บทบาทของเครื่องผสมแบบคงที่ในฐานะอุปกรณ์เพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนในท่อ PTFE คืออะไร?

สำหรับขั้นตอนที่ต้องใช้ทั้งการส่งผ่านความร้อนและการผสม เช่น การทำความร้อนโพลีเมอร์ที่มีความหนืดหรือปฏิกิริยาเคมีในการไหล เครื่องผสมแบบคงที่ภายในท่อ PTFE จะทำหน้าที่สองหน้าที่: เพิ่มการถ่ายเทความร้อนโดยการแยกโปรไฟล์การไหลแบบลามิเนตและผสมของเหลวในเวลาเดียวกัน เครื่องผสมแบบคงที่คือการรวมกันของอุปกรณ์ทั้งสองนี้ในอุปกรณ์เครื่องเดียวโดยไม่มีการเคลื่อนย้ายส่วนประกอบ มิกเซอร์แบบไดนามิกมีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบแยกส่วนจะถูกติดตั้งไว้ที่ท้ายน้ำของส่วนผสม แม้ว่าท่อ PTFE จะเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความเฉื่อยทางเคมีและพื้นผิวไม่-เกาะติด แต่การนำความร้อนกลับไม่ดี เครื่องผสมแบบคงที่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการเอาชนะข้อจำกัดของการไหลแบบราบเรียบ

เครื่องผสมแบบคงที่คืออะไร?
เครื่องผสมแบบคงที่ประกอบด้วยชิ้นส่วนที่อยู่กับที่-จำนวนหนึ่งซึ่งไม่เคลื่อนที่ภายในท่อ การออกแบบทั่วไปคือชิ้นส่วนที่เป็นเกลียว (เกลียว) ใบพัดแบบไขว้หรือตัวกั้นรูปทรง X- ตามลำดับการทำซ้ำ เมื่อของเหลวไหลผ่านท่อ แต่ละองค์ประกอบจะแบ่งกระแส หมุนและนำกลับมารวมกันกับชั้นที่อยู่ใกล้เคียง ของไหลจะถูกปรับทิศทางใหม่อย่างต่อเนื่อง-ในทิศทางแนวรัศมีและแนวอะซิมุทัลตามความยาวของเครื่องผสม

ท่อ PTFE เครื่องผสมแบบคงที่สามารถทำจาก PTFE หรือ PFA (เปอร์ฟลูออโรอัลคอกซี) ทั้งหมดในท่อ PTFE เพื่อความเข้ากันได้ทางเคมีอย่างสมบูรณ์ หรือมีเครื่องผสมโลหะที่มีการเคลือบ PTFE สำหรับการใช้งานที่อนุญาตให้สัมผัสกับโลหะเพียงเล็กน้อย ผู้ให้บริการผู้เชี่ยวชาญหลายรายจัดหาเม็ดมีดที่ประดิษฐ์ขึ้นเอง-เพื่อให้พอดีกับเส้นผ่านศูนย์กลางภายในของท่อ PTFE ทั่วไป (6 มม. ถึง 25 มม. ขึ้นไป)

เครื่องผสมแบบคงที่ปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนได้อย่างไร
รูปแบบการไหลที่มีอำนาจเหนือกว่าสำหรับของเหลวที่มีความหนืดจำนวนมากที่ได้รับการบำบัดในระบบ PTFE คือการไหลแบบราบเรียบในท่อเรียบ และการส่งผ่านความร้อนส่วนใหญ่จะเกิดจากการนำ โปรไฟล์ความเร็วพาราโบลาเกิดขึ้น: ของไหลที่อยู่ตรงกลางจะเคลื่อนที่ได้เร็วกว่าใกล้กับผนัง การกระจายตัวของความเร็วนี้นำไปสู่การไล่ระดับอุณหภูมิในแนวรัศมีที่รุนแรง แกนร้อน (หรือเย็น) เป็นฉนวนความร้อนจากผนัง ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนโดยรวมต่ำ

