Каква е ролята на статичните миксери като устройства за подобряване на преноса на топлина в PTFE тръби?

За процедури, които изискват както предаване на топлина, така и смесване, като нагряване на вискозни полимери или химически реакции в потока, статичен смесител вътре в PTFE тръбата изпълнява двойна функция: той увеличава преноса на топлина чрез разрушаване на профила на ламинарния поток и в същото време смесва течността. Статичните миксери са комбинация от двете устройства в едно устройство без движещи се компоненти. Динамичните миксери разполагат с подвижни части. Отделни топлообменници са разположени след смесителната секция. Въпреки че PTFE тръбите са добре известни със своята химическа инертност и незалепваща повърхност, тяхната топлопроводимост е лоша. Статичните миксери са силно средство за преодоляване на ограниченията на ламинарния поток.

Какво е статичен миксер?
Статичният миксер се състои от множество неподвижни, -подвижни части в тръба. Обичайните дизайни са спирални (спирални) части, кръстосани остриета или X-образни бариери, в повтаряща се последователност. Всеки елемент, когато течността преминава през тръбата, разделя потока, завърта го и го връща обратно заедно със съседните слоеве. Течността непрекъснато се пре-ориентира в радиални и азимутални посоки по дължината на миксера.

PTFE тръби Статичните миксери могат да бъдат направени изцяло от PTFE или PFA (перфлуороалкокси) в PTFE тръби за пълна химическа съвместимост. Като алтернатива се предлагат метални миксери с PTFE покритие за приложения, където е разрешено умерено излагане на метал. Няколко специализирани доставчици предоставят-изработени по поръчка вложки, завършени така, че да отговарят на обичайните вътрешни диаметри на PTFE тръби (6 mm до 25 mm или повече).

Как статичните миксери подобряват преноса на топлина
Доминиращият режим на потока за много вискозни флуиди, третирани в PTFE системи, е ламинарен поток в гладка тръба и предаването на топлина е предимно чрез проводимост. Възниква параболичен профил на скоростта: течността в средата се движи по-бързо от тази близо до стената. Тази дисперсия на скоростта води до силен радиален температурен градиент. Горещото (или студеното) ядро ​​е топлоизолирано от стената. Общият коефициент на топлопреминаване е нисък.

Конфигурацията за пренос на топлина на PTFE тръба в статичен смесител разрушава напълно този профил. Всеки смесителен елемент непрекъснато пре-насочва течността от центъра към стената и обратно. Вместо да тече в прав слоест курс, течността претърпява хаотична адвекция. Основните механизми са:

Радиално смесване - Физическо пренасяне на флуидни съставки от центъра на тръбата към областта близо до стената, където се извършва топлообмен.

Разрушаване на граничния слой - Локалното разделяне на потока и вторичните вихри, генерирани от елементите на смесителя, изтъняват термичния граничен слой.

Температурно изравняване - Постоянното смесване на горещ и студен флуид води до почти постоянен температурен профил във всяко напречно-сечение. Без горещи точки и без студени канали.

Това води до значително увеличение на числото на Нуселт (Nu) от страната на тръбата. Рутинно докладваните подобрения от 5 до 10 пъти ламинарната стойност на гладката-тръба възникват като функция от числото на Рейнолдс, вискозитета на течността и формата на смесителя. В някои ситуации с висок вискозитет, например топене на полимер с Re < 100, печалбата може да бъде много по-голяма, тъй като статичният миксер осигурява принудително радиално смесване, където естествената конвекция е незначителна.

Едновременно пренасяне на топлина и смесване: Случай на интензификация на процесите
Статичните миксери са много полезни при непрекъсната обработка, когато са необходими както термична, така и композиционна хомогенност. Нека разгледаме тръбен реактор, при който протича екзотермична реакция във вискозна течност. При отсъствието на статичен смесител реакционната топлина се натрупва в центъра на тръбата, което води до локализирано прегряване, странични реакции и влошаване на продукта. Стената на студената тръба остава недостатъчно използвана.

Вмъкването на статичен миксер в PTFE тръбата осигурява три предимства едновременно:

Подобрен пренос на топлина към стената на тръбата: Горещата течност, идваща от сърцевината, непрекъснато се избутва към стената, откъдето топлината се отстранява ефективно от охлаждащата течност (или нагревателната среда) от страната на корпуса.

Постоянен температурен профил - Радиалните температурни градиенти са сведени до минимум, без горещи петна.

Еднакъв състав - Хомогенизира реагентите с еднакво действие на смесване и премахва градиентите на концентрацията.

В тази настройка PTFE тръбата служи като реактор и топлообменник в едно - типичен пример за интензификация на процеса.

Големият компромис: спад на налягането
Компромисът е между разходите за изпомпване и интензитета на смесване. Статичните миксери причиняват много по-голям спад на налягането, отколкото празна тръба. Коефициентът на триене може да бъде от 5 до 20 пъти по-голям за дадена дължина на тръбата в зависимост от броя и вида на смесителните елементи. Този растеж се дължи на повтарящите се свивания, разширявания и промени в посоката на всяка съставна част.

Дизайнерите трябва да балансират увеличаването на топлопреминаването с увеличаването на изпомпваната мощност. Това понижаване на налягането може да е приемливо за течности с нисък вискозитет (напр. водо-подобни разтворители). За много вискозни течности (напр. полимерни стопилки или тежки масла) разходите за изпомпване могат да бъдат непосилни. В режим на висок-вискозитет обаче коефициентът на топлопреминаване на гладката-тръба е толкова нисък, че е необходим някакъв вид увеличение. Статичните миксери понякога са единственото практично пасивно решение, тъй като осигуряват ефективно смесване дори при много ниски числа на Рейнолдс (Re<10).

