管道静态混合元件及含有该混合元件的管道静态混合器的制作方法

本发明属于管道静态混合器技术，具体涉及一种管道静态混合元件及含有该混合元件的管道静态混合器。

背景技术

管道静态混合器是一种安装在空心管道中不同规格的混合元件组成的高效混合设备，是一种先进的单元设备，静态混合器和搅拌器不同的是，静态混合器的内部没有运动部件，只有静止元件。流体在流经静态混合器时，由于混合单元的作用，使流体时而左旋，时而右旋，不断改变流动方向，不仅将中心液流推向周边，而且将周边流体推向中心，产生分流、合流、旋转，使流体达到充分的混合。

层流时是“分割-位置移动-重新汇合”；湍流时，流体除上述三种情况外，还会在断面方向产生剧烈的涡流，有很强的剪切力作用于流体，使流体进一步分割混合，最终混合形成所需要的混合液。

目前市面上常用的静态混合器主要类型有:sv、sh、sk、sx和sl型五种。其中，

sv型静态混合器内部单元由波纹片组装而成，适用于低粘度或少量非粘结性杂质；

sh型静态混合器单元是由双孔道组成，孔道内放置螺旋片，相邻单元双孔道的方位错位90°，单元之间设有流体再分配室，适用于粘度≤10⁴厘泊的中高粘度液-液反应、混合、吸收过程或生产高聚物流体混合、反应过程；

sk型静态混合器又称单螺旋形静态混合器，其单元是扭转180°或270°的螺旋板，安装入管壳时相邻的螺旋板分别为左旋和右旋，适用于流量较小并伴有杂质或粘度≤10⁶厘泊的高粘性介质；

sx型静态混合器单元是由交叉的横条按一定规律构成许多x型单元，适用于产生高聚物流体的混合、反应；

sl型静态混合器单元是由交叉的横条按一定规律构成单x形单元，适用于粘度≤10⁸厘泊或伴有高聚物介质的混合；

但是，这些管道静态混合器的普遍存在着流体通道复杂、易积污、流体阻力大和流体的单一适应性等不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于，提供一种管道静态混合元件、以及含有该混合元件的管道静态混合器，以解决上述问题中的一个或几个。

根据本发明的一个方面，提供了一种管道静态混合元件，包括：第一元件、至少一组第二元件和第三元件，第一元件、第二元件和第三元件依次连接且三者轴线重合，其中：

第一元件包括圆锥面，以及设于圆锥面最大直径处的第一圆柱面；

第二元件包括第一圆台面，以及设于第一圆台面最大直径处的第二圆柱面；第一圆台面最小直径处与第一圆柱面处相连；

第三元件为第二圆台面，第二圆台面的最大直径处与第二圆柱面相连。

由此，管道静态混合元件前端的v形圆锥面对流体具有整流作用，流体经过第一圆柱面之后产生强烈的湍流，从而对流体起到混合作用；而且管道静态混合元件整体采用圆锥面-圆柱面-圆锥面-圆柱面-圆锥面这样的结构设计还具有阻力小、压力损失小、无锐缘磨损、无死角、不积污的特点。

在一些实施方式中，圆锥面的锥角为40°～45°，第一圆柱面的直径根据等效直径比β＝0.5～0.55确定。由此，圆锥面的锥角采用40°～45°的流线型设计，具有调整流体流动的作用，有利于降低流体的阻力；而且当圆锥面锥角小于40°时，会增加其轴向长度从而增加成本，若大于45°，会加大流体阻力；而且在圆锥面后直接设置第一圆柱面，避免了流体骤然收缩，使得流体在旋转流的作用下顺利流经第一圆柱面，避免流体中的固体颗粒和气体中的液滴造成积聚。

在一些实施方式中，第一圆台面的锥角为40°～45°，其最小直径根据等效直径比β＝0.8～0.85确定；第二圆柱面的直径根据等效直径比β＝0.5～0.55确定，其轴向长度为管道内径的0.2～0.3倍。由此，第二元件这样的结构设计，为流经第一圆柱面、第二圆柱面的流体提供一个快速释放能量的空间，使流体的动能迅速释放；与此同时，产生强烈湍流的流体状态也迅速发生转化，此湍流也使流体得到了有效的混合；而且当第一圆台面锥角小于40°时，会增加其轴向长度从而增加成本，若大于45°，会加大流体阻力。

