Этот документ обобщает область исследований статических смесителей, включая последние улучшения и их применение в промышленных процессах. Он описывает и сравнивает наиболее часто используемые статические смесители, подчеркивая их преимущества и ограничения. На основе теоретического анализа и экспериментальных исследований проводится сравнительный анализ эффективности смешивания статических смесителей. Обсуждаются возможности применения статических смесителей, такие как смешивание фазных жидкостей, образование жидкостно-жидкостного и газожидкостного интерфейсов, диспергирование жидкость-твердое тело и теплообмен. Докладывается о дизайн-параметрах, контролирующих производительность этих применений для различных типов смесителей. Особое внимание уделяется выявлению ключевых параметров, необходимых для выбора подходящего смесителя.

Введение

Статические смесители уже стали стандартным оборудованием в процессной промышленности. Однако новые дизайны все еще разрабатываются, и новые применения все еще исследуются. Статические смесители дополняют или заменяют традиционные мешалки в онлайн-однократных или циклических процессах. Их применение в непрерывных процессах делает их привлекательной альтернативой традиционным мешалкам, поскольку аналогичные или даже лучшие характеристики можно достичь с более низкими затратами. Статические смесители обычно имеют низкий энергопотребление и требования к обслуживанию, так как они не имеют подвижных частей. Они предоставляют более управляемую и регулируемую скорость растворения для систем с непрерывным питанием и обеспечивают однородный поток подачи с минимальным временем задержки. Они могут использоваться в большинстве строительных материалов. В таблице 1 перечислены некоторые потенциальные преимущества статических смесителей по сравнению с традиционными мешалками.

Хотя статические смесители стали широко использоваться в процессной промышленности только в 1970-х годах, история патентов на них гораздо более давняя. В одном патенте 1874 года описывается одноузельный многослойный неподвижный смеситель для смешивания воздуха и газообразного топлива (Сазерленд, 1874). В ранних французских патентах использовались сегментированные винтовые элементы для смешивания внутри трубы (Ле Консоматер де Петроль, 1931), а другой французский патент демонстрировал многокомпонентное проектирование для смешивания твердых веществ (Баккер, 1949). Патент на ступенчатые элементы для улучшения теплообмена был получен в начале 1950-х годов (Линн, 1958). Крупные нефтехимические компании проводили работы по разработке и, вероятно, использовали свои проекты в течение десятилетий коммерциализации (Стернс, 1953; Визи, 1968; Толлар, 1966). На сегодняшний день около 2000 патентов в США и более 8000 статей описывают статические смесители и их применение, и доступно более 30 коммерческих моделей.

Проектирование прототипа статического смесителя представляет собой серию одинаковых и фиксированных вставок, называемых смесительными элементами, которые могут быть установлены в трубопроводах, колоннах или реакторах. Цель этих элементов - перераспределение потока жидкости в поперечном направлении (то есть радиальном и касательном направлениях), и эффективность этого перераспределения зависит от конкретного дизайна и количества элементов.

Коммерческие статические смесители имеют множество базовых геометрических форм и множество настраиваемых параметров, которые могут быть оптимизированы для конкретных применений, таких как количество последовательных элементов и отношение длины к диаметру (отношение длины одиночного элемента к его внешнему диаметру). В коммерческих конструкциях обычно используются стандартные значения параметров, которые обычно обеспечивают хорошую производительность во всем диапазоне применения и могут быть подтверждены экспериментальными данными. Обычно рекомендуется использовать стандартные конструкции. В целом, фиксированные смесители проявляют более высокую эффективность по сравнению с первичными смешивающими устройствами (такими как изогнутые трубы или тройники), и их производительность также лучше характеризуется. Примеры коммерческих конструкций приведены на рисунке 1, а таблица 2 перечисляет производителей. Таблицы 3 и 4 подводят итоги применения статических смесителей в процессной промышленности.

Таблица 1. Потенциальные преимущества статических смесителей по сравнению с механическими мешалками

На рисунке 1 показаны компоненты различных коммерческих статических смесителей: (a) Kenics (Chemineer Inc.); (b) низкое давление (Ross Engineering Company); (c) SMV (Koch-Glitsch Company); (d) SMX (Koch-Glitsch Company); (e) SMXL (Koch-Glitsch Company); (f) генератор поверхности интерфейса - ISG (Ross Engineering Company); (g) HEV (Chemineer Inc.); (h) внутренняя облицовка серии 50 (Lightnin Inc.); внутренняя облицовка серии 45 (Lightnin Inc.); (j) смеситель для передачи и хранения (Компания Komax Systems); (k) DSR (DODGEN Company).

