Яка роль статичних змішувачів як пристроїв для покращення теплопередачі в трубах з ПТФЕ?

Для процедур, які вимагають як передачі тепла, так і змішування, наприклад нагрівання в’язких полімерів або хімічних реакцій у потоці, статичний змішувач усередині трубки з ПТФЕ виконує подвійну функцію: він збільшує теплопередачу, порушуючи профіль ламінарного потоку, і водночас змішує рідину. Статичні змішувачі являють собою комбінацію обох цих пристроїв в одному пристрої без рухомих компонентів. Динамічні міксери мають рухомі частини. Окремі теплообмінники розташовані нижче за змішувальною секцією. Незважаючи на те, що труби з ПТФЕ добре відомі своєю хімічною інертністю та антипригарною поверхнею, їх теплопровідність низька. Статичні змішувачі є надійним засобом для подолання обмежень ламінарного потоку.

Що таке статичний міксер?
Статичний міксер складається з кількох нерухомих-рухомих частин усередині труби. Звичайними конструкціями є гвинтові (спіральні) частини, перехрещені лопаті або X--подібні бар’єри в повторюваній послідовності. Кожен елемент, коли рідина проходить через трубку, розділяє потік, обертає його і повертає разом із сусідніми шарами. Рідина безперервно переорієнтовується в радіальному та азимутальному напрямках по довжині змішувача.

PTFE трубка. Статичні змішувачі можуть бути виготовлені повністю з PTFE або PFA (перфторалкокси) у PTFE трубках для повної хімічної сумісності. Крім того, металеві змішувачі з PTFE покриттям доступні для застосувань, де допускається помірний вплив металу. Декілька спеціалізованих постачальників надають-виготовлені на замовлення вставки, готові до звичайних внутрішніх діаметрів PTFE труб (від 6 мм до 25 мм або більше).

Як статичні змішувачі покращують теплообмін
Домінуючим режимом течії для багатьох в’язких рідин, які обробляються в системах з ПТФЕ, є ламінарний потік у гладкій трубі, а передача тепла відбувається переважно за рахунок провідності. Виникає параболічний профіль швидкості: рідина в середині рухається швидше, ніж рідина поблизу стінки. Ця дисперсія швидкості призводить до сильного радіального градієнта температури. Гаряча (або холодна) жила теплоізольована від стіни. Загальний коефіцієнт теплопередачі низький.

Конфігурація теплопередачі PTFE трубки в статичному змішувачі повністю руйнує цей профіль. Кожен елемент змішувача постійно пере-переорієнтовує рідину від центру до стінки та навпаки. Замість того щоб текти прямолінійно, шарувато, рідина зазнає хаотичної адвекції. Основні механізми:

Радіальне змішування - Фізичне переміщення рідинних компонентів від центру труби до області біля стінки, де відбувається теплообмін.

Порушення прикордонного шару - Місцеве розділення потоку та вторинні завихрення, створювані елементами змішувача, стоншують тепловий прикордонний шар.

Вирівнювання температури - Постійне змішування гарячої та холодної рідини призводить до майже постійного температурного профілю в будь-якому-перерізі. Ні гарячих точок, ні холодних каналів.

Це призводить до значного збільшення числа Нуссельта (Nu) на стороні трубки. Регулярно повідомляється про покращення у 5–10 разів ламінарного значення гладкої-трубки як функції числа Рейнольдса, в’язкості рідини та форми змішувача. У деяких ситуаціях з високою в’язкістю, наприклад, розплави полімеру з Re < 100, приріст може бути набагато більшим, оскільки статичний змішувач забезпечує примусове радіальне змішування, де природна конвекція незначна.

