Mikä on staattisten sekoittimien rooli lämmönsiirtoa parantavina laitteina PTFE-letkuissa?

Menetelmissä, jotka vaativat sekä lämmönsiirtoa että sekoitusta, kuten viskoosien polymeerien kuumentaminen tai kemialliset reaktiot virtauksessa, PTFE-putken sisällä oleva staattinen sekoitin suorittaa kaksinkertaisen tehtävän: se lisää lämmönsiirtoa rikkomalla laminaarisen virtausprofiilin ja samalla sekoittaa nestettä. Staattiset sekoittimet ovat näiden molempien laitteiden yhdistelmä yhdessä laitteessa ilman liikkuvia osia. Dynaamisissa sekoittimissa on liikkuvia osia. Erilliset lämmönvaihtimet on sijoitettu sekoitusosan alavirtaan. Vaikka PTFE-putket tunnetaan hyvin kemiallisesta inertisyydestään ja tarttumattomasta pinnastaan, sen lämmönjohtavuus on huono. Staattiset sekoittimet ovat vahva tapa voittaa laminaarivirtauksen rajoitteet.

Mikä on staattinen mikseri?
Staattinen sekoitin koostuu useista kiinteistä, ei--liikkuvista kappaleista putken sisällä. Yleisiä malleja ovat kierteiset (spiraaliset) osat, ristikkäiset terät tai X-muotoiset esteet toistuvassa järjestyksessä. Jokainen elementti, kun neste kulkee putken läpi, jakaa virran, pyörittää sitä ja tuo sen takaisin yhteen viereisten kerrosten kanssa. Neste suuntautuu jatkuvasti uudelleen{5}}säteittäiseen ja atsimuuttisuuntiin sekoittimen pituuden yli.

PTFE-letku Staattiset sekoittimet voidaan valmistaa kokonaan PTFE:stä tai PFA:sta (perfluorialkoksi) PTFE-letkussa täydellisen kemiallisen yhteensopivuuden varmistamiseksi. Vaihtoehtoisesti on saatavana PTFE-pinnoitettuja metallisekoittimia sovelluksiin, joissa vähäinen altistuminen metallille on sallittu. Useat asiantuntijatoimittajat tarjoavat räätälöityjä-sisäosia, jotka on viimeistelty sopimaan yleisiin PTFE-putkien sisähalkaisijaan (6–25 mm tai enemmän).

Kuinka staattiset sekoittimet parantavat lämmönsiirtoa
Monien PTFE-järjestelmissä käsiteltyjen viskoosien nesteiden hallitseva virtausjärjestelmä on laminaarinen virtaus sileässä putkessa, ja lämmönsiirto tapahtuu enimmäkseen johtuen. Syntyy parabolinen nopeusprofiili: keskellä oleva neste kulkee nopeammin kuin lähellä seinää oleva neste. Tämä nopeusdispersio johtaa voimakkaaseen radiaaliseen lämpötilagradienttiin. Kuuma (tai kylmä) ydin on lämpöeristetty seinästä. Kokonaislämmönsiirtokerroin on alhainen.

PTFE-putken lämmönsiirtokonfiguraatio staattisessa sekoittimessa tuhoaa tämän profiilin kokonaan. Jokainen sekoitinelementti suuntaa jatkuvasti uudelleen-nesteen keskustasta seinään ja päinvastoin. Sen sijaan, että se virtaisi suorana kerroksisena, neste käy läpi kaoottista advektiota. Tärkeimmät mekanismit ovat:

Säteittäinen sekoitus - Nesteaineosien fyysinen siirto putken keskustasta seinän lähelle, jossa tapahtuu lämmönvaihtoa.

Rajakerroksen häiriö - Sekoitinelementtien synnyttämä paikallinen virtauksen erottuminen ja toissijaiset pyörteet ohentavat lämpörajakerrosta.

Lämpötilan tasaus - Kuuman ja kylmän nesteen jatkuva sekoittuminen johtaa lähes tasaiseen lämpötilaprofiiliin millä tahansa poikkileikkauksella-. Ei kuumia kohtia eikä kylmiä kanavia.

Tämä johtaa merkittävästi Nusselt-luvun (Nu) nousuun putken puolella. Rutiininomaisesti raportoidut parannukset, jotka ovat 5–10 kertaa sileän-putken laminaariarvo, tapahtuvat Reynoldsin luvun, nesteen viskositeetin ja sekoittimen muodon funktiona. Joissakin korkean viskositeetin tilanteissa, esimerkiksi polymeerisulaissa, joissa Re < 100, vahvistus voi olla paljon suurempi, koska staattinen sekoitin aikaansaa pakotetun radiaalisen sekoittumisen, jossa luonnollinen konvektio on merkityksetön.