Таблица 2. Коммерческие статические смесители

Таблица 3. Промышленные применения коммерческих статических смесителей

Таблица 4. Применение статических смесителей в процессной промышленности

Смешивание является неотъемлемой частью процессной промышленности. Оно включает традиционное гомогенное смешивание, а также усиленный теплообмен, непрерывное диспергирование газа в жидкости, диспергирование немешающейся органической фазы в непрерывной водной фазе в виде капель, трехфазный контакт и смешивание твердых веществ. Статические смесители применяются во всех этих областях, включая жидкость-жидкость (например, экстракция жидкость-жидкость), газ-жидкость (например, абсорбция), твердое-жидкое (например, бумажное вещество) и твердое-твердое (например, смешение твердых веществ) системы. Таблица 3 представляет некоторые процессы, использующие коммерческие статические смесители. Статические смесители широко используются в химической и нефтехимической промышленности для обеспечения непрерывной работы. Они также применяются в фармацевтической, пищевой и бумажной промышленности (таблица 4). Статические смесители очень эффективны для смешивания или усиления теплообмена многофазных жидкостей из-за их способности осуществлять радиальное смешивание и приближать элементы потока, что ускоряет диффузию или передачу тепла. В ламинарном потоке статические смесители последовательно разделяют и перераспределяют поток с помощью энергии движения жидкости. В турбулентном потоке они усиливают турбулентность и создают интенсивное радиальное смешивание, даже у стенок. В обоих случаях они могут значительно улучшить теплообмен и операции передачи массы.

Существенные различия в производительности различных типов статических смесителей объясняются схемами классификации, основанными на геометрии смешивающих элементов (Бейкер, 1991; Майерс и др., 1997). Коммерческие статические смесители можно разделить на следующие пять основных типов: спиральные открытые смесители (рис. 1а), лопастные открытые смесители (рис. 1b, g-j), пластинчатые смесители (рис. 1c), многослойные смесители (рис. 1d и е) и закрытые смесители с каналами или отверстиями (рис. 1f). Применение этих конструкций можно разделить на четыре категории:

Первая категория: смешивание однородных веществ;

Вторая категория: создание интерфейса между неоднородными средами;

Третья категория: теплообмен и тепловая устойчивость;

Четвертая категория: осевое смешивание.

В зависимости от того, является ли поток ламинарным или турбулентным, первый класс можно подразделить на два типа. Первый класс смесителей направлен на достижение равномерности состава в поперечном сечении основного потока (например, по радиусу). Применение второго класса зависит от природы фаз: можно выделить газ-жидкость, неоднородную жидкость-жидкость, жидкость-твердое и твердое-твердое взаимодействия. Первый класс включает в себя применение для однородных реакций. Вторая группа включает многофазные реакции и процессы разделения, такие как реакционная абсорбция. Регулярные наполнители представляют собой одну из форм статических смесителей, которая была кратко рассмотрена, используемая в дистилляции и других процессах передачи массы вместо колонок и случайных наполнителей. Третий класс включает теплообменники, связанные с традиционными ламинарными потоками, такие как растворы полимеров. Статические смесительные элементы также могут использоваться в турбулентном потоке для уменьшения размеров теплообменников. Третий класс смесителей может использоваться для химических реакций с высокой тепловыделением. Четвертый класс смесителей - это новый тип смесителя, предназначенный для содействия смешиванию и приблизительного расчета времени пребывания в непрерывном потоке с перемещающимися элементами.

С учетом примеров из таблицы 3, рисунок 2 представляет собой первое руководство по выбору смесителей для определенной операции. Однако такая упрощенная схема не может предоставить количественную информацию о эффективности смешивания, перепаде давления, оптимальном количестве элементов и увеличении масштаба. Когда происходят два процесса одновременно, ситуация становится гораздо сложнее, например, для потока двухфазной реакции или высокотепловыделительной реакции с неперемешанными исходными материалами. Основная цель этой работы - предоставить руководство по выбору статических смесителей для промышленных процессов. Статья разделена на четыре части. В первой части обсуждаются механизмы смешивания и местные явления в статических смесителях для лучшего понимания процессов смешивания, теплообмена или образования интерфейса. Вторая часть обзора включает в себя установленные приложения для интенсификации процессов с помощью интерполяционных смесительных элементов и подчеркивает потенциальные применения, которые все еще находятся в стадии разработки. Третья часть рассматривает ключевые параметры и методы разумного выбора, оценки и масштабирования различных операций, обсуждается методика оценки производительности статических смесителей на основе экспериментальных данных, литературных исследований и оценок вычислительной гидродинамики (CFD). В заключительной части статьи обсуждается текущее состояние и будущие перспективы в этой области исследований.

Рисунок 2: Классификация операций с использованием статических смесителей

I. Основные принципы

В этом разделе обсуждаются основные принципы и локальные явления статических смесителей. Первый и третий классы рассматриваются вместе, поскольку их процессы смешивания и усиления теплообмена имеют сходные особенности. Однако следует различать ламинарный и турбулентный поток, поскольку их микроскопические механизмы смешивания существенно различаются. Затем будут обсуждаться основные принципы операций по созданию интерфейса (второй класс). Применение третьего класса смесителей включает три основные категории: для газ-жидкость, жидкость-жидкость и твердое-жидкость систем, а также две основные цели: обеспечение стабильного распределения и увеличение поверхности интерфейса для передачи массы.

