侧装和旋喷搅拌器

1、原杆和成品杆储罐搅拌原杯和成品搅拌可以用多种方式来达成，譬如侧进式螺旋桨(叶轮)搅拌器、喷射器 (JET MIXER)、旋转喷射混合器(RJM)等。在全世界漩化工业上最被广泛使用的是侧进式 搅拌器。旋转喷射混合系统是美国徳州休斯敦巴特沃斯在30年代的产品。在美国推广了数十 年，由于效果不佳，未能被业界接受。近几年来，操作原理与巴特沃斯相同的英国的欧培克 (OPEC)和日本的大凤(Taih。)非常积极地在中国推广他们的旋转喷射混合系统。他们的 宣传资料把有些错误的信息提供给用户。国内一些设讣院和用户也把数十年前的技术当成新技 术来看待。本文将全面的比较侧进式螺旋桨搅拌器和旋转喷射混合系统*侧进式

2、螺旋桨搅拌器和旋转喷射器都是属于“喷射混合器(Jet Mixer)”。混合的过程是从 喷嘴(或孔洞)释放出来的相对髙速喷射流流经静止或缓慢移动的液体形成湍流而引起混合。 本文将引用混合原理和流体力学的理论和公式及使用案例来比较这两种喷射混合器。理论上侧 进式螺旋桨搅拌器很明显的优于旋转喷射器而且在杯化工业已被证明和广泛接受使用长达五六 十年。搅拌器在权罐的应用：安装在*罐上的搅拌器通常具有下列一种或数种功能:1. 调和：把可混合液体搅拌均匀，或分层*品的调匀；2. 把固体颗粒或污泥悬浮于液体中，排出罐外：3. 加强热传导：4. 工艺质量控制：(如BS&VV)5. 对旧罐累积罐底的污泥的去除。混

3、合机制：混合是经过数种机制来达成的:1. 对流(Convection):由喷射流的冲击力所引起。流体流经罐内不同部位，避免分成尘。2. 体积流混合(Macro-mixing):扰流形成大范用的涡流以达充分搅拌。能量消失最大的射流 区，涡流最小。3. 层流剪切(Laminar Shear):效果次于体枳流混合。流体分子藉由层流剪切而分散。4. 小型湍流(Micro-mixing):最小层次的混合。藉由浓度陡度或浓度差异而引起流体分子扩 散。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846混合原理的了解对设计最佳搅拌器是必要的: 自 由湍射流组态(C

4、onfiguration of Turbulent Free Jet):自由湍射流是射流雷诺数(Jet Reynolds Number)大于2000的自由射流。它包含4个区】：1. 射流形成区-流程大约是5个喷嘴直径的区域(5 Do).在这区内速度大约与最初排放速度一 样(Vo).2. 缓冲区一延伸直径到8个喷嘴(8 Do).3. 成型射流区-射流的主要区段,延伸到100个喷嘴直径(100 Do).4. 射流结朿区一射流中间流速或最大流速在很短距离内急剧下降.射流中间速度公式：根据普朗特混合长度学理(Prandtl mixing-length theoiy),奈维尔-斯托克斯方程式 (Navi

5、er-Stokes equation)和连续性方程式(equation of continuity ),托尔明(Tollmien) 和其他学者导出中间速度公式，可以表达成：Vc = Ci(D/x)V。此处 Vc -中间速度，C-从实验数据得岀的常数.Do -喷嘴直径，V。-射流最初排放速度， x -离喷嘴的距离.克利弗斯和勃特尔(Cleeves and Boelter) 2导出x/Do大于8的中间速度分配公式Vc = 5.13 (Do /x) Vo (2)雷维尔(Revill) 3导出湍射流在完全形成区的轴向速度方程式：5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma

6、 74145-7846Vc/Vo = 6 (Do/x)(3)从方程式(2)和(3),可以看岀中间速度在轴向距离离喷嘴100喷嘴直径(100 Do)处下降 到初始速度的大约5%。这时流速变得很低使得更远处的射流的混合效果变得不显著。上述的 结论与自由湍射流组态相符合。对直径100 cm的喷嘴(大凤Taiho最大喷嘴)，有效自由湍射流长度是10米(100 D。).对直径35(0.89 M)螺旋桨(Jeiisen搅拌器最大直径)，有效自由湍射流长度是89米(100 D。).对100,000 M 3原杯罐，直径80米，髙度21.8米.即使带2个喷嘴的旋转喷射混合器放在 罐中央.罐的半径仍然有40米，远

7、比有效自由湍射流长度大很多。中间浓度公式 Correlation o Center-line Concentiation:雷维尔(ReEll) 3导出中间浓度Cc公式如下：Cc / Co = 4.5 (Do/x)(4)此处Cc =中间浓度；Co =尼始排放浓度从方程式(4),也可以看岀中间浓度在轴向距离离喷嘴100喷嘴直径(100 Do)处下降 到起始浓度的大约5%。射流混合中心的浓度分配行为与速度分配相似。剪切应力(Shear Stress) =屮(d V/d y)境界层(BouncUry Layers):当流体流过静止表而，接触表而的流体在界面彼剪切应力T。托成静止。速度从界而逐渐增加到主

8、流朿成最大。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846在这区域，由于界而的剪切应力造成流体速度分布，被称为境界层(Boundary Layer) 境界层的形成见下图：ED.XDAxY LVE DN FLT LATEy k二 o gr oT : y f*rlrcpd层流境界层(Laminar Boundary Layer):靠近境界面上层的流体托着较接近固体表而的流体一起流动。正向粘着力够大到可以把流 动较慢的流体托向固体界而。这境界层较薄而正向表而的速度梯度较大，根拯牛顿黏度法则 (Newton s law of viscosity) 剪切

9、应力也较大当境界层厚度逐渐增加，速度梯度却逐渐 减小，剪切应力也跟着减小，一直小到不能把较靠近界而流动较慢的流体托着一起流动为止。 流体流动到此一直是属于层流，牛顿黏度法则(Newtons law of viscosity)还是适用这部 分的境界层就是层流境界层 laminar boundary layer)5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846湍流境界层(Turbulnt Boundary LdYer):粘着剪切应力一直限制住流体粒子在境界层内不停的移动。这剪切应力随着境界层厚度的 增和速度梯度的减小，也跟着减小。最终它将不能把流体粒

10、子拖住，而流体将开始转动。这将 使得流体流动很快的变成湍流。流体从快速流动的区域移动到较慢的区域适成动量输送而维持 靠近界而的流体流动。相反的，流速较慢的流体流到流速较快的区域而把那区域的流体拖慢。 这净效果是境界层的动量增加。这部分的境界层叫做湍流境界层(turbulent boundary layer)V:r tf. 3.0对100,000立方米初罐，直径80米，高度21.8 X, H/D = 21.8/80 = 0.27：根据雷维尔理 论，旋转喷射混合器并不适用。而多台侧进式搅拌器可以适用。决罐混合成功的因素：成功的*罐混合需要具备下列条件：1. 选择最合适的设备：根据品物理性质和混合的

11、目的，挑选和设计最合适的设备。侧进式螺旋桨搅拌器在调 和，固体颗粒悬浮，工艺质量控制和热传导的应用远比旋转喷射混合系统有效。旋转喷射 混合系统由于可在固体境界层产生较大的剪切应力，在污泥去除有较好的效果。这也是为 何旋转喷射混合系统一直是被用在淸洗旧罐，而不是用在临调和。但是安装搅拌器的目的不仅用来调和狀品，还要用它来防止污泥累积在罐底，而免于日后 去除污泥的麻烦。设汁和选择初罐混合设备应该以调和和避免污泥累积罐底为考量重点。 适当的操作搅拌器，污泥不会累积罐底，污泥去除自然就没必要了。2. 正确的安装混合设备：混合设备在罐上安装的位麗是非常重要的。安装位置若不正确，会有死角产生，调和效 果不