การกำหนดค่าการถ่ายเทความร้อนของท่อ PTFE ในเครื่องผสมแบบคงที่จะทำลายโปรไฟล์นี้โดยสิ้นเชิง องค์ประกอบของเครื่องผสมแต่ละอย่าง-จะปรับทิศทางของไหลจากศูนย์กลางไปยังผนังและในทางกลับกันอย่างต่อเนื่อง แทนที่จะไหลเป็นชั้นตรง ของไหลจะเกิดการเคลื่อนตัวอย่างวุ่นวาย กลไกสำคัญได้แก่:

การผสมในแนวรัศมี - การถ่ายโอนทางกายภาพขององค์ประกอบของของเหลวจากศูนย์กลางของท่อไปยังบริเวณผนังใกล้ที่เกิดการแลกเปลี่ยนความร้อน

การหยุดชะงักของชั้นขอบเขต - การแยกการไหลเฉพาะที่และกระแสน้ำวนทุติยภูมิที่สร้างโดยองค์ประกอบตัวผสมทำให้ชั้นขอบเขตความร้อนบางลง

การปรับสมดุลอุณหภูมิ - การผสมของเหลวร้อนและเย็นอย่างต่อเนื่องส่งผลให้โปรไฟล์อุณหภูมิเกือบจะสม่ำเสมอตลอดพื้นที่หน้าตัดใดๆ- ไม่มีจุดร้อนและไม่มีช่องเย็น

ส่งผลให้หมายเลข Nusselt (Nu) ที่ด้านท่อเพิ่มขึ้นอย่างมาก รายงานการปรับปรุงเป็นประจำ 5 ถึง 10 เท่าของค่าลามินาร์ของท่อเรียบ-เกิดขึ้นตามฟังก์ชันของเลขเรย์โนลด์ส ความหนืดของของไหล และรูปร่างของเครื่องผสม ในบางสถานการณ์ที่มีความหนืดสูง เช่น โพลีเมอร์ละลายด้วย Re < 100 อัตราขยายอาจมีมากขึ้น เนื่องจากเครื่องผสมแบบคงที่ช่วยบังคับการผสมในแนวรัศมี โดยที่การพาความร้อนตามธรรมชาติไม่มีนัยสำคัญ

การถ่ายเทความร้อนและการผสมพร้อมกัน: กรณีของกระบวนการที่เข้มข้นขึ้น
เครื่องผสมแบบคงที่มีประโยชน์อย่างมากในการประมวลผลอย่างต่อเนื่อง เมื่อจำเป็นต้องมีทั้งความสม่ำเสมอทางความร้อนและองค์ประกอบ ลองพิจารณาเครื่องปฏิกรณ์แบบท่อซึ่งมีปฏิกิริยาคายความร้อนเกิดขึ้นในของเหลวหนืด ในกรณีที่ไม่มีเครื่องผสมแบบคงที่ ความร้อนจากปฏิกิริยาจะสะสมที่ศูนย์กลางของท่อ ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป ปฏิกิริยาข้างเคียง และการเสื่อมสภาพของผลิตภัณฑ์ ผนังท่อเย็นยังคงถูกใช้ประโยชน์น้อยเกินไป

การใส่เครื่องผสมแบบคงที่ลงในท่อ PTFE ให้ข้อดีสามประการพร้อมกัน:

การถ่ายเทความร้อนที่ดีขึ้นไปยังผนังท่อ: ของไหลร้อนที่มาจากแกนกลางจะถูกผลักไปทางผนังอย่างต่อเนื่อง จากจุดที่ความร้อนถูกกำจัดออกไปอย่างมีประสิทธิภาพด้วยสารหล่อเย็น (หรือตัวกลางทำความร้อน) ที่ด้านเปลือก

โปรไฟล์อุณหภูมิที่สม่ำเสมอ - การไล่ระดับของอุณหภูมิในแนวรัศมีลดลง ไม่มีแพทช์ร้อน

องค์ประกอบที่สม่ำเสมอ - ทำให้สารตั้งต้นเป็นเนื้อเดียวกันด้วยปฏิกิริยาการผสมที่เหมือนกัน และขจัดการไล่ระดับความเข้มข้น