1.1 Смешивание и распределение многофазных жидкостей

1.1.1 Статические смесители в ламинарном потоке

Давление ограничивает турбулентное движение высоковязких жидкостей. Предположим, что в пустой трубе два входных потока, один черный и один белый, каждый из которых занимает половину круглого сечения трубы, как показано на рисунке 3(a). В ламинарном потоке без возмущений линии тока являются прямыми, и два жидких потока при выходе из трубы их входа абсолютно одинаковы, за исключением серого интерфейса, где происходит молекулярная диффузия. Ни тангенциального, ни радиального перемешивания не происходит. Следовательно, как показано на рисунке 3(b), аналогичная ситуация возникает, когда два потока жидкости разделяются по радиусу. В любом из этих случаев теплообмен или реакция между жидкостями, а также теплообмен с стенкой трубы, будет плохим. Молекулярная диффузия может обеспечить смешивание в капилляре, но ее влияние ослабевает при увеличении масштаба и недостаточно для обеспечения полного смешивания в промышленном оборудовании.

Pисунок 3: Пространственная неоднородность: (a) изменение в поперечном направлении; (b) изменение в радиальном направлении

В непрерывном ламинарном потоке даже низкая степень смешивания может вызывать пространственную неоднородность компонентов. Традиционные статические смесители достигают однородности путем перераспределения потока жидкости в радиальном и поперечном направлениях. Непрерывный ламинарный поток также обладает временной неоднородностью, поскольку молекулы, покидающие трубу в один момент времени, входят в трубу в разное время. Перераспределение потока создает как пространственное, так и временное смешивание. В идеальном случае плоский поток, также известный как поток поршня, когда черная и белая жидкости покидают трубу, они равномерно становятся серыми, и все молекулы, вошедшие в трубу, покидают ее вместе. Фактическая степень приближения статического смесителя к идеальному потоку может быть оценена по временным изменениям распределения времени пребывания и пространственным изменениям толщины полос.

Рисунок 4 показывает реакцию инертного маркера на внезапное введение различных геометрических форм потока. Результатом является монотонно возрастающая кривая, представляющая собой кумулятивную функцию распределения времени пребывания F(t). Ссылкой служит пустая труба без диффузии в ламинарном потоке (поток Пуазейля). В этом случае ширина распределения времени пребывания определяется скоростным профилем параболического потока, а ре-распределение потока, вызванное статическими смесительными элементами, делает распределение времени пребывания ближе к резкому распределению потока поршня. Степень приближения к потоку поршня можно оценить временем первого появления t_first, когда маркер впервые появляется на выходе смесителя. Бесчисленные времена первого появления - t_first/, где - среднее время пребывания, для пустой трубы оно равно 0,5, потому что максимальная скорость в параболическом потоке вдвое больше средней скорости. Для потока поршня среднее время пребывания равно 1,0, и при успешном радиальном перераспределении потока статическим смесительным элементом оно приближается к этому значению. Когда время первого появления неопределено, можно выбрать временной момент 5% отклика в качестве первого времени, определяемый временем, когда F(t) = 0,05, что дает более точную оценку, которая также приближается к 1,0, когда окружающая среда для смешивания приближается к потоку поршня (см. выше). Согласно этому критерию время первого появления для непрерывного ламинарного потока равно 0,513. В таблице 5 приведены значения t_first/ для различных геометрических форм потока. Результаты для статического смесителя Kenics основаны на такой модели: для каждых четырех смесительных элементов вставляется одна полностью радиально смешивающая плоскость в трубу, находящуюся в непрерывном ламинарном потоке (Науман, 1982). Kenics в этом показателе не является выдающимся, так как для достижения значения t_first/ (измеренного методом 5% отклика) 0,676 требуется 40 элементов Kenics. Самое высокое сообщенное значение для ламинарного потока с круглой трубой и равномерным распределением вязкости было достигнуто Saxena и Nigam (1984), они использовали спиральную трубу с периодическими изменениями направления оси катушки и достигли значения более 0,85.

Еще одним распространенным показателем является безразмерная дисперсия времени пребывания. Ее можно рассчитать с помощью следующего уравнения:

Рисунок 4: Накопленное распределение времени пребывания для различных систем

Таблица 5: Время первого появления для различных систем ламинарного потока

Для потока поршня безразмерная дисперсия равна нулю. Теоретически ламинарный поток без диффузии является бесконечным, однако из-за молекулярной диффузии он всегда ограничен (Науман, 1981; Науман и Баффхэм, 1983). Для численного интегрирования уравнения (1) рекомендуется использовать экспоненциальную экстраполяцию экспериментальных данных.