其中，等效直径比β定义如下:

式中：d为工况下管道的内径；d为v型圆锥面的最大横截面处的直径。

在一些实施方式中，第二圆台面锥角为110°～120°。由此，流体通过此段时会产生更强烈涡旋流，在此产生强烈的混合作用，使得流体混合更加充分，流向后续的流程；而且，第二圆台面锥角大于120°时，锥角越大流出系数越小；第二圆台面锥角小于110°时，会增加其轴向长度从而增加成本。

在一些实施方式中，圆锥面最大直径等于第一圆柱面直径；第一圆台面的最小直径要小于第一圆柱面的直径；第一圆台面最大直径等于第二圆柱面直径；第二圆台面的最大直径等于第二圆柱面。由此，第一圆台面与第一圆柱面之间在连接处形成了一个环形空间，有利于流体流经第一圆柱面后在此环形空间进行流体状态的转变以及能量的释放；流体由第二圆柱面流向第二圆台面时，轴向上第二圆台面直径逐渐减小，因此此处形成一扩散段，流体自管壁向管轴推压，便于形成涡旋流使得流体再次混合。

本发明所公开的管道静态混合元件，采用了v锥圆锥收缩结构。圆锥体收缩结构具有流体整流的特殊构造，能将流速不规则的流体直接整流成理想流体，在混合元件的前段利用了圆锥收缩段的流动调整和非对称的速度分布的均流效果功能，也就是在收缩段形成将流体自管轴向四周管壁推压，强迫分流，以达到整流目的。

本发明所公开的管道静态混合元件用途广泛，可应用于流体输送管路的多数静态混合的场合，应用于不同的场合时，可选用不同的结构参数，达到最佳的混合效果。

根据本发明的另一个方面，提供了一种管道静态混合器，包括管道、混合元件、以及用于支撑所述混合元件的支撑体，混合元件与管道轴线重合，其中，混合元件包括第一元件、至少一组第二元件、和第三元件，第一元件、第二元件和第三元件依次连接且三者轴线重合，

第一元件包括圆锥面，以及设于圆锥面最大直径处的第一圆柱面；

第二元件包括第一圆台面，以及设于第一圆台面最大直径处的第二圆柱面；第一圆台面最小直径处与第一圆柱面处相连；

第三元件为第二圆台面，第二圆台面的最大直径处与第二圆柱面相连。

在一些实施方式中，圆锥面的锥角为40°～45°，第一圆柱面的直径d1根据圆锥面的等效直径比β＝0.5～0.55，其中d1计算方式如下：

式中，d为管道内径；

第一圆柱面的轴向长度为管道内径的0.2～0.3倍。由此，第一圆柱面的直径根据圆锥面的等效直径比β＝0.5～0.55来确定，此时对应的环形缝隙的通道截面积为所用管道通道截面积的25％～30％，其轴向长度为管道内径的0.2～0.3倍，此环形过流缝隙具有很好的流动调整功能，同时也有均匀速度分布和积蓄能量的作用，对其后的能量释放非常有帮助。而且，第一圆柱面与管内壁之间也形成一环形过流缝隙，环形过流缝隙对来自上游的流动干扰具有极强的抗干扰能力，具有很好的流动调整功能。

在一些实施方式中，第一圆台面的锥角为40°～45°，其轴向长度为管道内径的0.4～0.5倍，其最小直径d2根据圆锥面的等效直径比β＝0.8～0.85确定，其中d2计算方式如下：

式中，d为管道内径；

第二圆柱面的直径d3根据圆锥面的等效直径比β＝0.5～0.55确定，其中d3计算方式如下：

式中，d为管道内径；

第二圆柱面的轴向长度为管道内径的0.2～0.3倍。由此，第二元件这样的结构设计，为流经第一圆柱面、第二圆柱面的流体提供一个快速释放能量的空间，使流体的动能迅速释放；与此同时，产生的强烈湍流时流体状态也迅速发生转化，此湍流也是流体得到了有效的混合。