Samanaikainen lämmönsiirto ja sekoitus: Tapaus prosessien tehostumisesta
Staattiset sekoittimet ovat erittäin hyödyllisiä jatkuvassa käsittelyssä, kun tarvitaan sekä lämpöä että koostumuksen homogeenisuutta. Tarkastellaan putkireaktoria, jossa viskoosissa nesteessä tapahtuu eksoterminen reaktio. Staattisen sekoittimen puuttuessa reaktiolämpö kerääntyy putken keskelle, mikä johtaa paikalliseen ylikuumenemiseen, sivureaktioihin ja tuotteen huononemiseen. Kylmä putken seinämä jää alihyödyntämättä.

Staattisen sekoittimen asettaminen PTFE-putkeen tarjoaa kolme etua samanaikaisesti:

Parempi lämmönsiirto putken seinämään: Sydämestä tuleva kuuma neste työnnetään jatkuvasti seinää kohti, josta vaipan puolella oleva jäähdytysneste (tai lämpöväliaine) poistaa lämmön tehokkaasti.

Tasainen lämpötilaprofiili - Säteittäiset lämpötilagradientit on minimoitu, ei kuumia kohtia.

Tasainen koostumus - Homogenisoi reagenssit samalla sekoitustoiminnalla ja poistaa pitoisuusgradientit.

Tässä asetelmassa PTFE-putki toimii reaktorina ja lämmönvaihtimena yhdessä - tyypillinen esimerkki prosessin tehostamisesta.

Suuri kompromissi: paineen lasku
Kompromissi on pumppauskustannusten ja sekoitusintensiteetin välillä. Staattiset sekoittimet aiheuttavat paljon suuremman painehäviön kuin tyhjä putki. Kitkakerroin voi olla jopa 5-20 kertaa suurempi tietylle putken pituudelle riippuen sekoituselementtien lukumäärästä ja tyypistä. Tämä kasvu johtuu kunkin aineosan toistuvista supistuksista, laajennuksista ja suunnanmuutoksista.

Suunnittelijan on tasapainotettava lämmönsiirron nousu pumppaustehon kasvun kanssa. Tämä paineen lasku saattaa olla hyväksyttävää nesteille, joiden viskositeetti on alhainen (esim. vesi{3}}kuten liuottimia). Erittäin viskoosien nesteiden (esim. polymeerisulat tai raskaat öljyt) pumppauskustannukset voivat olla kohtuuttomat. Korkean-viskositeettijärjestelmän aikana sileän-putken lämmönsiirtokerroin on kuitenkin niin alhainen, että tarvitaan jonkinlainen lisäys. Staattiset sekoittimet ovat joskus ainoa käyttökelpoinen passiivinen ratkaisu, koska ne tarjoavat tehokkaan sekoituksen jopa erittäin alhaisilla Reynolds-luvuilla (Re<10).

Jatkuvassa käsittelyssä kokonaispainehäviö staattisella sekoittimella varustetun PTFE-putken läpi arvioidaan tavallisesti käyttämällä valmistajan antamaa korrelaatiota. Tyypillinen nyrkkisääntö on, että jokainen sekoituselementti lisää painehäviön 5-20 putken halkaisijan verran tyhjään putkeen elementin suunnittelusta riippuen.

Ihanteelliset nesteet ja työolosuhteet
Staattiset sekoittimet sopivat korkean viskositeetin nesteisiin ilman luonnollista konvektiota. Alhaisen viskositeetin ja suuren nopeuden (Re > 4000) virtauksissa virtaus on jo turbulenttia ja staattisen sekoittimen lisähyöty on pienempi. Kuitenkin jopa turbulenttisessa virtauksessa staattinen sekoitin voi tehostaa säteittäistä sekoittumista ja vähentää lämpötilan epäjakautumista erityisesti lyhyissä putkissa tai putken tuloaukkojen lähellä.

Staattisen sekoittimen PTFE-putkilämmönsiirtojärjestelmiä käytetään tyypillisesti:

Polymeerisulatteiden lämmitys tai jäähdyttäminen (esim. PTFE-dispersiokäsittely, fluoripolymeeriekstruusio)

Kemialliset reaktiot, jotka ovat viskoosia ja vaativat tarkkaa lämpötilan säätöä (esim. polykondensaatio, epoksikovettuminen)

Elintarvikkeiden ja lääkkeiden prosessointi (esim. siirappien, geelien tai voiteiden kuumennus) PTFE:n tarttumattoman pinnan vuoksi, joka estää likaantumisen

Vain PTFE-putket tarjoavat kemiallisesti kestävän reitin metallilämmönvaihtimissa lämmitetyille syövyttäviä nesteitä varten

Saatavilla mittatilaustyönä valmistettuja staattisia PTFE-sekoittimia
Staattiset sekoittimet ovat kehittynyttä tekniikkaa, jossa on kaupallisesti saatavilla suuri määrä putkimateriaaleja. PTFE-letkuja on saatavana muutamassa lajikkeessa:

Täysin PTFE-sekoittimet - Koneistettu tai valettu PTFE:stä. Nämä tarjoavat täydellisen kemiallisen kestävyyden, ja niitä käytetään erittäin puhtaille tai koville nesteille. Erikoisfluoripolymeerivalmistajat tarjoavat räätälöityjä sisäosia. Valmistusmenetelmä on leikkaamalla tai muovaamalla yksittäisiä elementtejä ja sitten kokoamalla ne keskitankoon tai käyttämällä tiukasti istuvaa mallia.

