نقش میکسرهای استاتیک به عنوان دستگاه های تقویت کننده انتقال حرارت در لوله های PTFE چیست؟

برای فرآیندهایی که هم به انتقال گرما و هم به اختلاط نیاز دارند، مانند گرم کردن پلیمرهای چسبناک یا واکنش‌های شیمیایی در جریان، یک میکسر استاتیک در داخل لوله PTFE کار مضاعف انجام می‌دهد: انتقال حرارت را با شکستن پروفیل جریان آرام افزایش می‌دهد و در عین حال سیال را مخلوط می‌کند. میکسرهای استاتیک ترکیبی از هر دوی این دستگاه ها در یک دستگاه بدون اجزای متحرک هستند. میکسرهای دینامیک دارای قطعات متحرک هستند. مبدل های حرارتی جداگانه در پایین دست یک بخش اختلاط قرار دارند. اگرچه لوله PTFE به دلیل بی اثری شیمیایی و سطح غیرچسبنده‌اش شناخته شده است، هدایت حرارتی آن ضعیف است. میکسرهای استاتیک وسیله ای قوی برای غلبه بر محدودیت های جریان آرام هستند.

استاتیک میکسر چیست؟
یک میکسر استاتیک از تعدادی قطعه ثابت و غیر متحرک در داخل یک لوله تشکیل شده است. طرح‌های متداول عبارتند از قطعات مارپیچی (مارپیچ)، تیغه‌های متقاطع یا موانع X{2}}شکل، به ترتیب تکرار. هر عنصر، هنگامی که سیال از لوله عبور می کند، جریان را تقسیم می کند، آن را می چرخاند و آن را با لایه های مجاور به هم می آورد. سیال به طور مداوم در جهت شعاعی و ازیموتال در طول میکسر تغییر جهت می دهد.

لوله PTFE میکسرهای استاتیک را می توان به طور کامل از PTFE یا PFA (پرفلوروآلکوکسی) در لوله PTFE برای سازگاری کامل با مواد شیمیایی ساخت. از طرف دیگر، میکسرهای فلزی با پوشش PTFE برای کاربردهایی در دسترس هستند که در آن قرار گرفتن در معرض فلزات مجاز است. چندین ارائه‌دهنده متخصص، درج‌های سفارشی{2}}ساخته‌شده را برای اندازه‌گیری قطر داخلی لوله PTFE (6 تا 25 میلی‌متر یا بیشتر) ارائه می‌کنند.

چگونه میکسرهای استاتیک انتقال حرارت را بهبود می بخشند
رژیم جریان غالب برای بسیاری از سیالات چسبناکی که در سیستم‌های PTFE درمان می‌شوند، جریان آرام در یک لوله صاف است و انتقال گرما عمدتاً از طریق رسانش است. یک پروفیل سرعت سهموی ایجاد می شود: سیال در وسط سریعتر از سیال نزدیک به دیوار حرکت می کند. این پراکندگی سرعت منجر به یک گرادیان درجه حرارت شعاعی قوی می شود. هسته گرم (یا سرد) از دیوار عایق حرارتی است. ضریب انتقال حرارت کلی پایین است.

پیکربندی انتقال حرارت یک لوله PTFE در یک میکسر استاتیک این مشخصات را به طور کامل از بین می برد. هر عنصر میکسر به طور مداوم سیال را از مرکز به دیوار و بالعکس جهت دهی می کند. سیال به جای اینکه در یک مسیر لایه لایه مستقیم جریان یابد، تحت فرارفت آشفته ای قرار می گیرد. مکانیسم های کلیدی عبارتند از:

اختلاط شعاعی - انتقال فیزیکی اجزای سیال از مرکز لوله به ناحیه نزدیک دیواره که در آن تبادل گرما رخ می دهد.

اختلال در لایه مرزی - جداسازی جریان محلی و گردابه های ثانویه ایجاد شده توسط عناصر مخلوط کن، لایه مرزی حرارتی را نازک می کند.

یکسان سازی دما - اختلاط مداوم سیال سرد و گرم منجر به یک نمایه دمای تقریباً ثابت در هر مقطع-می‌شود. بدون نقاط گرم و بدون کانال های سرد.

این منجر به افزایش قابل توجه عدد Nusselt (Nu) در سمت لوله می شود. بهبودهای معمول گزارش شده 5 تا 10 برابر مقدار آرام لوله صاف به عنوان تابعی از عدد رینولدز، ویسکوزیته سیال و شکل میکسر رخ می دهد. در برخی شرایط با ویسکوزیته بالا، به عنوان مثال ذوب پلیمر با Re<100، بهره می تواند بسیار بزرگتر باشد زیرا مخلوط کن استاتیک اختلاط شعاعی اجباری را در جایی که همرفت طبیعی ناچیز است فراهم می کند.