在一些实施方式中，第二圆台面锥角为110°～120°，其处于该混合元件的最末段。由此，流体通过此段时会产生更强烈涡旋流，在此产生强烈的混合作用，使得流体混合更加充分，流向后续的流程。

在一些实施方式中，圆锥面最大直径等于第一圆柱面直径，第一圆台面的最小直径要小于第一圆柱面的直径，第一圆台面最大直径等于第二圆柱面直径，第二圆台面的最大直径等于第二圆柱面。由此，在第一圆柱面与第一圆台面连接处形成了一个空间，有利于流体流经第一圆柱面后在此空间进行流体状态的转变以及能量的释放；而且，这样的结构设计也使得混合元件与管道内壁之间形成一环形过流缝隙，对流体起到很好的流动调整功能。

在一些实施方式中，支撑体为带锁紧的可调机构，设有至少两组，相互十字交叉地布置于混合元件上；当第二元件设置有两组时，支撑体相互十字交叉地布置于混合元件的两端；当第二元件设置有五组以上时，除了混合元件两端设置支撑体外，还可根据实际需求在第二元件中间段设置支撑体。由此，通过调整支撑体，可以确保混合元件与管道同轴度。

流体从管口流入管内后，流经圆锥面结构的管道静态混合元件时，其流态发生多重变化：过度流-层流-湍流-层流-湍流-层流-湍流，即频繁的收缩与扩散交替进行，使得管内的流体在流经圆锥面结构后存在大尺度的强烈涡旋流，使二股或多股流体产生切割、剪切、旋转和重新混合，通过这种强烈的径向环流混合作用，从而达到充分的混合效果。

本发明所提供的管道静态混合元件，采用流线型设计结合圆锥面的合理应用，流体的阻力小，压力损失小，结构上工艺性好，对流体的雷诺数范围宽，而且流体的径向混合充分，没有流动盲区，因此无物料的“积污”问题，针对所用混合流体的物性和应用场合及操作条件，适当调整混合元件的结构参数，按使用对象的相关要求，采取定向制造，满足客户需求；此外，本发明的混合元件结构简单，使用寿命长。

本发明所提供的管道静态混合器采用上述的混合元件，在混合器内部形成收缩-扩散-收缩-扩散如此循环式的环形流体通道，结构简单，其自混合效果好，对于无自聚物产生的快速反应，可替代机械搅拌釜式反应器，作为连续式反应器，而且结构简单，易于精密制造，加工成本低，现场安装方便；此外，本发明的管道静态混合器，能满足《静态混合的设置》hg/t20570.20-95中的sh型和sv型静态混合器的应用范围。在精细化工的快速反应工序中，可作为平推流管式反应器，替代全混流搅拌式反应器；在污水处理工程中，适用于流体加药后，在管道输送中的混合场合。

附图说明

图1为本发明一种实施方式的管道静态混合元件结构示意图；

图2为图1所示管道静态混合元件角度示意图；

图3为图1所示管道静态混合元件的接合区域示意图；

图4为本发明一种实施方式的管道静态混合器结构示意图；

图5为流体经过图4所示的管道静态混合器混合元件时流束流态及通道截面积变化图；

图6为流体经过图4所示的管道静态混合器混合元件时流束流态及流速倍率变化图；

图7为本发明另一实施方式的管道静态混合器结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

图1～2示意性地显示了根据本发明的一种实施方式的管道静态混合元件。如图所示，该装置为一体成型，为一个整体结构，无可动部件，其包括：一组第一元件1、三组第二元件2和一组第三元件3，第一元件1、第二元件2和第三元3件依次连接且三者轴线重合。

第一元件1包括圆锥面11，以及设于圆锥面11最大直径处的第一圆柱面12，其中，圆锥面11的锥角δ为45°，第一圆柱面的直径d1按照等效直径比β＝0.55确定，即d1＝0.84d。

第二元件2包括第一圆台面21，以及设于第一圆台面21最大直径处的第二圆柱面22；第一圆台面22为圆台形，其最小直径处与第一圆柱面处相连12；其中，第一圆台面d2的锥角θ为45°，其最小直径按照等效直径比β＝0.8来确定，即d2＝0.6d；第二圆柱面d3的直径按照等效直径比β＝0.55来确定，即d3＝0.84d。