ในการตั้งค่านี้ ท่อ PTFE ทำหน้าที่เป็นเครื่องปฏิกรณ์และเครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนทั้งหมดในเครื่องเดียว - ซึ่งเป็นตัวอย่างทั่วไปของการทำให้กระบวนการเข้มข้นขึ้น

การประนีประนอมครั้งใหญ่: แรงกดดันลดลง
ข้อเสียคือระหว่างค่าใช้จ่ายในการสูบน้ำกับความเข้มข้นในการผสม เครื่องผสมแบบคงที่ทำให้เกิดแรงดันตกคร่อมมากกว่าหลอดเปล่า ปัจจัยการเสียดสีอาจมากกว่า 5 ถึง 20 เท่าสำหรับความยาวของท่อที่กำหนด ขึ้นอยู่กับจำนวนและชนิดขององค์ประกอบการผสม การเติบโตนี้เกิดจากการหดตัว การขยายตัว และการเปลี่ยนแปลงทิศทางขององค์ประกอบแต่ละส่วนซ้ำๆ

นักออกแบบจะต้องสร้างสมดุลระหว่างการส่งผ่านความร้อนที่เพิ่มขึ้นกับกำลังสูบที่เพิ่มขึ้น แรงดันที่ลดลงนี้อาจยอมรับได้สำหรับของเหลวที่มีความหนืดต่ำ (เช่น ตัวทำละลายที่มีลักษณะคล้ายน้ำ-) สำหรับของเหลวที่มีความหนืดมาก (เช่น โพลีเมอร์ละลายหรือน้ำมันหนัก) ค่าใช้จ่ายในการสูบอาจเป็นอุปสรรคได้ อย่างไรก็ตาม ในระบบที่มีความหนืดสูง- ค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนของท่อเรียบ-นั้นต่ำมากจนจำเป็นต้องเสริมบางประเภท บางครั้งเครื่องผสมแบบคงที่อาจเป็นวิธีแก้ปัญหาแบบพาสซีฟเพียงวิธีเดียวที่เป็นไปได้ เนื่องจากให้การผสมที่มีประสิทธิภาพแม้ที่ตัวเลข Reynolds ที่ต่ำมาก (Re<10).

สำหรับการประมวลผลอย่างต่อเนื่อง โดยปกติจะประมาณแรงดันที่ลดลงทั้งหมดผ่านท่อ PTFE ที่มีเครื่องผสมแบบคงที่โดยใช้ความสัมพันธ์ที่ได้รับจากผู้ผลิต หลักการทั่วไปคือแต่ละองค์ประกอบการผสมจะเพิ่มแรงดันตกคร่อมเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 5-20 ของท่อเปล่า ขึ้นอยู่กับการออกแบบองค์ประกอบ

ของเหลวและสภาพการทำงานในอุดมคติ
เครื่องผสมแบบคงที่เหมาะสำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงในกรณีที่ไม่มีการพาความร้อนตามธรรมชาติ ในการไหลที่มีความหนืดต่ำและความเร็วสูง (Re > 4000) การไหลจะปั่นป่วนอยู่แล้ว และประโยชน์ที่เพิ่มขึ้นของเครื่องผสมแบบคงที่ก็จะน้อยลง อย่างไรก็ตาม แม้ในการไหลเชี่ยว เครื่องผสมแบบคงที่สามารถเพิ่มประสิทธิภาพการผสมในแนวรัศมี และลดการกระจายตัวของอุณหภูมิ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในท่อสั้นหรือใกล้กับทางเข้าของท่อ

โดยทั่วไประบบถ่ายเทความร้อนด้วยท่อ PTFE ของเครื่องผสมแบบคงที่มักใช้สำหรับ:

การทำความร้อนหรือความเย็นของโพลีเมอร์หลอมเหลว (เช่น การประมวลผลการกระจายตัวของ PTFE, การอัดขึ้นรูปด้วยฟลูออโรโพลีเมอร์)

