Руководство по выбору статического смесителя

Выбор подходящего статического смесителя для конкретной операции не является легкой задачей, и еще более трудно решить, следует ли использовать статический смеситель вообще. Некоторые инженеры указывают на неубедительные аргументы в пользу использования статического смесителя, утверждая, что они не причиняют вреда и могут приносить некоторые преимущества. Тем не менее, мы должны сказать, что разумным является рассмотрение использования статического смесителя по крайней мере тогда, когда механическое перемешивание кажется необходимым, или когда тепловой или массовый перенос ограничивает производительность процесса.

Относительно меньшее количество приложений требует использования статического смесителя, и правильная спецификация статического смесителя требует сравнения с традиционными техническими решениями и альтернативными способами использования статического смесителя. Операционные условия, в которых статический смеситель оказывается полезным, включают постоянный поток с низким временем пребывания и ожидание избежания обратного смешивания, но существует множество исключений. Сравнение должно происходить в рамках категории статических смесителей, поскольку существует множество коммерческих приложений, требующих иногда особого дизайна.

Общие критерии выбора конкретного типа статического смесителя могут быть суммированы следующим образом:

(i) Смешивающие вставки с лопастями и большим поперечным сечением (например, HEV, LPD, LLPD, Komax) подходят для простых турбулентных приложений, таких как смешивание, теплообмен или термическая гомогенизация. Они также могут использоваться для смешивания и диспергирования твердых частиц при низкой вязкости жидкой фазы. Эти конструкции склонны к относительной чистоте в работе и могут предотвратить засорение и накипь путем увеличения стенового турбулентного потока.

(ii) Открытая конструкция с элементами винта идеально подходит для ламинарных, онлайн-смешивания и термической гомогенизации (например, элементы Kenics) за счет перераспределения винта и перемешивания потока без создания вихрей.

(iii) Статические смесители с пластинчатыми вставками (например, смесители SMV) создают очень равномерные смеси и являются идеальным выбором для обеспечения равномерной передачи массы газ-жидкость и жидкость-жидкость, так как они вызывают сильное радиальное перемешивание. Пластинчатые статические смесители также могут использоваться для увеличения теплообмена.

(iv) Многослойные конструкции (например, SMX, SMXL) используются для жидкостей с высокой вязкостью в ламинарном режиме, но, по-видимому, также подходят для многокомпонентного жидкостного, жидко-твердого и газожидкостного потока, когда непрерывная фаза является вязкой или вязкоупругой.

(v) Специальные типы статических смесителей наиболее подходят для наполнителей и распределения потока в дистилляционных башнях и частоте подачи. Они часто являются предпочтительным выбором перед универсальными смесителями, рассмотренными в этой статье. Подобные комментарии можно сделать и относительно вставок для теплообмена в трубопроводах.

Рисунок 1 (адаптирован из работы Майерса и др., 1997 г.) представляет некоторые из этих рекомендаций в форме логической диаграммы. Однако следует отметить, что, в отличие от графиков, статические смесители используются в системах батчинга и дозирования.

После выбора конкретного типа статического смесителя более подробная оценка будет основана на следующих факторах:

(i) Падение давления и потребление энергии;

(ii) Конкретные ключевые параметры работы;

(iii) Различные практические соображения.

Обсуждались прогнозирование падения давления и другие ключевые параметры, но самым важным практическим соображением может быть капитальные затраты. Операционные расходы, включая коммунальные услуги и обслуживание, могут отличаться от традиционных решений. Свобода процесса, особенно диапазон регулирования, может быть важным фактором при оценке дизайна, а сложность модернизации важна при повышении производственного процесса. В установках с производством нескольких продуктов удобство очистки или быстрая замена оборудования может быть основным фактором.

Диаграмма 1 Логическая схема выбора статического смесителя (адаптировано из работ Майерса и др., 1997 г.)

Увеличение рассматриваемых факторов

Существуют три концептуально различных способа увеличения производительности оборудования для производства с использованием статического смесителя:

(i) Параллельное добавление одинаковых смесителей - это общий и дешевый способ увеличения мощности для конструкции трубчатых теплообменников;

(ii) Увеличение длины смесителя - увеличение длины трубы и добавление дополнительных смесительных элементов в одиночную трубу увеличит пропускную способность пропорционально увеличению длины;

(iii) Увеличение диаметра трубы для поддержания постоянного падения давления или масштабирование в соответствии с (приблизительной) геометрической подобностью - геометрическая подобность труб означает сохранение одинакового отношения длины к диаметру L/D при увеличении масштаба. При турбулентном потоке масштабирование с постоянным падением давления снизит отношение L/D.

Коэффициент увеличения производства S определяется как:

S = 10 увеличение считается умеренным, а S = 100 увеличение считается радикальным, но отражает современную тенденцию, которая стала возможной благодаря углублению нашего понимания основных принципов процесса.