第三元件3为第二圆台面31，第二圆台面31也为圆台形，第二圆台面31的最大直径处与第二圆柱面22相连，第二圆台面锥角λ为120°。

其中，圆锥面11的最大直径等于第一圆柱面12的直径且圆锥面11的最大直径处与第一圆柱面12相连，两者为整体连接；第一圆台面21的最小直径小于第一圆柱面12的直径且第一圆柱面12与第一圆台面21的最小直径处连接，因此两者之间还存在一个接合部，这三者整体连体；第一圆台面21最大直径等于第二圆柱面22的直径且第一圆台面21最大直径处与第二圆柱面22连接，此两者整体连接；第二圆台面31的最大直径等于第二圆柱面22的直径且第二圆柱面22的直径处与第二圆台面31连接，此两者整体连接，也因此在混合元件的尾端形成“锐缘”，流体流过混合元件后还能再次混合，使得出料前流体混合更充分均匀。

同时，第一圆柱面12与第一圆台面21之间还形成一个供流体快速释放能量的环形空间4，在环形空间4内产生强烈的断流，使得流体进行有效混合。

混合元件的接合区域(如图3中虚线圆圈所示，其中图3中第一元件、第二元件和第三元件均只显示一组)均采用圆角流线型设计，特别是在第一圆柱面12与第一圆台面21的接合部处以弧度替代直角的设计，也能有效防止积污。

在其他实施例中，第二元件还可以设为1组、2组或4组、5组或更多，可根据实际情况进行增减。

图4示意性地显示了根据本发明的另一种实施方式的管道静态混合器，其中的箭头方向表示流体流动方向。如图所示，该装置包括空心管道6、置于空心管道6中的混合元件7、用于支撑混合元件7的支撑体8以及用于和现场工艺管道相连接的标准法兰9，其中，支撑体8为带锁紧的可调机构，设有两个，相互十字交叉地布置于混合元件7的两端；其中的箭头表示流体的流向。

混合元件7的轴线与管道6的轴线重合，其中，混合元件7的结构示意图如图1和图2所示，包括：一组第一元件1、三组第二元件2和一组第三元件3，第一元件1、第二元件2和第三元3件依次连接且三者轴线重合。

第一元件1包括圆锥面11，以及设于圆锥面11最大直径处的第一圆柱面12，其中，圆锥面11的锥角δ为45°，第一圆柱面12的直径d1根据等效直径比β＝0.55来确定，即d1＝0.84d，第一圆柱面12的轴向长度为管道6内径的0.2倍。

第二元件2包括第一圆台面21，以及设于第一圆台面21最大直径处的第二圆柱面22；第一圆台面22为圆台形，其最小直径处与第一圆柱面处相连12；其中，第一圆台面的锥角θ为45°，其最小直径d2按照等效直径比β＝0.8来确定，即d2＝0.6d，其轴向长度为管道6内径的0.4倍；第二圆柱面d3的直径按照等效直径比β＝0.55来确定，即d3＝0.84d，其轴向长度为管道6内径的0.2倍。

第三元件3为第二圆台面31，第二圆台面31也为圆台形，其最大直径处与第二圆柱面22相连，第二圆台面31的锥角λ为120°。

其中，圆锥面11的最大直径等于第一圆柱面12的直径，两者为整体连接；第一圆台面21的最小直径小于第一圆柱面12的直径，两者之间还存在一接合部，这三者整体连体；第一圆台面21最大直径等于第二圆柱面22的直径，此两者整体连接；第二圆台面31的最大直径等于第二圆柱面22的直径。

同时，第一圆柱面12与第一圆台面21之间还形成一个供流体快速释放能量的环形空间4，在环形空间4内产生强烈的断流，使得流体进行有效混合。

同时，第一圆柱面12、以及三个第二圆柱面22与管体6内壁之间也形成一环形过流缝隙10，环形过流缝隙10对流体具有很好的流动调整功能。

混合元件的接合区域(如图3中虚线圆圈所示，其中图3中第一元件、第二元件和第三元件均只显示一组)均采用圆角流线型设计，特别是在第一圆柱面12与第一圆台面21的接合处以弧度替代直角的设计，也能有效防止积污。