За непрекъсната обработка общият спад на налягането през PTFE тръба със статичен смесител обикновено се оценява с помощта на корелацията, предоставена от производителя. Типично правило е, че всеки смесителен елемент ще добави спад на налягането от 5-20 диаметъра на празна тръба, в зависимост от конструкцията на елемента.

Идеални течности и условия на работа
Статичните смесители са подходящи за течности с висок вискозитет при липса на естествена конвекция. При потоци с нисък вискозитет и висока скорост (Re > 4000) потокът вече е турбулентен и допълнителната полза от статичен миксер е по-малка. Въпреки това, дори при турбулентен поток, статичният миксер може да подобри радиалното смесване и да намали неправилното разпределение на температурата, особено в къси тръби или близо до входовете на тръбите.

Системите за пренос на топлина от PTFE тръбни смесители обикновено се използват за:

Нагряване или охлаждане на полимерна стопилка (например обработка на PTFE дисперсия, екструдиране на флуорополимер)

Химични реакции, които са вискозни и се нуждаят от точен температурен контрол (напр. поликондензация, епоксидно втвърдяване)

Хранителна и фармацевтична обработка (напр. нагряване на сиропи, гелове или мехлеми) поради незалепващата повърхност на PTFE, предотвратяваща замърсяването

Химически устойчив път, осигурен само от PTFE тръби за корозивни течности, нагрявани в метални топлообменници

Предлагат се изработка по поръчка и PTFE статични миксери
Статичните миксери са зряла технология с голям брой тръбни материали, налични в търговската мрежа. PTFE тръбите се предлагат в няколко разновидности:

Изцяло PTFE миксери - Машинно обработени или формовани от стоков PTFE. Те осигуряват пълна химическа устойчивост и се използват за свръхчисти или сурови течности. Персонализирани вложки се предлагат от производители на специализирани флуорополимери. Процедурата на производство е чрез изрязване или формоване на отделни елементи и след това сглобяването им върху централен прът или използване на стегнат дизайн.

Метални смесители с покритие от PFA - Сърцевина от неръждаема стомана с PFA или PTFE отливка. Те притежават механичната якост на метала заедно с химическата устойчивост на флуорополимера. Като цяло те са по-евтини от всички-PTFE смесители за големи диаметри.

Пълнежи и уплътнения - Произволно уплътняване (напр. пръстени на Рашиг или PTFE седла) е решение с ниска-цена за някои приложения. Случайното опаковане не осигурява предсказуемото, повтарящо се смесване на проектиран статичен миксер.

Проектантът трябва да гарантира, че OD на статичния миксер може лесно да се вмъкне в PTFE тръбата без ненужна сила и че системата може да поддържа топлинно разширение. Коефициентът на топлинно разширение на PTFE (≈ 10–15 × 10–5/градус) е много висок и смесителят не трябва да залепва или деформира тръбата при екстремни температури.

Съображения за проектиране и практически ограничения
Статичните миксери имат определени предимства, но не са забележителни. Трябва да се имат предвид следните ограничения:

Потенциал за замърсяване - Сложната вътрешна геометрия може да улови частици или утаени вещества. Това не е проблем за чисти течности или течности с ниска концентрация на твърди вещества. Предлагат се само{3}}версии на нечисти потоци (напр. спирални компоненти без застояли зони).

Монтаж и почистване – Статичните миксери са трудни за почистване на място (CIP), тъй като вътрешните елементи пречат. Когато продуктът се сменя често, може да се предпочете подвижен смесител или PTFE вложка за еднократна употреба.

Дължина на тръбата - Броят на елементите (често 4 до 20) увеличава ефикасността на смесване. Въпреки това, по-голям спад на налягането се създава от по-дълги тръби с многобройни съставки. Оптималната дължина зависи от необходимата мощност на топлопренос и наличния капацитет на изпомпване.

Температурни ограничения - PTFE статичните миксери могат да се използват до около 200 градуса, но материалът омеква при по-високи температури, причинявайки деформация при напрежение, предизвикано от потока. За по-високи температури PFA е превъзходен избор (оценен до 260 градуса).

Заключение: Интензивен, но мощен метод за намаляване на налягането
Статичните смесители са мощен, но интензивен начин за понижаване на налягането за постигане на едновременно пренасяне на топлина и смесване в PTFE тръби. Тези неподвижни компоненти постоянно пренасочват течността от центъра на тръбата към стената, като по този начин премахват радиалните температурни градиенти. Доказано е, че повишават числото на Нуселт от 5 до 10 пъти над празна тръба при ламинарен поток. Те са особено полезни за флуиди с висок вискозитет, където няма естествена конвекция, и за непрекъснати комбинации от реактор-топлообменник, където е необходима хомогенност на температурата и състава.

Интензификацията на процеса обикновено включва комбиниране на няколко функции в едно устройство. Подходът е илюстриран чрез използването на статичен смесител в PTFE тръби, който осигурява подобряване на топлообмена и смесване на течности в една и съща дължина на тръбите, без движещи се части, електрическо захранване или външно управление. Методът за пренос на топлина при използване на PTFE тръба в статичен миксер заслужава сериозно внимание от страна на инженерите, които изграждат системи за работа с устойчиви на корозия-, с висока-чистота или вискозни течности. Допълнителните разходи за изпомпване трябва да бъдат балансирани спрямо подобряването на топлинната ефективност. Статичните миксери често са най-осъществимият и успешен подход, когато вискозитетът е висок и топлинното предизвикателство е сериозно.