ปฏิกิริยาเคมีที่มีความหนืดและต้องการการควบคุมอุณหภูมิที่แม่นยำ (เช่น การควบแน่นแบบควบแน่น การบ่มด้วยอีพ็อกซี่)

การแปรรูปอาหารและยา (เช่น การอุ่นน้ำเชื่อม เจล หรือขี้ผึ้ง) เนื่องจากพื้นผิวที่ไม่ติดของ PTFE- เพื่อป้องกันการเกิดคราบ

เส้นทางทนต่อสารเคมีจัดทำโดยท่อ PTFE สำหรับของไหลที่มีฤทธิ์กัดกร่อนที่ให้ความร้อนในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของโลหะเท่านั้น

มีการผลิตแบบกำหนดเองและเครื่องผสมแบบคงที่ PTFE
เครื่องผสมแบบคงที่เป็นเทคโนโลยีที่สมบูรณ์ซึ่งมีวัสดุท่อจำนวนมากที่มีจำหน่ายในท้องตลาด ท่อ PTFE มีจำหน่ายหลายแบบ:

เครื่องผสม PTFE ครบชุด - กลึงหรือขึ้นรูปจาก PTFE ในสต็อก สิ่งเหล่านี้ให้ความทนทานต่อสารเคมีโดยรวม และใช้สำหรับของเหลวบริสุทธิ์หรือรุนแรงเป็นพิเศษ เม็ดมีดแบบกำหนดเองมีจำหน่ายโดยผู้ผลิตฟลูออโรโพลีเมอร์ชนิดพิเศษ ขั้นตอนการผลิตคือการตัดหรือขึ้นรูปชิ้นส่วนแต่ละชิ้นแล้วประกอบเข้ากับแกนกลางหรือใช้การออกแบบที่แน่นพอดี

เครื่องผสมโลหะเคลือบ PFA - แกนสเตนเลสสตีลพร้อม PFA หรือ PTFE Overmold สิ่งเหล่านี้มีความแข็งแรงเชิงกลของโลหะพร้อมกับความทนทานต่อสารเคมีของฟลูออโรโพลีเมอร์ โดยทั่วไป จะมีราคาถูกกว่าเครื่องผสม PTFE-ทั้งหมดสำหรับเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่

ตัวเติมและการบรรจุ - การบรรจุแบบสุ่ม (เช่น แหวน Raschig หรืออาน PTFE) เป็นโซลูชันราคาประหยัด-สำหรับบางการใช้งาน การบรรจุแบบสุ่มไม่สามารถให้การผสมแบบคงที่ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมและทำซ้ำได้

ผู้ออกแบบจะต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่า OD ของเครื่องผสมแบบคงที่นั้นสามารถแทรกลงในท่อ PTFE ได้อย่างง่ายดายโดยไม่ต้องใช้แรงมากเกินไป และระบบสามารถรองรับการขยายตัวจากความร้อนได้ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนของ PTFE (ประมาณ 10–15 × 10−5/ องศา ) สูงมาก และเครื่องผสมจะต้องไม่พันกันหรือเปลี่ยนรูปท่อที่อุณหภูมิสูงมาก

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบและข้อจำกัดในทางปฏิบัติ
เครื่องผสมแบบคงที่มีข้อดีบางประการ แต่ก็ไม่ใช่สิ่งที่จับต้องได้ ควรคำนึงถึงข้อจำกัดต่อไปนี้:

ศักยภาพในการเปรอะเปื้อน - รูปทรงภายในที่ซับซ้อนสามารถดักจับอนุภาคหรือสารที่ตกตะกอนได้ นี่ไม่ใช่ปัญหาสำหรับของเหลวที่สะอาดหรือของเหลวที่มีความเข้มข้นของของแข็งน้อย มี-กระแสน้ำที่ไม่สะอาดในเวอร์ชันทำความสะอาดตัวเอง (เช่น ส่วนประกอบที่เป็นเกลียวที่ไม่มีโซนนิ่ง)