流体经过管口在管体腔内流动过程中，流体流态变化、通道截面积变化、流速倍率变化如图5和图6所示，流体流经第一元件时，通道截面积逐渐缩小，流体的流速逐渐增大，流体自管轴向四周管壁推压，强迫分流，此时，靠近管体内壁流动具有速度较低的流体同接近管轴流动具有速度较大的流体形成混流，这样就使原有较大速度分布梯度愈来愈小，并使得偏流、旋转流等非对称的速度分布在此得以矫正，从而在第一圆柱面与管体内壁形成的第一环形过流缝隙处形成速度均匀分布的流体(即层流)；

然后流体从第一圆柱面流向第一圆台面，由于第一圆台面最小直径处与第一圆柱面连接且第一圆台面最小直径小于第一圆柱面直径，于是在此处形成一个扩散段，流体在扩散段自管壁向管轴推压，并形成大尺度的强烈涡旋流；之后，流体继续沿着圆锥面向前运动，其所流经通道截面积再次逐渐缩小，在第二圆柱面处又形成层流，如此反复，直到流体流经第二圆台面时，此处再次形成一扩散段，流体自管壁向管轴推压，并形成涡旋流再次混合后流出管体。

在整个过程中，流体流态经历过渡流→层流→湍流→层流→湍流→层流→湍流→层流→断流的流态变化，使得流体能够充分混合。

具体实施时，首先要了解所需混合流体的物性(如粘度、流速、工作温度和压力等)和混合要求及操作条件，通过专业计算后调整混合元件的结构参数，参照使用单位的工程设计选用要求选用混合元件的制造材料，然后按使用单位的相关工艺要求，确定混合器的节数与现场安装位置和安装形式，采取定向制造混合元件，最后组装成合格的管道静态混合器；需要时，可采用多个管道静态混合器(如图4所示)串联使用，便于加工和运输的同时可以达到所需的混合结果。管道静态混合器安装于工艺管线时，应尽量靠近二股或多股流体初始分配处。除特殊注明外，通常设备两端均可作进、出口。

在其他实施例中，第二元件2还可以设为一组、二组或四组、五组或更多，可根据实际管体长度进行增减。当第二元件2设有五组或更多组时，需在第二元件2中间适当位置增设支撑体8。如图7所示，在该管道静态混合器中，设置有五组第二元件2以及三组支撑体8，支撑体8分别布置于混合元件7的两端以及第二元件2的中间段。

在其他实施例中，圆锥面11的锥角δ为40°或42°或43°或44°，第一圆柱面12直径根据圆锥面的等效直径比β＝0.5或0.52或0.53或0.54来确定，其轴向长度也可以为管道6内径的0.3或0.27或0.25或0.23或0.21倍。

在其他实施例中，第一圆台面21的锥角θ为40°或42°或43°或44°，其最小直径d2可以按照等效直径比β＝0.81或0.84或0.83或0.82或0.85来确定，其轴向长度为管道6内径的0.45或0.42或0.48或0.46倍；第二圆柱面的直径d3按照等效直径比β＝0.5或0.52或0.53或0.54来确定，其轴向长度还可以为管道6内径的0.3或0.27或0.25或0.23或0.21倍。

在其他实施例中，第二圆台面31的锥角λ还可以为110°或112°或115°或117°或113°或118°。

在精细化工的快速反应工序中，管道静态混合器可作为平推流管式反应器，替代全混流搅拌式反应器，此时，管道静态混合器中的管体要满足管长/管径＞50，反应物料以稳定的流量由管道一端连续进入，经混合元件时边流动边混合边反应，最后从管道的另一端出料。

在污水处理工程中，管道静态混合器适用于流体加药后，在管道输送中的混合场合，即从管道上的给药口向待处理流体添加污水处理药剂，在流经混合元件时药剂与流体混合的同时也作用于流体，以达到给药目的；此时，可以采取多个管道静态混合器串联使用的方法，使得污水处理效果更优。

以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。