Статические смесители изначально были разработаны для смешивания ламинарных потоков. Их применение в системах теплообмена, турбулентных и многофазных системах появилось позже. Первоначальный дизайн статических смесителей был ориентирован на обеспечение хорошего смешивания ламинарных потоков в поперечном сечении круглой трубы. Это, естественно, требует большего давления, чем в пустой трубе, но дополнительная мощность ниже, чем у механических смесительных устройств с аналогичной эффективностью или устройств, требующих турбулентности для смешивания. Неподвижные лопасти или волнистые пластины изменяют поток жидкости. Лезвия с отверстиями, каналами, спиральными элементами и наклонными лопастями вызывают локальное ускорение и растяжение потока. Они разделяют входящий поток на несколько слоев, а затем пересобирают их в новом порядке. Многослойный дизайн с лопастями и пластинами (рисунки 1d и e) разделяет поток на несколько слоев. Эти различные операции смешивания приводят к распределенному смешиванию. Оно происходит в результате конвекции, а не диффузии, хотя в определенной степени распределенное смешивание высоко, диффузия лучше всего обеспечивает однородность на молекулярном уровне.

Толщина полосы (Мор и др., 1957) используется для количественной оценки распределенного смешивания. Рисунок 5 поясняет этот концепт и показывает, как толщина полосы S уменьшается при сдвиге потока вдоль направления, перпендикулярного начальной полосе. Соответственно увеличивается площадь интерфейса между белой и черной жидкостями. При достаточно большом перемещении верхней поверхности толщина полосы уменьшается до разрешения глаза и становится достаточно малой, чтобы скорость диффузии устраняла различия в концентрации. Однако простое сдвиговое смешивание довольно неэффективно, когда направление сдвига перпендикулярно полосе. Если периодически изменять направление сдвига, чтобы оно снова стало перпендикулярным полосе, это может увеличить эффективность. Разделение и повторное объединение полос также повышают эффективность. Эти различные механизмы показаны на рисунке 6, где показано образование, растяжение, расщепление и повторное объединение слоев. Рисунок 6 показывает смеситель 2N, где количество слоев жидкости удваивается с увеличением числа элементов, поэтому с увеличением N в 2 раза увеличивается на 2N. Смесители Kenics и LPD (с низким сопротивлением) (рисунки 1a и b) классифицируются как смесители 2N, потому что они разделяют входной поток на два пути, как показано на рисунке 6. У ISG-смесителя четыре канала (рисунок 1f), поэтому он классифицируется как смеситель 4N, однако более высокая теоретическая эффективность достигается за счет большего сопротивления. Многослойные конструкции, такие как SMX (рисунок 1d) и SMV (рисунок 1c), по-прежнему имеют больше путей потока. Годфри (1992) сравнил количество полосок нескольких коммерческих статических смесителей с количеством элементов в таблице (таблица 6). Рисунок 7 объясняет механизм смешивания ламинарного потока, предложенный Эдвардсом (1992). Он рассматривал три идеальных потока: простое сдвиговое, одноосное растяжение и плоское растяжение. Эдвардс заметил, что для распределенного смешивания при низких деформациях поток растяжения немного эффективнее простого сдвигового потока, а при больших деформациях простой сдвиговой поток становится более эффективным из-за неблагоприятного направления полосок, появляющихся во время простого сдвига. Однако Эдвардс пришел к выводу, что простой сдвиговой поток более эффективен при умеренных уровнях деформации, особенно для не-ньютоновских жидкостей. В глубоких ламинарных потоках, то есть в крадущихся потоках, модель потока вокруг статического смесителя полностью определена. Смесители работают очень эффективно в таких условиях, используя механизмы, показанные на рисунках 5-7. Фактически, по сравнению с пустой трубой, они наиболее выгодны в пределах ламинарного потока для смешивания и теплообмена. При числе Рейнольдса больше нескольких сотен (на основе пустой трубы) нестабильности потока приводят к осцилляциям и псевдослучайному поведению вниз по течению. Даже в крадущемся потоке элементы смешивания приближаются к состоянию, называемому хаосом, при котором положение элементов потока вниз по течению практически не предсказуемо по сравнению с их начальным положением. Существует несколько методов для описания этих сложных потоков. Некоторые практические измерения включают степень завершенности быстрых химических реакций, распределение времени пребывания и коэффициент теплообмена. Эти практические измерения, выраженные в виде соответствия с экспериментальными данными, до сих пор являются наиболее ценными для процессных инженеров. Однако с развитием CFD (вычислительной гидродинамики) математические методы характеризации станут более полезными. Методы построения графиков уже показали свою ценность (Крейт и др., 2001а, b). Распределение времени пребывания может быть определено на основе результатов CFD, и следует отметить, что вычисления должны взвешиваться по объему или массовому расходу, а не по площади (Науман, 1991). Кроме того, некоторые коды CFD имеют численную диффузию, что важно для подробных расчетов, особенно при рассмотрении реакций.

