側裝和旋噴攪拌器

1、原桿和成品桿儲罐攪拌原杯和成品攪拌可以用多種方式來達成，譬如側進式螺旋槳(葉輪)攪拌器、噴射器 (JET MIXER)、旋轉噴射混合器(RJM)等。在全世界漩化工業(yè)上最被廣泛使用的是側進式 攪拌器。旋轉噴射混合系統(tǒng)是美國徳州休斯敦巴特沃斯在30年代的產品。在美國推廣了數(shù)十 年，由于效果不佳，未能被業(yè)界接受。近幾年來，操作原理與巴特沃斯相同的英國的歐培克 (OPEC)和日本的大鳳(Taih。)非常積極地在中國推廣他們的旋轉噴射混合系統(tǒng)。他們的 宣傳資料把有些錯誤的信息提供給用戶。國內一些設訃院和用戶也把數(shù)十年前的技術當成新技 術來看待。本文將全面的比較側進式螺旋槳攪拌器和旋轉噴射混合系統(tǒng)*側進式

2、螺旋槳攪拌器和旋轉噴射器都是屬于“噴射混合器(Jet Mixer)”?；旌系倪^程是從 噴嘴(或孔洞)釋放出來的相對髙速噴射流流經靜止或緩慢移動的液體形成湍流而引起混合。 本文將引用混合原理和流體力學的理論和公式及使用案例來比較這兩種噴射混合器。理論上側 進式螺旋槳攪拌器很明顯的優(yōu)于旋轉噴射器而且在杯化工業(yè)已被證明和廣泛接受使用長達五六 十年。攪拌器在權罐的應用：安裝在*罐上的攪拌器通常具有下列一種或數(shù)種功能:1. 調和：把可混合液體攪拌均勻，或分層*品的調勻；2. 把固體顆?；蛭勰鄳腋∮谝后w中，排出罐外：3. 加強熱傳導：4. 工藝質量控制：(如BS&VV)5. 對舊罐累積罐底的污泥的去除?；?/p>

3、合機制：混合是經過數(shù)種機制來達成的:1. 對流(Convection):由噴射流的沖擊力所引起。流體流經罐內不同部位，避免分成塵。2. 體積流混合(Macro-mixing):擾流形成大范用的渦流以達充分攪拌。能量消失最大的射流 區(qū)，渦流最小。3. 層流剪切(Laminar Shear):效果次于體枳流混合。流體分子藉由層流剪切而分散。4. 小型湍流(Micro-mixing):最小層次的混合。藉由濃度陡度或濃度差異而引起流體分子擴 散。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846混合原理的了解對設計最佳攪拌器是必要的: 自 由湍射流組態(tài)(C

4、onfiguration of Turbulent Free Jet):自由湍射流是射流雷諾數(shù)(Jet Reynolds Number)大于2000的自由射流。它包含4個區(qū)】：1. 射流形成區(qū)-流程大約是5個噴嘴直徑的區(qū)域(5 Do).在這區(qū)內速度大約與最初排放速度一 樣(Vo).2. 緩沖區(qū)一延伸直徑到8個噴嘴(8 Do).3. 成型射流區(qū)-射流的主要區(qū)段,延伸到100個噴嘴直徑(100 Do).4. 射流結朿區(qū)一射流中間流速或最大流速在很短距離內急劇下降.射流中間速度公式：根據普朗特混合長度學理(Prandtl mixing-length theoiy),奈維爾-斯托克斯方程式 (Navi

5、er-Stokes equation)和連續(xù)性方程式(equation of continuity ),托爾明(Tollmien) 和其他學者導出中間速度公式，可以表達成：Vc = Ci(D/x)V。此處 Vc -中間速度，C-從實驗數(shù)據得岀的常數(shù).Do -噴嘴直徑，V。-射流最初排放速度， x -離噴嘴的距離.克利弗斯和勃特爾(Cleeves and Boelter) 2導出x/Do大于8的中間速度分配公式Vc = 5.13 (Do /x) Vo (2)雷維爾(Revill) 3導出湍射流在完全形成區(qū)的軸向速度方程式：5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma

6、 74145-7846Vc/Vo = 6 (Do/x)(3)從方程式(2)和(3),可以看岀中間速度在軸向距離離噴嘴100噴嘴直徑(100 Do)處下降 到初始速度的大約5%。這時流速變得很低使得更遠處的射流的混合效果變得不顯著。上述的 結論與自由湍射流組態(tài)相符合。對直徑100 cm的噴嘴(大鳳Taiho最大噴嘴)，有效自由湍射流長度是10米(100 D。).對直徑35(0.89 M)螺旋槳(Jeiisen攪拌器最大直徑)，有效自由湍射流長度是89米(100 D。).對100,000 M 3原杯罐，直徑80米，髙度21.8米.即使帶2個噴嘴的旋轉噴射混合器放在 罐中央.罐的半徑仍然有40米，遠

7、比有效自由湍射流長度大很多。中間濃度公式 Correlation o Center-line Concentiation:雷維爾(ReEll) 3導出中間濃度Cc公式如下：Cc / Co = 4.5 (Do/x)(4)此處Cc =中間濃度；Co =尼始排放濃度從方程式(4),也可以看岀中間濃度在軸向距離離噴嘴100噴嘴直徑(100 Do)處下降 到起始濃度的大約5%。射流混合中心的濃度分配行為與速度分配相似。剪切應力(Shear Stress) =屮(d V/d y)境界層(BouncUry Layers):當流體流過靜止表而，接觸表而的流體在界面彼剪切應力T。托成靜止。速度從界而逐漸增加到主

8、流朿成最大。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846在這區(qū)域，由于界而的剪切應力造成流體速度分布，被稱為境界層(Boundary Layer) 境界層的形成見下圖：ED.XDAxY LVE DN FLT LATEy k二 o gr oT : y f*rlrcpd層流境界層(Laminar Boundary Layer):靠近境界面上層的流體托著較接近固體表而的流體一起流動。正向粘著力夠大到可以把流 動較慢的流體托向固體界而。這境界層較薄而正向表而的速度梯度較大，根拯牛頓黏度法則 (Newton s law of viscosity) 剪切

9、應力也較大當境界層厚度逐漸增加，速度梯度卻逐漸 減小，剪切應力也跟著減小，一直小到不能把較靠近界而流動較慢的流體托著一起流動為止。 流體流動到此一直是屬于層流，牛頓黏度法則(Newtons law of viscosity)還是適用這部 分的境界層就是層流境界層 laminar boundary layer)5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846湍流境界層(Turbulnt Boundary LdYer):粘著剪切應力一直限制住流體粒子在境界層內不停的移動。這剪切應力隨著境界層厚度的 增和速度梯度的減小，也跟著減小。最終它將不能把流體粒

10、子拖住，而流體將開始轉動。這將 使得流體流動很快的變成湍流。流體從快速流動的區(qū)域移動到較慢的區(qū)域適成動量輸送而維持 靠近界而的流體流動。相反的，流速較慢的流體流到流速較快的區(qū)域而把那區(qū)域的流體拖慢。 這凈效果是境界層的動量增加。這部分的境界層叫做湍流境界層(turbulent boundary layer)V:r tf. 3.0對100,000立方米初罐，直徑80米，高度21.8 X, H/D = 21.8/80 = 0.27：根據雷維爾理 論，旋轉噴射混合器并不適用。而多臺側進式攪拌器可以適用。決罐混合成功的因素：成功的*罐混合需要具備下列條件：1. 選擇最合適的設備：根據品物理性質和混合的

11、目的，挑選和設計最合適的設備。側進式螺旋槳攪拌器在調 和，固體顆粒懸浮，工藝質量控制和熱傳導的應用遠比旋轉噴射混合系統(tǒng)有效。旋轉噴射 混合系統(tǒng)由于可在固體境界層產生較大的剪切應力，在污泥去除有較好的效果。這也是為 何旋轉噴射混合系統(tǒng)一直是被用在淸洗舊罐，而不是用在臨調和。但是安裝攪拌器的目的不僅用來調和狀品，還要用它來防止污泥累積在罐底，而免于日后 去除污泥的麻煩。設汁和選擇初罐混合設備應該以調和和避免污泥累積罐底為考量重點。 適當?shù)牟僮鲾嚢杵?，污泥不會累積罐底，污泥去除自然就沒必要了。2. 正確的安裝混合設備：混合設備在罐上安裝的位麗是非常重要的。安裝位置若不正確，會有死角產生，調和效 果不

