Aká je úloha statických mixérov ako zariadení na zlepšenie prenosu tepla v hadičkách z PTFE?

Pri postupoch, ktoré vyžadujú prenos tepla aj miešanie, ako je zahrievanie viskóznych polymérov alebo chemické reakcie v prúdení, má statický mixér vo vnútri PTFE trubice dvojitú funkciu: zvyšuje prenos tepla rozrušením profilu laminárneho prúdenia a súčasne premiešava kvapalinu. Statické mixéry sú kombináciou oboch týchto zariadení v jedinom zariadení bez pohyblivých komponentov. Dynamické mixéry obsahujú pohyblivé časti. Samostatné výmenníky tepla sú umiestnené za zmiešavacou sekciou. Hoci sú PTFE hadičky dobre známe pre svoju chemickú inertnosť a nepriľnavý -povrch, ich tepelná vodivosť je nízka. Statické miešačky sú silným prostriedkom na prekonanie obmedzení laminárneho prúdenia.

Čo je statický mixér?
Statický mixér pozostáva z množstva stacionárnych, -nepohybujúcich sa častí vo vnútri trubice. Bežné konštrukcie sú špirálovité (špirálové) časti, skrížené lopatky alebo bariéry v tvare X- v opakujúcom sa poradí. Každý prvok, keď tekutina prechádza trubicou, rozdeľuje prúd, otáča ho a privádza späť spolu so susednými vrstvami. Kvapalina je nepretržite preorientovaná{5}} v radiálnom a azimutálnom smere po celej dĺžke mixéra.

PTFE hadičky Statické mixéry môžu byť vyrobené výhradne z PTFE alebo PFA (perfluóralkoxy) v PTFE hadičkách pre úplnú chemickú kompatibilitu. Alternatívne sú k dispozícii kovové miešačky s PTFE povlakmi pre aplikácie, kde je povolené mierne vystavenie kovu. Viacerí špecializovaní poskytovatelia poskytujú na mieru{2}}vyrobené vložky upravené tak, aby vyhovovali bežným vnútorným priemerom PTFE trubíc (6 mm až 25 mm alebo viac).

Ako statické mixéry zlepšujú prenos tepla
Dominantným režimom prúdenia pre mnohé viskózne kvapaliny upravované v systémoch PTFE je laminárne prúdenie v hladkej trubici a prenos tepla je väčšinou vedením. Vznikne parabolický rýchlostný profil: tekutina v strede sa pohybuje rýchlejšie ako tekutina v blízkosti steny. Táto disperzia rýchlosti vedie k silnému radiálnemu teplotnému gradientu. Teplé (alebo studené) jadro je tepelne izolované od steny. Celkový koeficient prestupu tepla je nízky.

Konfigurácia prenosu tepla PTFE trubice v statickom mixéri tento profil úplne zničí. Každý prvok zmiešavača nepretržite re-smeruje tekutinu od stredu k stene a naopak. Namiesto toho, aby prúdila v priamom vrstvenom prúde, tekutina prechádza chaotickou advekciou. Kľúčové mechanizmy sú:

Radiálne miešanie - Fyzický prenos zložiek tekutiny zo stredu rúrky do oblasti blízko steny, kde dochádza k výmene tepla.

Narušenie hraničnej vrstvy - Oddelenie lokálneho prúdenia a sekundárne víry generované prvkami zmiešavača stenčujú tepelnú hraničnú vrstvu.

Vyrovnávanie teploty - Neustále miešanie horúcej a studenej tekutiny má za následok takmer konzistentný teplotný profil v každom priereze-. Žiadne horúce miesta a žiadne studené kanály.

To vedie k výraznému zvýšeniu Nusseltovho čísla (Nu) na strane trubice. Rutinne uvádzané zlepšenia 5 až 10-násobku laminárnej hodnoty hladkej-rúry sa vyskytujú ako funkcia Reynoldsovho čísla, viskozity kvapaliny a tvaru mixéra. V niektorých situáciách s vysokou viskozitou, napríklad polymér topí s Re < 100, môže byť zisk oveľa väčší, pretože statický mixér poskytuje nútené radiálne miešanie, kde je prirodzená konvekcia nevýznamná.