Рисунок 5. Отклик толщины полосы на простое сдвиговое деформирование: (a) начальная конфигурация; (b) после сдвига

Рисунок 6. Механизм двухэтапного смешивания в ламинарном потоке с использованием статического смесителя

Рисунок 7. Увеличение поверхности элементов жидкости в идеальных условиях ламинарного потока

Manas-Zlockzower (1994) предложил более сложный метод характеристики, используя параметр эффективности растяжения α. Тензор скорости градиента разделяется на симметричную и антисимметричную части. Эти части представляют собой тензор деформации и тензор вихря, соответственно, где v - локальный вектор скорости, и определяются как:

Коэффициент растяжения α выражается как:

Для проектировщиков процессов наиболее полезными могут быть статистические данные о том, как максимальная толщина полос изменяется в зависимости от количества элементов. Согласно простой теории, максимальная толщина полосы на входе в смеситель равна диаметру трубы (см. Рисунок 3), и уменьшается на фактор 2N. Однако на практике такие прогнозы слишком оптимистичны, особенно когда смешиваемые жидкости имеют различную вязкость. Отношения, определенные на основе расчетов CFD, будут полезны для проектирования, оптимизации и масштабирования процессного оборудования. Подробные расчеты с использованием CFD все еще слишком дороги для сложных исследований оптимизации, но могут быть полезны для определения окончательного дизайна.

1.1.2 Статические смесители в турбулентном потоке

Когда возможно достичь турбулентности, вихревое диффузирование обеспечивает достаточное смешивание для большинства промышленных процессов. Поэтому применение и исследование статических смесителей в турбулентных системах менее распространены. Производители смесителей часто утверждают, что статические смесители по сравнению с пустой трубой могут значительно сократить время контакта или увеличить теплообмен. Это верно для ламинарного потока, но для турбулентного потока это уже не так определенно. Тем не менее, статические смесители действительно могут увеличить уровень турбулентности без изменения диаметра трубы и расхода жидкости, хотя это сопряжено с более высоким перепадом давления.

Относительно небольшое количество исследований направлено на объяснение того, как происходит смешивание в статических смесителях при турбулентных условиях. Здесь мы приводим работы Goldschmid и др. (1986) и Bourne и его коллег (Bourne и Maire, 1991; Bourne и др., 1992; Baldyga и др., 1997). Мы различаем два механизма диссипации энергии в турбулентном потоке: один обусловлен диссипацией энергии в граничном слое и на поверхности вставок; другой связан с диссипацией энергии в больших массах жидкости, то есть в приблизительно однородной зоне ядра турбулентности. Этот второй вид диссипации энергии является наиболее важным для распределенного смешивания. Рассмотрим входящий несмешанный поток с черной и белой жидкостями. Турбулентность быстро смешает первоначально несмешанный вход и распределяет его до минимального размера вихря. Концептуально, жидкость в этих минимальных вихрях остается черной или белой до тех пор, пока она не станет серой из-за диффузии молекул. Размер минимальных вихрей пропорционален масштабу Колмогорова:

Использование статического смесителя для усиления быстрых химических реакций представляет собой одну из трудностей из-за того, что генерируемая турбулентность менее равномерна, чем в пустой трубе. Масштаб Колмогорова зависит от локальной скорости диссипации турбулентной энергии, поэтому он различен для разных точек в объемном потоке, что приводит к локальным областям приоритетного протекания реакции.

1.2 Гранулированный материал

Статические смесители, питаемые гравитацией, используются для смешивания твердых гранулированных материалов, таких как зерно, смеси для хлеба и пирогов, а также компоненты для бетона. Wang и Fan (1977) провели теоретический анализ равномерности или предотвращения сегрегации. В качестве практической задачи обычно достаточно удовлетворительного смешивания может быть достигнуто через несколько шагов разделения и рекомбинации (Bakker, 1949).

1.3 Формирование интерфейса - дисперсное смешивание

Диспергирование вторичной фазы в непрерывной фазе является распространенной операцией в промышленности. Статические смесители могут создавать локально высокие скорости сдвига, поэтому они могут использоваться в качестве генераторов интерфейса для многофазного потока. Часто целью является увеличение трансфера массы для операций, таких как газожидкостное поглощение, жидкостно-жидкостная (жидкость-жидкость) экстракция или образование дисперсных частиц полимеров. Однако двухфазные смеси могут быть фактически конечным продуктом, поскольку многие эмульгаторы можно найти в промышленности пищевых продуктов, красок, молочных продуктов, косметики, клеев и моющих средств. Любая из целевых характеристик производительности статического смесителя сильно зависит от физико-химических свойств фаз. Объемные расходы, вязкостные и плотностные соотношения для жидкость-жидкость и газ-жидкость системы получают из размерного анализа. Эти параметры определяются как:

d и c обозначают дисперсную фазу и непрерывную фазу, где Q - объемный расход фазы. Для вязкоупругих систем также важен модуль упругости Re.

