1.2.4　射流混合器

射流喷射也是工业生产中利用湍流混合机理实现液⁃液混合的技术之一。与常用的机械搅拌式混合设备比较,液体射流混合装置具有结构简单、运行可靠、噪声小、相间接触面积大、传质速度快、便于综合利用等优点。射流混合器通常由泵、射流器、管路及贮槽组成(图1.23)。需要混合的介质经过泵的驱动,从喷嘴射出形成高速射流,与槽中的液体进行剪切和交换,夹带周围液体进行循环,使槽中的介质有效地混合。示例的喷头有多个喷嘴,可以直接推动更大范围的流体混合。

图1.23　射流混合设备示意图

湍流自由射流的流动结构如图1.24所示。已经形成的湍流射流,由喷口开始,射流的径向范围逐渐扩大,而射流中心速度则按一定的规律逐渐降低;射流与周围流体发生动量交换,将周围的流体卷吸到射流边界层内,使混合区不断扩大。射流不仅卷吸周围的流体,而且高速射流剪切层的流体力学不稳定性导致涡旋不断生成,湍流涡旋的运动减小了流体离集的尺度,强化了射流和周围流体的混合。射流混合器的设计和优化操作,需要对射流混合的流体力学机理有深刻的认识和定量的分析。

图1.24　湍流自由射流的流动结构

射流混合器中最重要的部件是喷嘴。简单的喷嘴直接将带压流体从喷嘴口射出[图1.25(a)]。复杂喷嘴将两级喷嘴组合,如图1.25(b)所示。第一级喷嘴在吸入室中产生负压,将更多的流体吸入,第二级喷嘴形成射流进入混合器。这样的结果可以使总夹带量大大增加,改善混合性能。

图1.25　两种喷嘴结构

射流混合器的喷嘴的个数、安装位置、操作方式都是射流混合设计的重要问题。一种典型的液体射流混合设备如图1.23所示,贮槽中央装置一个由12个喷嘴按辐射状排列的组合射流混合装置,常称为涡流混合器。每个喷嘴又由两级喷嘴构成。流体由贮槽外的泵推动循环。若混合池的容积很大,也可在池中布置多台混合器,成为多组合喷嘴混合器。

射流喷嘴的操作方式也可以起到改善混合效率的作用。许多混合设备都在近于稳定的状态下运行。实际上,人为非稳态操作能带来更好的效果。例如,人为对滴流床反应器的操作条件实施周期性的扰动,反应器的生产能力会比稳态的高;合适的周期性扰动能使滴流床中的气液径向分布的不均匀性降低。周期性扰动下的机械搅拌,能使层流条件下容易出现的流体离集现象(长时间搅拌也无法使某些“被隔离”的区域混匀)消失。因此,大容器、喷嘴少的射流混合器,可以对射流流量实施动态操作,例如为喷嘴的关停、射流强度等设计特别的制度等,以增强射流的空间、时间域上的非对称性、混沌性,可望获得混合效率的提升。

在类似管道流动的体系中,射流流体的方向可以与主流体方向一致(中心射流或同轴射流),也可以与主流体成一定的角度(错流射流),或与管道主流逆向,如图1.26所示。从增强两股流体相互作用的强度来看,逆流方式应该最有利于混合,但仍需要兼顾工艺要求来慎重考虑。在管道混合设备的混合指标和强化方面,它与静态混合器有许多类似处。

图1.26　管道射流混合器

射流混合器常用于黏度在1Pa·s(1000cP)以下液体和浆状流体的混合,因为在高黏度的流体中剪切作用传递的距离很短。高黏度流体中的混合则只能将多个喷嘴在空间中分散布置。射流混合器已用于大到760m3的液体贮槽。射流喷射混合器混合速度很快,能达到混合过程在毫秒级时间内完成,在工业上特别适用于复杂竞争快反应体系。喷嘴的设计是关键,其优化设计需要依赖于对宏观和微观混合机理的研究,以及准确的计算流体力学数值模拟工具的运用。