Súčasný prenos tepla a miešanie: Prípad zintenzívnenia procesov
Statické miešačky sú veľmi užitočné pri kontinuálnom spracovaní, keď je potrebná tepelná aj kompozičná homogenita. Uvažujme rúrkový reaktor, kde dochádza k exotermickej reakcii vo viskóznej tekutine. V neprítomnosti statického mixéra sa reakčné teplo akumuluje v strede skúmavky, čo vedie k lokalizovanému prehriatiu, vedľajším reakciám a znehodnoteniu produktu. Studená stena rúrky zostáva nedostatočne využitá.

Vloženie statického mixéra do PTFE trubice poskytuje súčasne tri výhody:

Zlepšený prenos tepla na stenu rúrky: Horúca tekutina vychádzajúca z jadra je neustále tlačená smerom k stene, odkiaľ je teplo efektívne odvádzané chladivom (alebo vykurovacím médiom) na strane plášťa.

Konzistentný teplotný profil - Radiálne teplotné gradienty sú minimalizované, žiadne horúce miesta.

Rovnomerné zloženie - Homogenizuje reaktanty s rovnakým miešacím účinkom a odstraňuje koncentračné gradienty.

V tomto nastavení slúži PTFE trubica ako reaktor a výmenník tepla v jednom - typický príklad intenzifikácie procesu.

Veľký kompromis: Pokles tlaku
Kompromis je medzi nákladmi na čerpanie a intenzitou miešania. Statické mixéry spôsobujú oveľa väčší pokles tlaku ako prázdna trubica. Faktor trenia môže byť 5 až 20 krát väčší pre danú dĺžku rúrky v závislosti od počtu a druhu miešacích prvkov. Tento rast je spôsobený opakujúcimi sa kontrakciami, expanziami a zmenami smeru každej zložky.

Projektanti musia vyrovnať nárast prenosu tepla so zvýšením čerpacieho výkonu. Toto zníženie tlaku môže byť prijateľné pre kvapaliny s nízkou viskozitou (napr. voda-ako rozpúšťadlá). V prípade veľmi viskóznych kvapalín (napr. taveniny polymérov alebo ťažké oleje) môžu byť náklady na čerpanie príliš vysoké. V režime s vysokou-viskózou je však koeficient prestupu tepla hladkej-rúry taký nízky, že je potrebný určitý typ zväčšenia. Statické mixéry sú niekedy jediným praktickým pasívnym riešením, pretože poskytujú efektívne miešanie aj pri veľmi nízkych Reynoldsových číslach (Re<10).

Pri kontinuálnom spracovaní sa celkový pokles tlaku cez PTFE trubicu so statickým mixérom bežne odhaduje pomocou korelácie poskytnutej výrobcom. Typické pravidlo je, že každý miešací prvok pridá tlakovú stratu 5-20 priemerov prázdnej trubice, v závislosti od konštrukcie prvku.

Ideálne tekutiny a pracovné podmienky
Statické miešačky sú vhodné pre kvapaliny s vysokou viskozitou bez prirodzenej konvekcie. V prúdoch s nízkou viskozitou a vysokou rýchlosťou (Re > 4000) je prúdenie už turbulentné a prírastkový prínos statického miešača je menší. Avšak aj pri turbulentnom prúdení môže statický mixér zlepšiť radiálne miešanie a znížiť nesprávne rozloženie teploty, najmä v krátkych rúrach alebo blízko vstupov rúrok.

Statické miešačky Systémy prenosu tepla z PTFE rúr sa zvyčajne používajú na:

Zahrievanie alebo chladenie polymérnych tavenín (napríklad spracovanie disperzie PTFE, vytláčanie fluórpolyméru)

Chemické reakcie, ktoré sú viskózne a vyžadujú presnú kontrolu teploty (napr. polykondenzácia, vytvrdzovanie epoxidom)

Potravinárske a farmaceutické spracovanie (napr. zahrievanie sirupov, gélov alebo mastí) vďaka nepriľnavému povrchu PTFE-zabraňujúcemu znečisteniu

Chemicky odolná dráha poskytovaná iba PTFE rúrkami pre korozívne kvapaliny ohrievané v kovových výmenníkoch tepla

Vlastná výroba a PTFE statické mixéry k dispozícii
Statické mixéry sú vyspelou technológiou s veľkým množstvom komerčne dostupných materiálov rúr. PTFE hadičky sú dostupné v niekoľkých variantoch:

Plne PTFE mixéry - Obrábané alebo lisované zo skladového PTFE. Tieto poskytujú úplnú chemickú odolnosť a používajú sa pre ultra čisté alebo drsné kvapaliny. Vlastné vložky ponúkajú špeciálni výrobcovia fluoropolymérov. Postup výroby je rezaním alebo lisovaním jednotlivých prvkov a ich následnou montážou na centrálnu tyč alebo použitím tesného dizajnu.

