槽与波纹板为一体的。因波纹板上下表面皆有流体通过，所以波纹板上下表面皆具有微沟槽结构。微沟槽的尺寸量级为微米级别，对于不同的流体粘度进行尺寸的调整，以满足工艺要求。

微沟槽的存在改变了流体与混合器波纹板表面之间的界面接触，增大了流体在材料表面的接触角，从而改变了波纹板表面的疏水性能；微沟槽结构能够减少边界层的小涡流的汇聚，使边界层分离延迟，减少壁面湍流的能量损失。由于以上两个因素的影响，微沟槽的应用使本发明比起传统的苏尔士混合器的减阻效能提高8%以上。

本实施例还同时将文丘里混合器与微沟槽处理的静态混合单元进行串联，通过文丘里管对液体进行初步混合，静态混合单元进行进一步的混合，可以达到理想的混合效果，使得单体设备完成两段工艺，取消了机械搅拌工艺，减少了冗余设备，降低设备故障的发生率。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以做出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (6)

1.一种用于液-液混合乳化的静态混合器，包括混合器主体，所述混合器主体的一端设有至少两个液体入口，所述混合器主体的另一端设有液体出口，其特征在于，所述液体入口和液体出口之间设有波纹板，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同，在所述波纹板的壁面上分布有沟槽；在所述液体入口和液体出口之间设有静态混合段，所述液体入口、静态混合段和液体出口是相互连通的；所述静态混合段包括若干波纹板单元，每个波纹板单元均由若干在纵向上重叠布置的波纹板构成，相邻的波纹板之间的波纹倾斜方向不同；所述沟槽均匀分布在所述波纹板的壁面，且沟槽的方向与其所处的波纹板上波纹的倾斜方向一致；所述沟槽为微米级沟槽，所述沟槽与所述波纹板为一体式结构；所述沟槽的截面形状为等腰三角形，且所述截面的高度与底边长度的比值为0.6～0.8。

2.根据权利要求1所述的静态混合器，其特征在于，相邻的波纹板之间波纹倾斜方向呈90°夹角。

3.根据权利要求1所述的静态混合器，其特征在于，在所述液体入口和所述静态混合段之间设有一文丘里管，所述文丘里管直径小的一端与所述液体入口相连通，所述文丘里管直径大的一端与所述静态混合段相连通。

4.一种利用权利要求1-3任意一项所述的静态混合器的工作方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1）：多种待混合液体从不同的液体入口同时进入混合器主体；

步骤2）：液体在文丘里管内进行初步混合；

步骤3）：液体进入静态混合单元进一步混合后从液体出口排出。

5.根据权利要求4所述的工作方法，其特征在于，

所述步骤2）中，液体在经过文丘里管的小直径段时，由于截面积的突然减小，根据伯努利方程，液体流速增高、压力减小，液体在此种情况下会形成高速湍流，进行初步混合；

所述步骤3）中，液体在波纹板的导流作用下，形成交叉的液体，在静态混合单元内进行剪切作用，完成最终混合。

6.一种如权利要求1-3任意一项所述的静态混合器的应用，其特征在于，应用到石油化工，日用化工领域的液-液混合工艺以及乳化***行业的乳化基质制备工艺。