Kāda ir statisko maisītāju kā siltuma pārneses uzlabošanas ierīču loma PTFE caurulēs?

Procedūrām, kurām nepieciešama gan siltuma pārnešana, gan sajaukšana, piemēram, viskozu polimēru karsēšana vai ķīmiskas reakcijas plūsmā, statiskais maisītājs PTFE caurules iekšpusē veic dubultu pienākumu: tas palielina siltuma pārnesi, sadalot laminārās plūsmas profilu un tajā pašā laikā sajaucot šķidrumu. Statiskie mikseri ir abu šo ierīču kombinācija vienā ierīcē bez kustīgām sastāvdaļām. Dinamiskajiem maisītājiem ir kustīgas daļas. Atsevišķi siltummaiņi ir novietoti lejpus sajaukšanas sekcijas. Lai gan PTFE caurules ir labi pazīstamas ar savu ķīmisko inerci un nepiedegošo virsmu, to siltumvadītspēja ir slikta. Statiskie maisītāji ir spēcīgs līdzeklis, lai pārvarētu laminārās plūsmas ierobežojumus.

Kas ir statiskais mikseris?
Statiskais maisītājs sastāv no vairākiem stacionāriem, ne{0}}kustīgiem gabaliem caurulē. Izplatītākie modeļi ir spirālveida (spirālveida) daļas, šķērsoti asmeņi vai X-formas barjeras, kas atkārtojas. Katrs elements, kad šķidrums iziet cauri caurulei, sadala plūsmu, pagriež to un atkal saved kopā ar blakus esošajiem slāņiem. Šķidrums tiek nepārtraukti pār{5}}orientēts radiālā un azimutālā virzienā visā maisītāja garumā.

PTFE caurules Statiskos maisītājus var pilnībā izgatavot no PTFE vai PFA (perfluoralkoksi) PTFE caurulēs, lai nodrošinātu pilnīgu ķīmisko saderību. Alternatīvi, ir pieejami metāla maisītāji ar PTFE pārklājumiem lietojumiem, kur ir pieļaujama neliela metāla iedarbība. Vairāki speciālistu piegādātāji piedāvā pielāgotus -izgatavotus ieliktņus, kas ir pabeigti, lai tie atbilstu parastajiem PTFE cauruļu iekšējiem diametriem (6 mm līdz 25 mm vai vairāk).

Kā statiskie mikseri uzlabo siltuma pārnesi
Dominējošais plūsmas režīms daudziem viskoziem šķidrumiem, kas apstrādāti PTFE sistēmās, ir lamināra plūsma gludā caurulē, un siltuma pārraide galvenokārt notiek ar vadīšanas palīdzību. Rodas paraboliskais ātruma profils: šķidrums vidū pārvietojas ātrāk nekā tas, kas atrodas tuvu sienai. Šī ātruma dispersija rada spēcīgu radiālo temperatūras gradientu. Karstā (vai aukstā) serde ir termiski izolēta no sienas. Kopējais siltuma pārneses koeficients ir zems.

PTFE caurules siltuma pārneses konfigurācija statiskā maisītājā pilnībā iznīcina šo profilu. Katrs maisītāja elements nepārtraukti{1}}orientē šķidrumu no centra uz sienu un otrādi. Tā vietā, lai plūstu taisnā kārtā, šķidrums iziet haotisku advekciju. Galvenie mehānismi ir:

Radiāla sajaukšana - Šķidruma sastāvdaļu fiziska pārvietošana no caurules centra uz tuvējās sienas apgabalu, kur notiek siltuma apmaiņa.

Robežslāņa pārtraukšana - Lokālā plūsmas atdalīšana un sekundārie virpuļi, ko rada maisītāja elementi, retina termisko robežslāni.

Temperatūras izlīdzināšana - Pastāvīga karstā un aukstā šķidruma sajaukšanās rada gandrīz vienmērīgu temperatūras profilu jebkurā šķērsgriezumā. Nav karsto punktu un aukstu kanālu.

Tas izraisa ievērojamu Nuselta skaitļa (Nu) pieaugumu caurules pusē. Regulāri ziņotie uzlabojumi, kas 5 līdz 10 reizes pārsniedz gludās{3}}caurules lamināro vērtību, notiek kā Reinoldsa skaitļa, šķidruma viskozitātes un maisītāja formas funkcija. Dažās situācijās ar augstu viskozitāti, piemēram, ja polimērs kūst ar Re < 100, pastiprinājums var būt daudz lielāks, jo statiskais maisītājs nodrošina piespiedu radiālo sajaukšanu, kur dabiskā konvekcija ir nenozīmīga.