12、佳，罐底會有污泥累積。3. 按照廠家要求操作混合設備：淸罐效果未如預期，罐底有污泥淤積，往往是用戶未按廠家要求操作。何時操作，泄期操 作，如何操作是攪拌器能否達到要求的重要因素。側進式螺旋槳攪拌器與旋轉噴射混合系統(tǒng)的比較：1. 側進式攪拌器比旋轉噴射混合系統(tǒng)效率高，效果好：從學理上，側進式攪拌器的有效湍射流距離長，同樣功率下產生的體積湍射流大，混 合效果比旋轉噴射混合系統(tǒng)好。數(shù)十年來在歐美日的實際班罐應用上與學理上的汁算相吻 合。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-78462. 側進式攪拌器消耗的功率比旋轉噴射混合系統(tǒng)?。簭默F(xiàn)場操作經驗，旋轉

13、噴射混合系統(tǒng)所需的功率至少是側進式攪拌器的兩倍。方程式 (5)可以顯示此結論。在英國旋轉噴射混合系統(tǒng)廠家OPEC的宣傳資料里，舉出1988年愛爾蘭的海灣汽祕 罐調和(Gasoline homogenization at Gulf Bay Bantry-Ireland)案例.汽罐尺寸：直徑 27.55 M (D) x高度19 M (H). 一個P43的噴嘴被127 KW的泵帶動，可以在6-1/2小時達 到調和的要求。同樣的應用，一臺Jeiisen 620-15攪拌器可以達到在6-1/2小時調和的要 求。Jensen攪拌器的功率消耗為(11.2 KVV x 6.5 Hi) = 72.8 KW。kn

14、sen攪拌器的功率消 耗比OPEC的P43少43呱 在中國，汽班調和往往要求在4小時內完成。Jeiisen的620- 25 (消耗功率=18.65x4=74.6 KW)可以輕松的完成任務。但對旋轉噴射系統(tǒng)就是一個挑 戰(zhàn)。3. 旋轉噴射混合系統(tǒng)有較多的易損件：旋轉噴射混合系統(tǒng)宣傳他們的設備沒有轉動部件，因此沒有維修問題也沒易損件。但 他們忘了液體本身是不能流動的。它必需有輸送系統(tǒng)。而這個輸送系統(tǒng)包括輸送泵，旁通 流量控制閥，流量計，流量控制變送器，手動閥，儀表和控制。整個系統(tǒng)的易損件比側進 式攪拌器還多。原卅中除了含蠟外，還含有砂。尤其是進口原砂磨蝕性強。當含砂的原流經小口 徑的噴嘴，極髙的流速

15、(21米/秒)可對噴嘴造成磨損。磨損的噴嘴，口徑會漸增大，流 速會漸減小，可形成的湍射流體積就會漸減小。混合效果跟著減小。此現(xiàn)象在歐美日的應 用上常見到。4. 維修Jensen側進式攪拌器可在”罐充滿的情況更換機械密封等部件。而維修磨損的噴嘴 則需把班罐里的機排放下凈并讓決體放空，手續(xù)繁瑣。在80年代，試用旋轉噴射器的日本 川公司就遭遇過此問題，而放棄旋轉噴射器。5. 旋轉噴射器的湍射流以正而沖擊罐壁，當罐內液而較低時，從罐壁折射的湍射流可能往上 沖擊浮頂密封。側進式攪拌器則無此問題。6. Jensen側進式攪拌器可以僅靠人口來支撐，安裝簡單。而旋轉噴射系統(tǒng)除了噴嘴，還有閥 門，儀表，控制和管

16、道需安裝(假設利用原咲輸送泵當循環(huán)泵，少了安裝泵的手續(xù))，安 裝麻煩。7. 旋轉噴射混合系統(tǒng)較不靈活：旋轉噴射混合系統(tǒng)的廠家往往會告訴用戶：利用原杠輸送泵來當循環(huán)泵以節(jié)省投資。 但如此做法產生了下列的弊端:a) 當原外輸時，不能運轉混合系統(tǒng)。b) 失去罐混合的最好時機：5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846 當品輸入罐或從罐輸岀時，這是運轉混合系統(tǒng)的最好時機。新品輸入時，混合 系統(tǒng)可以馬上讓新品與罐內品進行調和。杯品從罐內輸出時，混合系統(tǒng)可以把固體 顆粒或污泥懸浮在品中.一起被輸出。沒有獨立的循環(huán)泵的旋轉噴射混合系統(tǒng)就沒 法在輸出品時對