Одночасний теплообмін і перемішування: Випадок інтенсифікації процесів
Статичні змішувачі дуже корисні при безперервній обробці, коли потрібна як термічна, так і композиційна однорідність. Розглянемо трубчастий реактор, в якому екзотермічна реакція відбувається у в’язкій рідині. За відсутності статичного змішувача реакційне тепло накопичується в центрі труби, що призводить до локального перегріву, побічних реакцій і погіршення якості продукту. Стінка холодної труби залишається недостатньо використаною.

Встановлення статичного змішувача в трубку з ПТФЕ забезпечує три переваги одночасно:

Покращена передача тепла до стінки труби: гаряча рідина, що надходить із сердечника, постійно штовхається до стінки, звідки тепло ефективно відводиться охолоджувачем (або теплоносієм) на стороні оболонки.

Послідовний температурний профіль - Радіальні градієнти температури зведені до мінімуму, немає гарячих плям.

Однорідний склад - Гомогенізує реагенти з однаковою дією змішування та усуває градієнти концентрації.

У цій установці PTFE труба служить як реактор і теплообмінник в одному - типовий приклад інтенсифікації процесу.

Великий компроміс: падіння тиску
Компроміс полягає між витратами на накачування та інтенсивністю змішування. Статичні змішувачі викликають набагато більший перепад тиску, ніж порожня труба. Коефіцієнт тертя може бути від 5 до 20 разів більшим для даної довжини труби залежно від кількості та типу змішувальних елементів. Це зростання відбувається завдяки повторюваним скороченням, розширенням і змінам напрямку кожної складової.

Розробники повинні збалансувати збільшення теплопередачі зі збільшенням потужності насоса. Це зниження тиску може бути прийнятним для рідин із низькою в’язкістю (наприклад, розчинників,-подібних воді). Для дуже в’язких рідин (наприклад, розплавів полімерів або важких масел) витрати на перекачування можуть бути непомірно високими. Однак у режимі високої-в’язкості коефіцієнт теплопередачі гладкої-трубки настільки низький, що потрібен певний тип збільшення. Статичні змішувачі іноді є єдиним практичним пасивним рішенням, оскільки вони забезпечують ефективне змішування навіть при дуже низьких числах Рейнольдса (Re<10).

Для безперервної обробки загальний перепад тиску через трубку з ПТФЕ зі статичним змішувачем зазвичай оцінюється за допомогою кореляції, наданої виробником. Типове емпіричне правило полягає в тому, що кожен змішувальний елемент додасть падіння тиску на 5-20 діаметрів порожньої труби залежно від конструкції елемента.

Ідеальні рідини та умови роботи
Статичні змішувачі підходять для рідин з високою в'язкістю за відсутності природної конвекції. У потоках з низькою в'язкістю та високою швидкістю (Re > 4000) потік уже є турбулентним, і додаткові переваги статичного змішувача менші. Однак навіть у турбулентному потоці статичний змішувач може покращити радіальне змішування та зменшити неправильний розподіл температури, особливо в коротких трубах або поблизу вхідних отворів труб.

Статичний змішувач PTFE трубчасті системи теплопередачі зазвичай використовуються для:

Нагрівання або охолодження розплавів полімерів (наприклад, обробка дисперсією PTFE, екструзія фторполімерів)

В’язкі хімічні реакції, які потребують точного контролю температури (наприклад, поліконденсація, затвердіння епоксидної смоли)

Харчова та фармацевтична обробка (наприклад, нагрівання сиропів, гелів або мазей) через антипригарну поверхню PTFE, що запобігає забрудненню

Хімічно стійкий шлях забезпечується лише PTFE трубами для корозійних рідин, що нагріваються в металевих теплообмінниках

Доступне індивідуальне виготовлення та статичні змішувачі з PTFE
Статичні змішувачі — це зріла технологія з великою кількістю комерційно доступних трубних матеріалів. ПТФЕ-трубки доступні в кількох варіантах:

Повністю PTFE змішувачі - Оброблені або відлиті зі стандартного PTFE. Вони забезпечують повну хімічну стійкість і використовуються для надчистих або жорстких рідин. Спеціалізовані виробники фторполімерів пропонують спеціальні вставки. Процедура виготовлення полягає у вирізанні або формуванні окремих елементів, а потім їх збиранні на центральному стрижні або за допомогою конструкції з щільною посадкою.