การติดตั้งและการทำความสะอาด – เครื่องผสมแบบคงที่ทำความสะอาดในแหล่งกำเนิด (CIP) ได้ยาก เนื่องจากองค์ประกอบภายในรบกวน ในกรณีที่มีการเปลี่ยนผลิตภัณฑ์บ่อยครั้ง อาจเลือกใช้เครื่องผสมแบบถอดได้หรือตัวแทรก PTFE แบบใช้แล้วทิ้ง

ความยาวท่อ - จำนวนองค์ประกอบ (มัก 4 ถึง 20) เพิ่มประสิทธิภาพในการผสม อย่างไรก็ตาม แรงดันตกคร่อมที่สูงขึ้นนั้นเกิดจากความยาวของท่อที่ยาวขึ้นและมีองค์ประกอบมากมาย ความยาวที่เหมาะสมที่สุดขึ้นอยู่กับหน้าที่การถ่ายเทความร้อนที่จำเป็นและความสามารถในการสูบที่มีอยู่

ขีดจำกัดอุณหภูมิ - เครื่องผสมแบบคงที่ของ PTFE สามารถใช้งานได้ถึงประมาณ 200 องศา อย่างไรก็ตาม วัสดุจะอ่อนตัวลงที่อุณหภูมิที่สูงขึ้น ทำให้เกิดการเสียรูปภายใต้ความเครียดที่เกิดจากการไหล สำหรับอุณหภูมิที่สูงขึ้น PFA เป็นตัวเลือกที่เหนือกว่า (พิกัด 260 องศา)

สรุป: วิธีการลดแรงดันที่เข้มข้นแต่ทรงพลัง
เครื่องผสมแบบคงที่เป็นวิธีการที่มีประสิทธิภาพแต่ต้องใช้แรงดันตกมาก เพื่อให้เกิดการถ่ายเทความร้อนและการผสมในท่อ PTFE ไปพร้อมๆ กัน ส่วนประกอบที่อยู่กับที่เหล่านี้จะ-เปลี่ยนทิศทางของของไหลจากศูนย์กลางของท่อไปยังผนังอย่างต่อเนื่อง ดังนั้นจึงขจัดการไล่ระดับของอุณหภูมิในแนวรัศมี มีการแสดงให้เห็นว่าสามารถเพิ่มจำนวน Nusselt ได้ 5 ถึง 10 เท่าเหนือท่อเปล่าภายใต้การไหลแบบราบเรียบ มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับของเหลวที่มีความหนืดสูงซึ่งไม่มีการพาความร้อนตามธรรมชาติ และสำหรับการรวมตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของเครื่องปฏิกรณ์ต่อเนื่อง- ซึ่งจำเป็นต้องมีอุณหภูมิและองค์ประกอบที่เป็นเนื้อเดียวกัน

การทำให้กระบวนการเข้มข้นขึ้นโดยทั่วไปเกี่ยวข้องกับการรวมฟังก์ชันต่างๆ ไว้ในอุปกรณ์เครื่องเดียว วิธีการนี้แสดงให้เห็นได้จากการใช้เครื่องผสมแบบคงที่ในท่อ PTFE ซึ่งช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนและการผสมของของไหลในท่อที่มีความยาวเท่ากัน โดยไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว พลังงานไฟฟ้า หรือการควบคุมจากภายนอก วิธีการถ่ายเทความร้อนของการใช้ท่อ PTFE ในเครื่องผสมแบบคงที่คุ้มค่าแก่การพิจารณาอย่างจริงจังสำหรับวิศวกรที่สร้างระบบสำหรับการจัดการ-ของเหลวที่ทนทานต่อการกัดกร่อน มีความบริสุทธิ์สูง- หรือมีความหนืด ต้นทุนการปั๊มเพิ่มเติมจะต้องสมดุลกับการปรับปรุงประสิทธิภาพทางความร้อน เครื่องผสมแบบคงที่มักจะเป็นวิธีที่เป็นไปได้และประสบความสำเร็จมากที่สุดเมื่อมีความหนืดสูงและต้องเผชิญกับความท้าทายด้านความร้อนอย่างรุนแรง