Vienlaicīga siltuma pārnese un sajaukšana: Procesu intensifikācijas gadījums
Statiskie maisītāji ir ļoti noderīgi nepārtrauktā apstrādē, kad nepieciešama gan termiskā, gan kompozīcijas viendabīgums. Apskatīsim cauruļveida reaktoru, kurā viskozā šķidrumā notiek eksotermiska reakcija. Ja nav statiskā maisītāja, reakcijas siltums uzkrājas caurules centrā, izraisot lokālu pārkaršanu, blakusparādības un produkta bojāšanos. Aukstā caurules siena joprojām netiek izmantota.

Statiskā maisītāja ievietošana PTFE caurulē nodrošina trīs priekšrocības vienlaikus:

Uzlabota siltuma pārnese uz caurules sienu: karstais šķidrums, kas nāk no serdes, tiek nepārtraukti stumts pret sienu, no kurienes siltumu efektīvi noņem dzesēšanas šķidrums (vai sildviela) korpusa pusē.

Konsekvents temperatūras profils - Radiālie temperatūras gradienti ir samazināti, nav karstu plankumu.

Vienmērīgs sastāvs - Homogenizē reaģentus ar tādu pašu sajaukšanas darbību un noņem koncentrācijas gradientus.

Šajā uzstādījumā PTFE caurule kalpo kā reaktors un siltummainis — viss vienā - tipisks procesa intensifikācijas piemērs.

Lielais kompromiss: spiediena kritums
Kompromiss ir starp sūknēšanas izdevumiem un sajaukšanas intensitāti. Statiskie maisītāji izraisa daudz lielāku spiediena kritumu nekā tukša caurule. Berzes koeficients var būt pat 5 līdz 20 reizes lielāks noteiktam caurules garumam atkarībā no maisīšanas elementu skaita un veida. Šis pieaugums ir saistīts ar katras sastāvdaļas atkārtotām kontrakcijām, paplašināšanos un virziena izmaiņām.

Projektētājiem jāsabalansē siltuma pārneses pieaugums ar sūknēšanas jaudas pieaugumu. Šis spiediena samazinājums var būt pieņemams šķidrumiem ar zemu viskozitāti (piemēram, ūdenim{3}}līdzīgiem šķīdinātājiem). Ļoti viskoziem šķidrumiem (piemēram, polimēru kausējumiem vai smagajām eļļām) sūknēšanas izmaksas var būt pārmērīgas. Tomēr augstas -viskozitātes režīmā gludās-caurules siltuma pārneses koeficients ir tik zems, ka ir nepieciešama kāda veida palielināšana. Statiskie mikseri dažkārt ir vienīgais praktiski iespējamais pasīvais risinājums, jo tie nodrošina efektīvu sajaukšanu pat pie ļoti zemiem Reinoldsa skaitļiem (Re<10).

Nepārtrauktai apstrādei kopējais spiediena kritums caur PTFE cauruli ar statisku maisītāju parasti tiek aprēķināts, izmantojot ražotāja sniegto korelāciju. Tipisks īkšķa noteikums ir tāds, ka katrs sajaukšanas elements pievieno spiediena kritumu par 5–20 caurules diametra tukšas caurules atkarībā no elementa konstrukcijas.

Ideāli šķidrumi un darba apstākļi
Statiskie maisītāji ir piemēroti šķidrumiem ar augstu viskozitāti, ja nav dabiskas konvekcijas. Plūsmās ar zemu viskozitāti un lielu ātrumu (Re > 4000) plūsma jau ir turbulenta, un statiskā maisītāja papildu ieguvums ir mazāks. Tomēr pat turbulentā plūsmā statiskais maisītājs var uzlabot radiālo sajaukšanos un samazināt nepareizu temperatūras sadalījumu, īpaši īsās caurulēs vai tuvu cauruļu ieplūdēm.

Statisko maisītāju PTFE cauruļu siltuma pārneses sistēmas parasti izmanto:

Polimēru kausējumu sildīšana vai dzesēšana (piemēram, PTFE dispersijas apstrāde, fluorpolimēru ekstrūzija)

Ķīmiskās reakcijas, kas ir viskozas un kurām nepieciešama precīza temperatūras kontrole (piemēram, polikondensācija, epoksīda sacietēšana)

Pārtikas un farmaceitiskā apstrāde (piemēram, sīrupu, želeju vai ziežu karsēšana), jo PTFE nepiedegošā virsma novērš piesārņojumu

Ķīmiski izturīgs ceļš, ko nodrošina tikai PTFE caurules korozīviem šķidrumiem, kas tiek uzkarsēti metāla siltummaiņos

Pieejami pasūtījuma izgatavošanas un PTFE statiskie mikseri
Statiskie maisītāji ir nobriedusi tehnoloģija ar lielu skaitu komerciāli pieejamu cauruļu materiālu. PTFE caurules ir pieejamas vairākās šķirnēs:

Pilnībā PTFE maisītāji - Mehāniski apstrādāti vai veidoti no PTFE. Tie nodrošina pilnīgu ķīmisko izturību un tiek izmantoti īpaši tīriem vai skarbiem šķidrumiem. Pielāgotus ieliktņus piedāvā īpaši fluorpolimēru ražotāji. Ražošanas procedūra ir, griežot vai formējot atsevišķus elementus un pēc tam tos saliekot uz centrālā stieņa vai izmantojot cieši pieguļošu dizainu.