Перспективы на будущее 

Статические смесители управляют потоком благодаря изощренной геометрии поверхности границы. До 1980-х годов изощренный дизайн был основан на физическом интуитивном понимании и стал первым поколением статических смесителей. Они имели огромный успех, стимулировали множество промышленных применений и академических исследований, но не все из них выдержали испытание временем. Большинство текущих обзорных статей касаются именно этого первого поколения статических смесителей.

Второе поколение сохраняет концептуальные дизайны первого, но улучшает их геометрию и применение. Появление вычислительной гидродинамики позволило этому происходить намного быстрее, чем это могло бы быть сделано с использованием физического (по сравнению с численным) эксперимента. Для конкретных примеров второго поколения, таких как винтовые элементы типа Kenics: каков оптимальный угол скручивания элементов, какое соотношение Le/De следует использовать для этого скручивания, какой должен быть угол смещения следующего элемента в последовательности и должны ли все элементы иметь одинаковые геометрические параметры, или они должны изменяться с изменением положения, некоторые вопросы уже получили ответы. При наличии современного кода CFD и компьютера все ответы выполнимы, по крайней мере, для конкретных применений в однофазных потоках ламинарного течения. Мы ожидаем, что ответы появятся в публикуемой литературе и в ответах, предоставленных по запросам клиентов.

Третье поколение статических смесителей будет использовать CFD для исследования новых концептуальных дизайнов, особенно в том смысле, что они являются лучшими для конкретных применений. Например, рассмотрим теплообмен в потоке внутри трубы определенной фиксированной длины. Предположим, что статический элемент можно установить внутри трубы. Чтобы максимально увеличить теплоотдачу, какой должен быть входно-выходной переход статического элемента, полное смешивание в поперечном сечении трубы не является правильным ответом. Было предположено, но не доказано, что оптимальным переходом является полное инвертирование потока (Nauman, 1979 г.). Этот доказательство, вероятно, можно будет получить с использованием оптимизации функций, но ответы приведут к вопросу, какой конкретный геометрический дизайн смесителя приблизится к оптимальному переходу при ограничениях давления. Более общий вопрос начинается с того, что при диаметре D и длине L трубы в пределах допустимого максимального падения давления должны происходить изменения внутри, чтобы оптимизировать теплоотдачу. Подобные вопросы могут быть заданы для теплового и составного равномерного распределения, например: предположим, что запасы продукции и падение давления ограничены некоторым максимальным значением. С учетом этих ограничений, какая статическая геометрическая структура может минимизировать (максимизировать) толщину полосы.

Скорость компьютеров постоянно растет, а объем памяти увеличивается. Аппаратное обеспечение уже стало или скоро станет достаточно мощным, чтобы моделировать простые применения третьего поколения, такие как минимизация толщины полосы и теплообмен. В ближайшем будущем улучшения программного обеспечения позволят кодам CFD обрабатывать теплообмен и диффузию молекул или вихри с достаточной точностью для инженерных расчетов реакций. В долгосрочной перспективе эти коды будут полезны для многофазного потока, и эти улучшения окажут огромное влияние на проектирование и использование статических смесителей, будь то в качестве самостоятельного оборудования или в качестве наполнителя и распределителя потока в колоннах и котлах.

Основная концепция статических смесителей - манипулировать потоком с помощью изощренной геометрии поверхности границы - будет находить применение, выходящее за рамки традиционно связанных с ними применений. Например, недавние дизайны способствуют аксиальному смешению, а не радиальному, путем приближения распределения времени пребывания к CSTR (Nauman et al., 2002 г.). Для двухфазного потока в течение длительного времени используются фильтры с рандомной конфигурацией волокон или частиц для стимулирования коагуляции. Более структурированный дизайн, вероятно, может улучшить работу. Эти и другие контактные устройства двухфазного потока также будут получать выгоду от использования элементов, имеющих благоприятное взаимодействие с поверхностью.

В целом, вычислительная гидродинамика стала важным инструментом для понимания производительности статических смесителей, однако все еще требуется правильно поставить вопросы, и требуются эксперименты для подтверждения действительно новых дизайнов и применений, будущее принадлежит CFD. Текущие коды очень сложны с точки зрения математических формул и пользовательского интерфейса. Тенденция последних лет - это коды метода конечных элементов и конечных объемов, но, как упоминалось ранее, эти технологии не особенно подходят для решения проблем конвективной диффузии. По мере того как аппаратное обеспечение становится быстрее, возможно, вернется метод конечных разностей, поскольку он обладает врожденной простотой для крупномасштабных систем парных дифференциальных уравнений, для которых важны баланс массы и энергии. Конечно, также будет тренд в сторону развития систем крупномасштабных параллельных вычислений."