PFA-pinnoitetut metallisekoittimet - ruostumaton teräsydin PFA- tai PTFE-muovauksella. Niillä on metallin mekaaninen lujuus yhdessä fluoripolymeerin kemiallisen kestävyyden kanssa. Yleensä ne ovat halvempia kuin kaikki-PTFE-sekoittimet suurille halkaisijoille.

Täyteaineet ja pakkaus - Satunnainen pakkaus (esim. Raschig-renkaat tai PTFE-satulat) on edullinen-ratkaisu joihinkin sovelluksiin. Satunnainen pakkaus ei tuota ennustettavaa, toistettavaa sekoitusta suunnitellun staattisen sekoittimen avulla.

Suunnittelijan on varmistettava, että staattisen sekoittimen ulkohalkaisija on helposti työnnettävissä PTFE-letkuun ilman tarpeetonta voimaa ja että järjestelmä tukee lämpölaajenemista. PTFE:n lämpölaajenemiskerroin (≈ 10–15 × 10–5/aste) on erittäin korkea, eikä sekoitin saa sitoa tai muuttaa putkea äärimmäisissä lämpötiloissa.

Suunnittelun näkökohdat ja käytännön rajoitukset
Staattisilla sekoittimilla on tiettyjä etuja, mutta ne eivät ole saalis. Seuraavat rajoitukset on pidettävä mielessä:

Likaantumispotentiaali - Monimutkainen sisägeometria voi vangita hiukkasia tai saostuneita aineita. Tämä ei ole ongelma puhtaille tai nesteille, joissa on vähän kiintoainepitoisuutta. Saatavilla on itsepuhdistuvia

Asennus ja puhdistus – Staattisia sekoittimia on vaikea puhdistaa in situ (CIP), koska sisäiset elementit häiritsevät. Kun tuotetta vaihdetaan usein, voidaan suosia irrotettavaa sekoitinta tai kertakäyttöistä PTFE-sisäosaa.

Putken pituus - Elementtien lukumäärä (usein 4-20) lisää sekoitustehoa. Suurempi painehäviö aiheutuu kuitenkin pitemmistä putkista, joissa on useita ainesosia. Optimaalinen pituus riippuu tarvittavasta lämmönsiirtotehtävästä ja käytettävissä olevasta pumppauskapasiteetista.

Lämpötilarajat - Staattisia PTFE-sekoittimia voidaan käyttää noin 200 asteeseen asti, mutta materiaali pehmenee korkeammissa lämpötiloissa aiheuttaen muodonmuutoksia virtauksen aiheuttaman jännityksen vaikutuksesta. Korkeampiin lämpötiloihin PFA on ylivoimainen valinta (mitoitettu 260 asteeseen).

Johtopäätös: Intensiivinen mutta tehokas menetelmä paineen pudotukseen
Staattiset sekoittimet ovat tehokas mutta painehäviöintensiivinen tapa saavuttaa samanaikainen lämmönsiirto ja sekoittuminen PTFE-letkuissa. Nämä kiinteät komponentit ohjaavat jatkuvasti uudelleen-nestettä putken keskustasta seinään ja poistavat näin radiaaliset lämpötilagradientit. Niiden on osoitettu lisäävän Nusseltin lukua 5-10 kertaa tyhjään putkeen verrattuna laminaarivirtauksen alla. Ne ovat erityisen hyödyllisiä korkean viskositeetin nesteisiin, joissa ei ole luonnollista konvektiota, ja jatkuvissa reaktorin{6}}lämmönvaihdinyhdistelmissä, joissa lämpötilan ja koostumuksen homogeenisuus on välttämätöntä.

Prosessin tehostamiseen liittyy tyypillisesti useiden toimintojen yhdistäminen yhteen laitteeseen. Lähestymistapa on havainnollistettu käyttämällä staattista sekoitinta PTFE-letkuissa, mikä parantaa lämmönsiirtoa ja nesteen sekoittumista saman pituisissa letkuissa ilman liikkuvia osia, sähkövirtaa tai ulkoisia ohjaimia. Lämmönsiirtomenetelmää, jossa käytetään PTFE-putkea staattisessa sekoittimessa, kannattaa harkita vakavasti insinööreille, jotka rakentavat järjestelmiä korroosionkestävien, -puhtaiden tai viskoosien nesteiden käsittelyä varten. Ylimääräiset pumppauskustannukset on tasapainotettava lämmönsuorituskyvyn parantumisen kanssa. Staattiset sekoittimet ovat usein toteuttamiskelpoisin ja menestynein tapa, kun viskositeetti on korkea ja lämpöhaaste kova.