Механизм разрушения и агрегации пузырьков и капель сходен, но они проявляют три основных различия:

Поверхностная химия, особенно присутствие сильных поверхностно-активных веществ, часто играет доминирующую роль в многофазных системах. Статические смесители обычно используются для производства эмульсий и дисперсий, а также эмульсий, частично стабилизированных поверхностно-активными веществами. Однако производительность системы является очень конкретным случаем и трудно обобщить. По этой причине большинство опубликованных результатов ограничиваются чистыми бинарными системами. Важно также учитывать поверхностные силы в жидкость-твердое тело и газ-твердое тело системах, где могут возникать агрегация или коагуляция. Когда размер капель или твердых частиц ниже 1 мм, доминирующую роль играют коллоидные силы, например, в эмульсиях, стабилизированных поверхностно-активными веществами (Питерс, 1992). Это также относится к полураспадающимся и концентрированным суспензиям мелких частиц, которые проявляют сложное поведение, такое как переход соль-гель. Кроме того, форма твердых частиц более сложна, чем у обычных сферических мелких пузырьков или капель воды. Пространственная и электростатическая стабильность может влиять на твердые частицы (Со и др., 2001). По сравнению с газожидкостными и жидкостно-жидкостными дисперсными системами, понимание поведения твердых суспензий меньше, поэтому их труднее прогнозировать. Применение статических смесителей в жидкость-твердое тело и газ-твердое тело системах включает в себя смешивание твердых фаз, дисперсию добавок в суспензию, например, для очистки или обработки осадков, а также диспергирование твердой фазы путем разрушения сгруппированных блоков в потоке. Последнее применение - это создание области интерфейса. Другие методы смешивания аналогичны описанным в первом разделе, хотя они технически включают несколько стадий.

1.3.1 Газ-жидкость и жидкость-жидкость системы

Поверхностное натяжение неблагоприятно для разрыва капель и благоприятно для их слияния. В чистой, неподвижной системе равновесие является полным разделением фаз, с минимальной площадью интерфейса. В потоковой системе движение жидкости приводит к разрыву капель, и динамическое равновесие становится возможным. Когда сильные поверхностно-активные вещества присутствуют, особенно когда они являются ионными поверхностно-активными веществами, капли могут стать термодинамически стабильными, даже в неподвижной системе. Это также верно для водорастворимых микроэмульсий с частицами размером меньше 0,1 мм. Даже обычные эмульсии размером от 0,2 до 0,5 мм имеют длительный срок хранения. Статические смесители подходят для смешивания таких систем и могут использоваться для их создания в химически благоприятных условиях. Однако большинство применений связаны с разрушением капель, превышающих 1 мм. Даже здесь поверхностное натяжение является ключевым параметром, и использование поверхностно-активных веществ может эффективно его снизить. Отношение вязкости и то, является ли непрерывная фаза турбулентной или ламинарной, существенно влияет на его работу. С развитием 2, двухфазные системы используют статические смесители для снижения размера капель дисперсной фазы и увеличения массопереноса по интерфейсу. В идеальном случае достижение более равномерного распределения размеров капель, чем в перемешиваемых емкостях, также возможно. На практике производительность смесителя обычно оценивается по единственному параметру, такому как коэффициент массопереноса (KLa) или средний диаметр Сотта (d32). Питерс (1992) резюмирует явления, которые могут привести к разделению двух фаз с плоскостным разрывом для производства капель. Среди них турбулентные вихри, поверхностные волны и связанные с ними неустойчивости Рэлея-Тейлора, гравитационные неустойчивости, вызванные разницей в плотности, а также неустойчивости Кельвина-Гельмгольца, вызванные относительным движением. Такие же явления наблюдаются и у пузырьков (Лин и др., 1998).

Непрерывная фаза в плавном потоке

Наиболее важной неустойчивостью в плавном потоке является неустойчивость Рэлея-Тейлора, которая приводит к разрыву тонких жидких структур из-за действия поверхностного натяжения. Тонкие структуры являются метастабильными и разрушаются в капли с характерным размером, хотя обычно также образуются более мелкие спутниковые капли. Капли, приближающиеся друг к другу из-за броуновского движения или конвекции, сливаются. В этом динамическом равновесии скорость разложения и агрегации капель равны, и средний размер частиц остается постоянным. Ключевым параметром для регулирования этого равновесия является число Вебера:

На рисунке 8 показаны некоторые модели деформации и разрушения капель, предложенные Питерсом (1992) для идеального ламинарного потока. Как поток сдвига, так и поток растяжения способствуют вытягиванию капель, что является первым этапом разрушения из-за неустойчивости Рэлея-Тейлора. Грейс (1982) и Рэллисон (1984) обнаружили, что простой сдвиговый поток (например, поток Куэтта) менее эффективен в разрушении капель в системах жидкость-жидкость, чем поток растяжения. Предполагаемые выводы также применимы к газ-жидкостным системам. Согласно рисунку 8, деформация DF представлена как:

Когда значение DF превышает критическое значение деформации, происходит разрыв. На рисунке 9 показаны диаграммы устойчивости сдвигового и растяжения потоков, предложенные Грейсом (1982). Линии на этом графике определяют критическое число Капилляра, которое разделяет области разрыва и слияния капель, причем разрыв происходит в области выше линии. Грейс (1982) определил характерное время разрыва капель t+ как:

Тейлор (1932, 1934) использовал устройство с четырьмя роликами для вытягивания капель. Он обнаружил, что при установлении устойчивого равновесного состояния можно достичь очень больших деформаций без разрыва, однако когда вращение роликов прекращается, происходит разрыв. Эксперименты Грейса (1982) и Рэллисона (1984) изучали только стационарное ламинарное течение. Стоун и Леал (1989a, b) и Стоун (1994) показали, что если поток неустойчив, то капли могут разрываться при намного более низких значениях числа Капилляра. Хаккар и Оттино (1986, 1987), Муцио и Тьяджади (1991), Тьяджади и Оттини (1991), Тьяджади и др. (1992) и Янсен и Мейер (1993) подтвердили это.

Поток, созданный серией статических смесительных элементов, является периодическим, поэтому он более благоприятен для разрыва капель по сравнению с потоком в пустой трубе. Высокая эффективность растяжения α предпочтительна, но они должны сопровождаться областью релаксации. Параметр α нельзя прямо сравнивать между статическими и динамическими смесителями, поскольку он не является количественным при изменении системы отсчета (Раулине и др., 1998). Производительность статических смесительных элементов, используемых для генерации интерфейса в условиях ламинарного течения, чрезвычайно чувствительна к местному потоку непрерывной фазы, и некоторые предложили использовать расчеты однофазного потока для оценки производительности этих смесителей при генерации интерфейса. Возможны расчеты с использованием кодов CFD. Примеры таких расчетов включают исследования Кеникса с использованием спиральных элементов Авалосса и Кроше (1997), исследования смесителя SMX Фрадетта и др. (1998), исследования Раулине и др. (2000), особенно Раулине и др. (1998), на шести доступных на рынке статических смесителях, как показано на рисунке 10. По мнению Раулине и др. (1998), многослойные конструкции, такие как геометрия SMX, сопровождаются более крупными изменениями α вдоль элементов по сравнению с спиральными элементами типа Кеникс, поэтому элементы SMX могут быть более эффективны в генерации пузырей или капель.

Рисунок 10. Эволюция средней поверхностной растяжимости для шести коммерчески доступных статических смесителей (по данным Раулине и др., 1998)

Непрерывная фаза в турбулентном потоке

Поэтому статические смесители в турбулентном потоке играют главную роль в поощрении турбулентности. Разрушение пузырей или капель в основном происходит из-за турбулентных вихрей, и высокая интенсивность турбулентности, создаваемая смесителем, является хорошим критерием для уменьшения размеров пузырьков и капель.

1.3.2 Системы жидкость-твердое тело и газ-твердое тело

Диспергирование твердых тел в жидкости является сложной операцией. Из-за высокой вязкости средней концентрации суспензий твердых частиц рассматриваются только для ламинарных систем. Для сухих твердых тел первым шагом является их увлажнение, которое зависит от физико-химических свойств смеси, а также от начальной дисперсности частиц, которая зависит от способа введения твердой фазы. Следующие шаги распространены для существующих или непосредственно образовавшихся в жидкой фазе твердых частиц, например, через процесс осаждения. Многие промышленно производимые порошки имеют характерный размер менее 1 мм. Из-за сильных сил взаимодействия коллоидные силы могут привести к практически необратимой коагуляции. Из-за ван-дер-Ваальсова притяжения коагуляты могут образовывать более крупные, но менее стабильные структуры. Сила сдвига способна разрушить коагуляты. Rwei и др. (1990) исследовали дисперсию угольного чахла в простом сдвиговом потоке, а Mifflin и Schowalter (1988) изучали влияние вязкоупругости на коагуляцию. См. также недавнюю статью Furling и др. (2000).

Аналогично числам безразмерности, подобным числу Капилляре [уравнение (8а) или (8b)], можно использовать для количественной оценки относительного влияния вязкостных сил и внутренних притяжений. Поверхностное натяжение в уравнении (8) заменяется параметром, аналогичным поверхностному натяжению, но более сложным для измерения. Оценки можно получить с использованием теоретических моделей, таких как модель Румпфа, подтвержденная Lee и др. (1993) и Li и др. (1997b). Однако применимость таких моделей зависит от свойств твердого тела (Кендалл, 1988).