12、佳，罐底会有污泥累积。3. 按照厂家要求操作混合设备：淸罐效果未如预期，罐底有污泥淤积，往往是用户未按厂家要求操作。何时操作，泄期操 作，如何操作是搅拌器能否达到要求的重要因素。侧进式螺旋桨搅拌器与旋转喷射混合系统的比较：1. 侧进式搅拌器比旋转喷射混合系统效率高，效果好：从学理上，侧进式搅拌器的有效湍射流距离长，同样功率下产生的体积湍射流大，混 合效果比旋转喷射混合系统好。数十年来在欧美日的实际班罐应用上与学理上的汁算相吻 合。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-78462. 侧进式搅拌器消耗的功率比旋转喷射混合系统小：从现场操作经验，旋转

13、喷射混合系统所需的功率至少是侧进式搅拌器的两倍。方程式 (5)可以显示此结论。在英国旋转喷射混合系统厂家OPEC的宣传资料里，举出1988年爱尔兰的海湾汽祕 罐调和(Gasoline homogenization at Gulf Bay Bantry-Ireland)案例.汽罐尺寸：直径 27.55 M (D) x高度19 M (H). 一个P43的喷嘴被127 KW的泵带动，可以在6-1/2小时达 到调和的要求。同样的应用，一台Jeiisen 620-15搅拌器可以达到在6-1/2小时调和的要 求。Jensen搅拌器的功率消耗为(11.2 KVV x 6.5 Hi) = 72.8 KW。kn

14、sen搅拌器的功率消 耗比OPEC的P43少43呱 在中国，汽班调和往往要求在4小时内完成。Jeiisen的620- 25 (消耗功率=18.65x4=74.6 KW)可以轻松的完成任务。但对旋转喷射系统就是一个挑 战。3. 旋转喷射混合系统有较多的易损件：旋转喷射混合系统宣传他们的设备没有转动部件，因此没有维修问题也没易损件。但 他们忘了液体本身是不能流动的。它必需有输送系统。而这个输送系统包括输送泵，旁通 流量控制阀，流量计，流量控制变送器，手动阀，仪表和控制。整个系统的易损件比侧进 式搅拌器还多。原卅中除了含蜡外，还含有砂。尤其是进口原砂磨蚀性强。当含砂的原流经小口 径的喷嘴，极髙的流速

15、(21米/秒)可对喷嘴造成磨损。磨损的喷嘴，口径会渐增大，流 速会渐减小，可形成的湍射流体积就会渐减小。混合效果跟着减小。此现象在欧美日的应 用上常见到。4. 维修Jensen侧进式搅拌器可在”罐充满的情况更换机械密封等部件。而维修磨损的喷嘴 则需把班罐里的机排放下净并让决体放空，手续繁琐。在80年代，试用旋转喷射器的日本 川公司就遭遇过此问题，而放弃旋转喷射器。5. 旋转喷射器的湍射流以正而冲击罐壁，当罐内液而较低时，从罐壁折射的湍射流可能往上 冲击浮顶密封。侧进式搅拌器则无此问题。6. Jensen侧进式搅拌器可以仅靠人口来支撑，安装简单。而旋转喷射系统除了喷嘴，还有阀 门，仪表，控制和管

16、道需安装(假设利用原咲输送泵当循环泵，少了安装泵的手续)，安 装麻烦。7. 旋转喷射混合系统较不灵活：旋转喷射混合系统的厂家往往会告诉用户：利用原杠输送泵来当循环泵以节省投资。 但如此做法产生了下列的弊端:a) 当原外输时，不能运转混合系统。b) 失去罐混合的最好时机：5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846 当品输入罐或从罐输岀时，这是运转混合系统的最好时机。新品输入时，混合 系统可以马上让新品与罐内品进行调和。杯品从罐内输出时，混合系统可以把固体 颗粒或污泥悬浮在品中.一起被输出。没有独立的循环泵的旋转喷射混合系统就没 法在输出品时对