انتقال حرارت و اختلاط همزمان: موردی از تشدید فرآیندها
میکسرهای استاتیک در پردازش مداوم زمانی که همگنی حرارتی و ترکیبی مورد نیاز است بسیار مفید هستند. اجازه دهید یک راکتور لوله ای را در نظر بگیریم که در آن یک واکنش گرمازا در یک مایع چسبناک رخ می دهد. در غیاب یک میکسر ساکن، گرمای واکنش در مرکز لوله جمع می‌شود که منجر به گرمای بیش از حد موضعی، واکنش‌های جانبی و خراب شدن محصول می‌شود. دیواره لوله سرد مورد بهره برداری قرار نگرفته است.

قرار دادن یک میکسر استاتیک در لوله PTFE سه مزیت را به طور همزمان فراهم می کند:

انتقال حرارت بهبود یافته به دیواره لوله: سیال داغی که از هسته می آید به طور مداوم به سمت دیواره رانده می شود، جایی که گرما به طور موثر توسط خنک کننده (یا محیط گرمایش) در سمت پوسته حذف می شود.

نمایه دمای ثابت - شیب دمای شعاعی به حداقل رسیده است، بدون لکه داغ.

ترکیب یکنواخت - واکنش دهنده ها را با عمل اختلاط یکسان یکسان می کند و گرادیان غلظت را حذف می کند.

در این تنظیم، لوله PTFE به عنوان یک راکتور و مبدل حرارتی در یک - یک مثال معمولی از تشدید فرآیند است.

سازش بزرگ: افت فشار
مبادله بین هزینه پمپاژ و شدت اختلاط است. میکسرهای استاتیک افت فشار بسیار بیشتری نسبت به یک لوله خالی ایجاد می کنند. ضریب اصطکاک ممکن است 5 تا 20 برابر برای طول مشخصی از لوله بسته به تعداد و نوع عناصر مخلوط کننده باشد. این رشد به دلیل انقباضات، انبساط ها و تغییر جهت های مکرر هر جزء است.

طراحان باید افزایش انتقال حرارت را با افزایش قدرت پمپاژ متعادل کنند. این کاهش فشار ممکن است برای سیالات با ویسکوزیته پایین (مانند حلال‌های آب{3}) قابل قبول باشد. برای سیالات بسیار چسبناک (مثلاً مذاب های پلیمری یا روغن های سنگین) هزینه های پمپاژ می تواند گران باشد. با این حال، در رژیم{8}}ویسکوزیته بالا، ضریب انتقال حرارت لوله صاف آنقدر پایین است که به نوعی افزایش نیاز است. میکسرهای استاتیک گاهی اوقات تنها راه حل غیرفعال عملی هستند، زیرا اختلاط موثری را حتی در اعداد رینولدز بسیار پایین ارائه می کنند.<10).

برای پردازش مداوم، افت فشار کل از طریق یک لوله PTFE با یک میکسر استاتیک معمولاً با استفاده از همبستگی ارائه شده توسط سازنده تخمین زده می شود. یک قانون کلی معمولی این است که هر عنصر اختلاط، بسته به طراحی عنصر، افت فشار 5-20 قطر لوله به لوله خالی اضافه می کند.

مایعات و شرایط کاری ایده آل
میکسرهای استاتیک برای سیالات با ویسکوزیته بالا در غیاب همرفت طبیعی مناسب هستند. در جریان های با ویسکوزیته کم و سرعت بالا (Re > 4000) جریان در حال حاضر متلاطم است و مزیت افزایشی یک میکسر استاتیک کمتر است. با این حال، حتی در جریان آشفته، یک میکسر استاتیک می تواند اختلاط شعاعی را بهبود بخشد و عدم توزیع دما را کاهش دهد، به ویژه در لوله های کوتاه یا نزدیک به ورودی لوله.

سیستم های انتقال حرارت لوله PTFE میکسر استاتیک معمولاً برای موارد زیر استفاده می شود:

گرم کردن یا خنک کردن مذاب های پلیمری (به عنوان مثال پردازش پراکندگی PTFE، اکستروژن فلوئوروپلیمر)

واکنش های شیمیایی که چسبناک هستند و نیاز به کنترل دقیق دما دارند (مانند پلی تراکم، کیورینگ اپوکسی)

فرآوری مواد غذایی و دارویی (به عنوان مثال حرارت دادن شربت ها، ژل ها یا پمادها) به دلیل سطح نچسب PTFE که از رسوب جلوگیری می کند.

مسیر مقاوم در برابر مواد شیمیایی که فقط توسط لوله های PTFE برای سیالات خورنده گرم شده در مبدل های حرارتی فلزی ارائه می شود

میکسرهای استاتیک ساخت سفارشی و PTFE موجود است
میکسرهای استاتیک یک فناوری بالغ با تعداد زیادی مواد لوله ای هستند که به صورت تجاری در دسترس هستند. لوله PTFE در چند نوع موجود است:

میکسرهای کاملاً PTFE - ماشینکاری یا قالب‌گیری شده از PTFE موجود. اینها مقاومت شیمیایی کلی را ایجاد می کنند و برای سیالات فوق خالص یا خشن استفاده می شوند. درج های سفارشی توسط سازندگان تخصصی فلوروپلیمر ارائه می شود. روش ساخت با برش یا قالب گیری عناصر منفرد و سپس مونتاژ آنها بر روی یک میله مرکزی یا استفاده از یک طرح مناسب است.