17、祕品進行調和或讓顆粒懸浮。C)利用輸?shù)け卯斞h(huán)泵，泵的流量和揚程已泄，當湍射流需要較大流量或壓力時，輸 泵不能滿足，混合效果就得被犧牲了。歷史案例：1. 日本的經驗7：旋轉噴射混合器P43是美國艾克森吋公司研究開發(fā)出來的。日本的大鳳(Taiho)和 Beniix of Ohtori Kosaii也跟著推出他們的旋轉噴射混合器。在80年代，日本的煉廠安 裝了數(shù)臺試用。日本Ess。和殼牌(Shell)也在他們的較小的原杯罐(30,000 - 50,000 KL) 安裝了數(shù)臺。日本能源(Nippon Mining Co.)和Cosmo Oil也在他們的100,000 KL的原 罐安裝了數(shù)臺作試用。從

18、這些試用中發(fā)現(xiàn)：A. 功率消耗比攪拌器大很多。100,000 KL的原罐用800HP的泵。B. 原咔中的砂在噴嘴內有砂磨現(xiàn)象，造成噴嘴損壞。C. 更換噴嘴需把罐內原叫排放干凈。工作繁瑣。D. 浮頂密封受到湍射流沖擊受損。由于上述原因，旋轉噴射混合器在日本一直推廣不開。2. 北美的經驗：雖然美國巴特沃斯在30年代就已經開發(fā)出旋轉噴射混合器并極力向公司推銷，但在 北美的各大杯公司還是選擇側進式螺旋槳攪拌器。大祕公司一向對投資成本很斤斤計較， 但卻舍棄投資少的旋轉噴射混合骼而寧可用比較貴的側進式攪拌器，原因在于旋轉噴射混 合器效果不佳，耗電量大。在此我們舉兩個實例：加拿大圣約翰的爾文公司(Irvin

19、g Oil Company iii St. Jolm, NB. Canada)的日產 300,000桶(300,000 BPD)的煉祕廠的原杯庫區(qū)原來使用噴射混合器。數(shù)年前，原和成 品杯罐區(qū)的操作部經理，史提夫。杜爾(Steve Doyle),要Jensen在72小時內提供側進式 攪拌器來替換他們285英尺直徑65英尺髙的祕罐。因為罐的浮頂被射流破壞，而且罐底的 污泥達到2/3人口的髙度。他們用側進式攪拌器和較輕的原杯來淸洗罐底。從此后，該杯公 司改用攪拌器。埃爾屯。培尼(Alton Payne)是加拿大東部一家專門淸洗罐的承包商。在2019年， 被就加拿大東部一家由公司請區(qū)利用槪公司自己釆購

20、的英國P43旋轉噴射混合器來淸洗大原 罐。這些原罐在操作3年后，罐底累積的3到5英尺厚的污泥。在用P43旋轉噴射混合系 統(tǒng)淸罐3個星期后仍然沒有多大效果。于是培尼先生改釆用Jensen攪拌器才完成淸罐的任 務。培尼先生從這次經驗，開發(fā)出獨特的機動淸洗工藝設備配合Jensen攪拌器.承包加拿 大肯納淚(Caiiaport)初庫和加拿大英國杯公司(BP Canada)杯罐的淸洗。5546 S. 79th E. Place Tulsa, Oklahoma 74145-7846其它問題:在旋轉噴射器廠家的宣傳資料中，岀現(xiàn)了對側裝攪拌器一些技術數(shù)拯的描述，失實情況嚴 重，如：資料宣稱側裝攪拌器的清掃范囤

21、為其軸長。事實上，側進攪拌器的軸長度僅為1米左右， 但無數(shù)班罐開罐檢查的結果證明其有效淸理距離達到20100米（根據功率不同）：資料宣稱側裝攪拌器需每天工作8小時以上，否則就沒有效果。事實上，攪拌器的使用工 藝是由其要完成的任務決左的。淸耀作業(yè)時，是在出杯前開始啟動，在1/2液位時停止；調和 時，一般工作48小時即可達到調和效果；對于長期靜止的班罐，需要每周開動46小時進行 調和作業(yè)，防止品分層變質。在進行作業(yè)時，側裝攪拌器使罐內所有液體參與運動，在單位 時間內調動的液體量是旋轉噴射器無法比擬的，耗時是最短的，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