Уменьшение размеров возможно благодаря двум механизмам: разрушению и эрозии. Разрушение требует высоких уровней сдвига и приводит к образованию субчастиц значительно меньших размеров, чем исходные коагуляты. Эрозия постепенно уменьшает размеры частиц, но субчастицы имеют тенденцию к коагуляции. В результате средний размер коагулятов умеренно уменьшается. Гидродинамика также вызывает коагуляцию, так что соревнование между коагуляцией, эрозией и разрушением существует (см. рисунок 11). Сложность возрастает из-за сложного реологического поведения концентрированных суспензий, которое изучено лишь частично. Модель Эйнштейна игнорирует взаимодействия между частицами и применима только к разбавленным суспензиям. Было предложено много опытных или теоретических моделей (Barnes and Holbrook, 1993), но нет универсального метода для прогнозирования видимой вязкости суспензий. Как правило, можно безопасно предположить, что суспензии при низкой скорости сдвига являются ньютоновскими жидкостями и при высокой скорости сдвига проявляют редкотечное поведение и образуют ньютоновскую платформу. Некоторые из них становятся сжиживающимися при очень высоких скоростях сдвига (Boersma et al., 1990). Цель недавних исследований - лучше понять реологическое поведение суспензий, но сложность возрастает из-за чувствительности к физико-химическим параметрам (таким как pH, ионная сила и наличие ПАВ) (So et al., 2001).

Эффективность использования статических смесителей для диспергирования твердых веществ в жидкой фазе доказана (Isom, 1994), однако такие применения в значительной степени остаются эмпирическими. Увеличение концентрации твердого вещества одновременно увеличивает вязкость между частицами и вероятность столкновения. Скорость коагуляции и интенсивность гидродинамических сил, приводящих к разрушению, также увеличиваются. Для статических смесителей влияние вязкости кажется всеобщим. Разбавленные суспензии с низкой видимой вязкостью трудно смешивать с помощью статических смесителей.

1.4 Теплопередача

Вставки для потока длительное время применялись для усиления теплопередачи внутри трубы. У этих устройств две основные функции. Они увеличивают площадь контакта между металлом и жидкостью аналогично использованию внешних ребристых труб. Они также изменяют гидродинамику потока, и комбинация этих эффектов может значительно повысить коэффициент теплоотдачи, хотя за это приходится платить более высоким давлением по сравнению с пустой трубой. Вставки могут быть использованы для усиления интенсивности турбулентности в потоке, но вставки в основном применяются в ламинарных системах без них. Здесь мы главным образом рассматриваем преимущества, возникающие из перераспределения потока внутри поперечного сечения трубы, и увеличение площади контакта металла с жидкостью рассматривается как второстепенное преимущество, хотя оно может быть основным фактором в дизайне, не требующем дополнительной смешивающей аппаратуры.

Рисунок 11. Схематическое изображение механизмов эрозии, разрушения и коагуляции в жидко-твердых системах

Если вязкостное нагревание играет важную роль, то следует включить число Бринкмана Br. Представленная корреляция L=D применима для ламинарного течения в пустой трубе, но если вставки для смешивания непрерывно распределяются вдоль трубы, то такая связь может исчезнуть. Коэффициент трения является функцией числа Рейнольдса, и корреляции данных обычно проводятся для изотермического потока. При охлаждении фактический перепад давления будет ниже прогнозируемого значения для изотермических условий, так как холодный вязкий материал у стенки будет замещен более горячим материалом с низкой вязкостью. Для нагрева ситуация обратная.

В качестве категории, коммерческие статические смесители имеют ограниченную эффективность в усилении теплообмена. Большинство из них предназначены для общих смешивающих процессов, и если входной поток жидкости однороден, то радиальное смешение не приносит преимуществ в усилении теплообмена. Оптимальное радиальное смешение не заключается в простом однородном распределении, а в выборочном обмене веществами между стенкой и центральной линией, этот процесс называется обратным потоком. Науман (1979) определил концепцию полного обратного потока и привел схематическое изображение устройства, которое в принципе может его реализовать. Он также представил практическое устройство под названием двухзонный локальный инвертер потока, которое может увеличить число Нуссельта на 30% при минимальном перепаде давления, что примерно соответствует пяти диаметрам трубы.

Осевые смесители

Осевые смесители используются для смешивания жидкостей, вводимых в систему в разное время. Целью является не резкое распределение времени пребывания, так как это приведет к плоскому потоку, подобному тому, что имеется в обычных статических смесителях. Напротив, целью осевых смесителей является приближенное к экспоненциальному распределение времени пребывания, чтобы подавить флуктуации вводимого потока. Осевые смесители действуют как экспоненциальные фильтры с постоянной времени. Если осевой смеситель имеет такое же распределение времени пребывания, как у CSTR, то он будет работать так же. Конкретно, первоначальное значение tfirst кумулятивной функции распределения должно быть низким, и общая форма должна приближаться к экспоненциальной.

из методов, приближающихся к этой функции, - использование реактора с испаряющейся стенкой (Науман, 2002, стр. 111). Более точное приближение можно достичь с помощью параллельного массива труб (Науман и др., 2002).