17、祕品进行调和或让颗粒悬浮。C)利用输丹泵当循环泵，泵的流量和扬程已泄，当湍射流需要较大流量或压力时，输 泵不能满足，混合效果就得被牺牲了。历史案例：1. 日本的经验7：旋转喷射混合器P43是美国艾克森吋公司研究开发出来的。日本的大凤(Taiho)和 Beniix of Ohtori Kosaii也跟着推出他们的旋转喷射混合器。在80年代，日本的炼厂安 装了数台试用。日本Ess。和壳牌(Shell)也在他们的较小的原杯罐(30,000 - 50,000 KL) 安装了数台。日本能源(Nippon Mining Co.)和Cosmo Oil也在他们的100,000 KL的原 罐安装了数台作试用。从

18、这些试用中发现：A. 功率消耗比搅拌器大很多。100,000 KL的原罐用800HP的泵。B. 原咔中的砂在喷嘴内有砂磨现象，造成喷嘴损坏。C. 更换喷嘴需把罐内原叫排放干净。工作繁琐。D. 浮顶密封受到湍射流冲击受损。由于上述原因，旋转喷射混合器在日本一直推广不开。2. 北美的经验：虽然美国巴特沃斯在30年代就已经开发出旋转喷射混合器并极力向公司推销，但在 北美的各大杯公司还是选择侧进式螺旋桨搅拌器。大祕公司一向对投资成本很斤斤计较， 但却舍弃投资少的旋转喷射混合骼而宁可用比较贵的侧进式搅拌器，原因在于旋转喷射混 合器效果不佳，耗电量大。在此我们举两个实例：加拿大圣约翰的尔文公司(Irvin

19、g Oil Company iii St. Jolm, NB. Canada)的日产 300,000桶(300,000 BPD)的炼祕厂的原杯库区原来使用喷射混合器。数年前，原和成 品杯罐区的操作部经理，史提夫。杜尔(Steve Doyle),要Jensen在72小时内提供侧进式 搅拌器来替换他们285英尺直径65英尺髙的祕罐。因为罐的浮顶被射流破坏，而且罐底的 污泥达到2/3人口的髙度。他们用侧进式搅拌器和较轻的原杯来淸洗罐底。从此后，该杯公 司改用搅拌器。埃尔屯。培尼(Alton Payne)是加拿大东部一家专门淸洗罐的承包商。在2019年， 被就加拿大东部一家由公司请区利用槪公司自己釆购

20、的英国P43旋转喷射混合器来淸洗大原 罐。这些原罐在操作3年后，罐底累积的3到5英尺厚的污泥。在用P43旋转喷射混合系 统淸罐3个星期后仍然没有多大效果。于是培尼先生改釆用Jensen搅拌器才完成淸罐的任 务。培尼先生从这次经验，开发出独特的机动淸洗工艺设备配合Jensen搅拌器.承包加拿 大肯纳泪(Caiiaport)初库和加拿大英国杯公司(BP Canada)杯罐的淸洗。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846其它问题:在旋转喷射器厂家的宣传资料中，岀现了对侧装搅拌器一些技术数拯的描述，失实情况严 重，如：资料宣称侧装搅拌器的清扫范囤

21、为其轴长。事实上，侧进搅拌器的轴长度仅为1米左右， 但无数班罐开罐检查的结果证明其有效淸理距离达到20100米（根据功率不同）：资料宣称侧装搅拌器需每天工作8小时以上，否则就没有效果。事实上，搅拌器的使用工 艺是由其要完成的任务决左的。淸耀作业时，是在出杯前开始启动，在1/2液位时停止；调和 时，一般工作48小时即可达到调和效果；对于长期静止的班罐，需要每周开动46小时进行 调和作业，防止品分层变质。在进行作业时，侧装搅拌器使罐内所有液体参与运动，在单位 时间内调动的液体量是旋转喷射器无法比拟的，耗时是最短的，能耗也是最低的。Refevence:L Peny and Cl niton, Chemical Engineers Handbook.2. Isotliennal and Nonisothennnl Air-Jet Investigatiotis, by V. Cleeves and L A4 Boelter, Chemic