میکسرهای فلزی با روکش PFA - هسته فولادی ضد زنگ با PFA یا PTFE Overmold. اینها دارای استحکام مکانیکی فلز همراه با مقاومت شیمیایی فلوروپلیمر هستند. به طور کلی، آنها ارزانتر از همه-میکسرهای PTFE برای قطرهای بزرگ هستند.

پرکننده‌ها و بسته‌بندی - بسته‌بندی تصادفی (مانند حلقه‌های Raschig یا زین‌های PTFE) یک راه‌حل کم هزینه- برای برخی از برنامه‌ها است. بسته بندی تصادفی اختلاط قابل پیش بینی و تکرارپذیر یک میکسر استاتیک مهندسی شده را ارائه نمی دهد.

طراح باید اطمینان حاصل کند که OD میکسر استاتیک به راحتی و بدون نیروی اضافی در لوله PTFE قرار می گیرد و سیستم می تواند از انبساط حرارتی پشتیبانی کند. ضریب انبساط حرارتی PTFE (≈ 10-15 × 10-5 / درجه) بسیار بالا است و میکسر نباید لوله را در دماهای شدید ببندد یا تغییر شکل دهد.

ملاحظات طراحی و محدودیت های عملی
میکسرهای استاتیک دارای مزایای خاصی هستند، اما آنها قابل توجه نیستند. محدودیت های زیر را باید در نظر داشت:

پتانسیل رسوب - هندسه پیچیده داخلی می‌تواند ذرات یا مواد رسوب‌شده را به دام بیندازد. این مشکلی برای مایعات تمیز یا مایعات با غلظت کمی جامد نیست. نسخه‌های{3} خود تمیز شونده جریان‌های ناپاک موجود هستند (به عنوان مثال، اجزای مارپیچی بدون مناطق راکد).

نصب و تمیز کردن - تمیز کردن میکسرهای استاتیک در محل (CIP) دشوار است، زیرا عناصر داخلی تداخل دارند. در جاهایی که محصول اغلب تغییر می کند، ممکن است یک مخلوط کن قابل جابجایی یا درج PTFE یکبار مصرف ترجیح داده شود.

طول لوله - تعداد عناصر (اغلب 4 تا 20) کارایی اختلاط را افزایش می‌دهد. با این حال، افت فشار بالاتر توسط طول لوله های طولانی تر با اجزای متعدد ایجاد می شود. طول بهینه بستگی به وظیفه انتقال حرارت مورد نیاز و ظرفیت پمپاژ موجود دارد.

محدودیت‌های دما - میکسرهای استاتیک PTFE را می‌توان تا حدود 200 درجه استفاده کرد، با این حال مواد در دماهای بالاتر نرم می‌شوند و باعث تغییر شکل تحت تنش ناشی از جریان می‌شوند. برای دماهای بالاتر PFA یک انتخاب برتر است (در درجه 260).

نتیجه گیری: یک روش فشرده اما قدرتمند برای افت فشار
میکسرهای استاتیک یک راه قوی اما پر فشار برای دستیابی به انتقال حرارت و اختلاط همزمان در لوله های PTFE هستند. این اجزای ثابت دائماً سیال را از مرکز لوله به دیوار هدایت می‌کنند، بنابراین شیب دمایی شعاعی را حذف می‌کنند. نشان داده شده است که آنها عدد ناسلت را 5 تا 10 برابر در یک لوله خالی تحت جریان آرام افزایش می دهند. آنها به ویژه برای سیالات با ویسکوزیته بالا که در آن جابجایی طبیعی وجود ندارد و برای ترکیبات مبدل حرارتی{6} راکتور پیوسته که در آن همگنی دما و ترکیب ضروری است، مفید هستند.

تشدید فرآیند معمولاً شامل ترکیب چندین عملکرد در یک دستگاه است. این رویکرد با استفاده از یک میکسر استاتیک در لوله‌های PTFE نشان داده می‌شود که افزایش انتقال حرارت و اختلاط سیال را در طول لوله‌های مشابه، بدون قطعات متحرک، نیروی الکتریکی یا کنترل‌های خارجی فراهم می‌کند. روش انتقال حرارت استفاده از یک لوله PTFE در یک میکسر استاتیک برای مهندسانی که سیستم‌هایی را برای مدیریت سیالات-مقاوم در برابر خوردگی، خلوص-یا چسبناک می‌سازند، ارزش توجه جدی دارد. هزینه پمپاژ اضافی باید در مقابل بهبود عملکرد حرارتی متعادل شود. هنگامی که ویسکوزیته بالا و چالش حرارتی شدید است، میکسرهای استاتیک اغلب عملی ترین و موفق ترین روش هستند.