Металеві змішувачі з покриттям PFA - Серцевина з нержавіючої сталі з верхньою формою PFA або PTFE. Вони мають механічну міцність металу разом із хімічною стійкістю фторполімеру. Загалом вони дешевші за всі-змішувачі з ПТФЕ для великих діаметрів.

Наповнювачі та ущільнювачі - Довільне ущільнення (наприклад, кільця Рашига або сідла з PTFE) є недорогим-рішенням для деяких застосувань. Випадкова упаковка не забезпечує передбачуваного, повторюваного змішування, як у розробленого статичного міксера.

Розробник повинен переконатися, що зовнішній діаметр статичного змішувача легко вставляється в трубку з ПТФЕ без зайвих зусиль і що система може підтримувати теплове розширення. Коефіцієнт теплового розширення PTFE (≈ 10–15 × 10–5/градус) є дуже високим, і змішувач не повинен зв’язувати або деформувати трубу при екстремальних температурах.

Проектні міркування та практичні обмеження
У статичних змішувачів є певні переваги, але вони не є надзвичайними. Слід пам’ятати про такі обмеження:

Потенціал забруднення - Складна внутрішня геометрія може затримувати частинки або речовини, що випали в осад. Це не проблема для чистих рідин або рідин з невеликою концентрацією твердих частинок. Доступні само{3}}версії нечистих потоків (наприклад, спіральні компоненти без застійних зон).

Встановлення та очищення – Статичні змішувачі важко чистити на місці (CIP), оскільки внутрішні елементи заважають. У разі частої заміни продукту можна віддати перевагу знімному змішувачу або одноразовій вставці з PTFE.

Довжина трубки - Кількість елементів (часто від 4 до 20) підвищує ефективність змішування. Однак більший перепад тиску створюється більшою довжиною труб з численними компонентами. Оптимальна довжина залежить від необхідної потужності теплопередачі та доступної потужності насоса.

Температурні обмеження - Статичні змішувачі з PTFE можна використовувати приблизно до 200 градусів, однак матеріал розм’якшується при вищих температурах, спричиняючи деформацію під впливом потоку. Для більш високих температур PFA є кращим вибором (до 260 градусів).

Висновок: інтенсивний, але потужний метод зниження тиску
Статичні змішувачі є потужним, але інтенсивним способом перепаду тиску для досягнення одночасної теплопередачі та змішування в PTFE трубах. Ці нерухомі компоненти постійно пере-направляють рідину від центру труби до стінки, таким чином усуваючи радіальні градієнти температури. Показано, що вони підвищують число Нуссельта в 5-10 разів у порівнянні з порожньою трубкою під ламінарним потоком. Вони особливо корисні для рідин з високою в’язкістю, де відсутня природна конвекція, і для безперервних комбінацій реакторів-теплообмінників, де потрібна однорідність температури та складу.

Інтенсифікація процесу зазвичай передбачає поєднання кількох функцій в одному пристрої. Цей підхід проілюстровано використанням статичного змішувача в трубах з ПТФЕ, який забезпечує посилення теплопередачі та змішування рідини на тій самій довжині труби, без рухомих частин, електрики чи зовнішнього керування. Метод теплопередачі за допомогою трубки з ПТФЕ в статичному змішувачі заслуговує на серйозну увагу для інженерів, які створюють системи для роботи зі стійкими до корозії,-високої{3}}чистоти або в’язкими рідинами. Додаткові витрати на накачування повинні бути збалансовані з підвищенням теплових характеристик. Статичні змішувачі часто є найбільш доцільним і успішним підходом, коли в’язкість висока і теплова проблема серйозна.