Kovové mixéry s PFA povlakom - Nerezové jadro s PFA alebo PTFE prelisovaním. Majú mechanickú pevnosť kovu spolu s chemickou odolnosťou fluórpolyméru. Vo všeobecnosti sú lacnejšie ako všetky-PTFE miešačky pre veľké priemery.

Výplne a balenie - Náhodné balenie (napr. Raschigove krúžky alebo PTFE sedlá) je pre niektoré aplikácie lacné-riešenie. Náhodné balenie neposkytuje predvídateľné a opakovateľné miešanie ako skonštruovaný statický mixér.

Konštruktér musí zabezpečiť, aby sa vonkajší priemer statického mixéra dal ľahko vložiť do PTFE hadičky bez nadmernej sily a aby systém mohol podporovať tepelnú rozťažnosť. Koeficient tepelnej rozťažnosti PTFE (≈ 10–15 × 10−5/ stupeň ) je veľmi vysoký a miešačka nesmie pri extrémnych teplotách rúrku spájať alebo deformovať.

Úvahy o dizajne a praktické obmedzenia
Statické mixéry majú určité výhody, ale nie sú chytľavým. Treba mať na pamäti nasledujúce obmedzenia:

Potenciál znečistenia - Zložitá vnútorná geometria môže zachytávať častice alebo vyzrážané látky. Toto nie je problém pre čisté kvapaliny alebo kvapaliny s nízkou koncentráciou pevných látok. K dispozícii sú samočistiace verzie nečistých prúdov (napr. špirálové komponenty bez stagnujúcich zón).

Inštalácia a čistenie – Statické miešačky sa ťažko čistia in situ (CIP), pretože vnútorné prvky prekážajú. Tam, kde sa produkt často mení, môže byť preferovaná odnímateľná miešačka alebo jednorazová PTFE vložka.

Dĺžka trubice - Počet prvkov (často 4 až 20) zvyšuje účinnosť miešania. Vyšší pokles tlaku je však spôsobený dlhšími dĺžkami rúrok s početnými zložkami. Optimálna dĺžka závisí od potrebného výkonu prenosu tepla a dostupnej čerpacej kapacity.

Teplotné limity - PTFE statické mixéry možno použiť až do asi 200 stupňov , avšak materiál pri vyšších teplotách mäkne a spôsobuje deformáciu pri namáhaní vyvolanom prúdením. Pre vyššie teploty je PFA vynikajúcou voľbou (dimenzovaný do 260 stupňov).

Záver: Intenzívna, ale účinná metóda na zníženie tlaku
Statické mixéry sú účinným, ale intenzívnym spôsobom poklesu tlaku na dosiahnutie súčasného prenosu tepla a miešania v PTFE hadičkách. Tieto stacionárne komponenty neustále presmerovávajú-tekutinu zo stredu rúrky na stenu, čím odstraňujú radiálne teplotné gradienty. Ukázalo sa, že zvyšujú Nusseltove číslo 5 až 10-krát oproti prázdnej skúmavke pri laminárnom prúdení. Sú obzvlášť užitočné pre kvapaliny s vysokou viskozitou, kde nedochádza k prirodzenej konvekcii, a pre kombinácie výmenníkov tepla s kontinuálnym reaktorom-, kde je potrebná homogenita teploty a zloženia.

Intenzifikácia procesu zvyčajne zahŕňa kombináciu niekoľkých funkcií v jednom zariadení. Tento prístup je ilustrovaný použitím statického mixéra v hadičkách z PTFE, ktorý poskytuje zlepšenie prenosu tepla a miešanie tekutín v hadičke rovnakej dĺžky, bez pohyblivých častí, elektrickej energie alebo vonkajších ovládacích prvkov. Metóda prenosu tepla pomocou PTFE trubice v statickom mixéri stojí za seriózne zváženie pre konštruktérov, ktorí budujú systémy na manipuláciu s koróziou -odolnými, s vysokou-čistotou alebo viskóznymi kvapalinami. Dodatočné náklady na čerpanie musia byť vyvážené zlepšením tepelného výkonu. Statické miešačky sú často najuskutočniteľnejším a najúspešnejším prístupom, keď je viskozita vysoká a tepelná záťaž je vážna.