Metāla mikseri ar PFA pārklājumu - Nerūsējošā tērauda serde ar PFA vai PTFE pārklājumu. Tiem piemīt metāla mehāniskā izturība un fluorpolimēra ķīmiskā izturība. Kopumā tie ir lētāki nekā visi-PTFE maisītāji liela diametra ierīcēm.

Pildvielas un iepakošana - Nejauša iepakošana (piem., Rašiga gredzeni vai PTFE segli) ir zemu-izmaksu risinājums dažiem lietojumiem. Izlases iepakošana nenodrošina paredzamu, atkārtojamu konstruēta statiskā miksera sajaukšanu.

Projektētājam jānodrošina, ka statiskā maisītāja OD ir viegli ievietojama PTFE caurulē bez lieka spēka un ka sistēma var atbalstīt termisko izplešanos. PTFE termiskās izplešanās koeficients (≈ 10–15 × 10–5/grāds) ir ļoti augsts, un maisītājs nedrīkst saistīt vai deformēt cauruli ekstremālās temperatūrās.

Dizaina apsvērumi un praktiskie ierobežojumi
Statiskajiem mikseriem ir noteiktas priekšrocības, taču tie nav nekas cits. Jāpatur prātā šādi ierobežojumi:

Piesārņojuma iespējamība - Sarežģītā iekšējā ģeometrija var aizturēt daļiņas vai izgulsnējušās vielas. Tā nav problēma tīriem šķidrumiem vai šķidrumiem ar nelielu cietvielu koncentrāciju. Ir pieejamas pašattīrošas

Uzstādīšana un tīrīšana – Statiskos maisītājus ir grūti tīrīt in situ (CIP), jo iekšējie elementi traucē. Ja produkts tiek mainīts, bieži vien priekšroka dodama noņemamam maisītājam vai vienreizējai PTFE ieliktnei.

Caurules garums - Elementu skaits (bieži no 4 līdz 20) palielina sajaukšanas efektivitāti. Tomēr lielāku spiediena kritumu rada garāks caurules garums ar daudzām sastāvdaļām. Optimālais garums ir atkarīgs no nepieciešamā siltuma pārneses jaudas un pieejamās sūknēšanas jaudas.

Temperatūras ierobežojumi - PTFE statiskos maisītājus var izmantot līdz aptuveni 200 grādiem, tomēr materiāls kļūst mīkstāks augstākās temperatūrās, izraisot deformāciju plūsmas izraisītā sprieguma ietekmē. Augstākām temperatūrām PFA ir lieliska izvēle (līdz 260 grādiem).

Secinājums: intensīva, bet iedarbīga metode spiediena pazemināšanai
Statiskie maisītāji ir spēcīgs, bet intensīvs spiediena krituma veids, kā panākt vienlaicīgu siltuma pārnesi un sajaukšanu PTFE caurulēs. Šīs stacionārās sastāvdaļas nepārtraukti novirza šķidrumu no caurules centra uz sienu, tādējādi novēršot radiālos temperatūras gradientus. Ir pierādīts, ka tie palielina Nuselta skaitli 5 līdz 10 reizes, salīdzinot ar tukšu cauruli laminārās plūsmas apstākļos. Tie ir īpaši noderīgi šķidrumiem ar augstu viskozitāti, kur nav dabiskas konvekcijas, un nepārtrauktām reaktora -siltummaiņu kombinācijām, kur nepieciešama temperatūras un sastāva viendabība.

Procesa intensifikācija parasti ietver vairāku funkciju apvienošanu vienā ierīcē. Šo pieeju ilustrē statiskā maisītāja izmantošana PTFE caurulēs, kas nodrošina siltuma pārneses uzlabošanu un šķidruma sajaukšanos tādā pašā garumā bez kustīgām daļām, elektrības vai ārējām vadības ierīcēm. Siltuma pārneses metode, izmantojot PTFE cauruli statiskā maisītājā, ir nopietni jāapsver inženieriem, kuri veido sistēmas, kas paredzētas pret koroziju izturīgu -, augstas-tīrības pakāpes vai viskozu šķidrumu apstrādei. Papildu sūknēšanas izmaksas ir jāsabalansē ar siltuma veiktspējas uzlabošanos. Statiskie maisītāji bieži vien ir vispiemērotākā un veiksmīgākā pieeja, ja viskozitāte ir augsta un karstuma izaicinājums ir nopietns.