Статический смеситель и ламинарный поток

Он представляет

Во многих промышленных процессах однородное смешивание жидкостей имеет решающее значение для качества конечного продукта. Стационарные миксеры – эффективный, экономичный и энергоэффективный инструмент для достижения этой цели. Эти устройства не имеют движущихся частей; вместо этого они используют специализированную конструкцию своих внутренних компонентов для контролируемого изменения потока жидкости, что обеспечивает эффективное смешивание.
Более того, ламинарный поток , как один из режимов течения жидкости, напрямую влияет на работу и конструкцию стационарных миксеров. Понимание взаимосвязи между стационарными миксерами и ламинарным потоком необходимо для проектирования и оптимизации процессов смешивания в таких отраслях, как нефтегазовая, нефтехимическая, водоподготовка, фармацевтика и пищевая промышленность.

Определение стационарного миксера

Стационарный смеситель представляет собой цилиндрическое устройство, содержащее неподвижные элементы различной формы. Эти элементы создают управляемую турбулентность в потоке жидкости, последовательно разделяя, перемешивая и рекомбинируя различные слои жидкости.

В отличие от динамических миксеров, использующих механическую энергию и электродвигатели, стационарные миксеры не имеют движущихся частей ; энергия, необходимая для смешивания, поступает от потока жидкости. Это снижает затраты на техническое обслуживание и энергопотребление, а также увеличивает срок службы оборудования.

Принцип работы

Принцип работы стационарного смесителя основан на изменении расхода жидкости и увеличении площади поверхности контакта между фазами . По мере протекания жидкости через внутренние компоненты её траектория приобретает спиральную форму и разветвляется на несколько потоков. Каждый компонент разделяет жидкость на два или более потока, смешивая различные слои, изменяя направление потока.

В условиях ламинарного течения перемешивание происходит преимущественно за счёт сдвига и натяжения слоя жидкости, тогда как в условиях турбулентного течения перемешивание происходит преимущественно за счёт естественной турбулентности и вихрей. Поэтому геометрия компонентов должна быть адаптирована к типу течения.

концепция ламинарного потока

Ламинарный поток — это состояние движения жидкости, при котором частицы движутся по регулярным параллельным траекториям с очень ограниченным перемешиванием молекул. В этом потоке движение каждого слоя жидкости практически не зависит от соседних слоёв.

Число Рейнольдса является одним из ключевых параметров, определяющих тип течения, и может быть рассчитано по следующей формуле:

$\frac{{\rho \times v \times D}}{{\mu}$

где:

$ρ\rho$ : плотность жидкостей
$v$ : Скорость потока
: $Диаметр трубы$
$:$ Динамическая вязкость жидкости

Если число Рейнольдса меньше 2100, течение обычно ламинарное , между 2100 и 4000 течение переходное , а выше 4000 течение считается турбулентным.

В стационарных смесителях, предназначенных для высоковязких жидкостей, поток обычно находится в ламинарной области, и компоненты должны быть спроектированы так, чтобы обеспечить полное смешивание даже в таких тихих условиях.

Дизайн интерьера и структура элементов

Внутренние компоненты стационарного миксера обычно изготавливаются из нержавеющей стали, полипропилена, поливинилхлорида (ПВХ), поливинилиденфторида (ПВДФ) или титана . Формы компонентов могут быть разными, но наиболее распространёнными являются:

Винтовой элемент:
две пересекающиеся спирали направляют жидкость попеременно вправо и влево. Подходит для ламинарного течения.
Элементы лопастей:
лопасти с определенным углом способны создавать боковые разрезы в жидкости.
Компоненты типа SMX и SMXL:
разработаны для высокоэффективных ламинарных потоков в химической и фармацевтической промышленности.
Многоэлементные компоненты:
сочетание нескольких различных конструкций для достижения высокой эффективности при изменяющихся условиях потока.

Каждый компонент разделяет жидкость на две части, которые затем соединяются под разными углами . На каждом этапе количество слоёв жидкости значительно увеличивается, пока смешивание не будет завершено.

Например, при ламинарном течении количество слоев потока может увеличиваться до 64 раз после прохождения 6 спиральных элементов.

Связь между статическими смесителями и ламинарным течением

В ламинарном потоке, где отсутствует естественная турбулентность, стационарные миксеры играют решающую роль в достижении эффективного смешивания . Правильная конструкция обеспечивает однородное смешивание двух или более веществ, даже в жидкостях высокой плотности и низкой скорости.

Некоторые из ключевых особенностей производительности этого режима включают в себя:

Смесь получается путем разрезания и растяжения слоев.
Увеличение площади контакта между жидкими компонентами без возникновения сильных возмущений.
Поскольку энергия смешивания обеспечивается динамикой жидкости, перепад давления относительно высок.
Возможность прогнозирования поведения потока и качества смеси с помощью численного моделирования (CFD).

Параметры проектирования ламинарного потока

Для оптимального проектирования стационарных смесителей в режиме ламинарного течения особое значение имеют следующие параметры:

Общая длина смесителя (L):
обычно выражается диаметром трубы (D); соотношение $DL / D$ обычно составляет от 10 до 40.
Перепад давления (ΔP): он должен быть рассчитан на поддержание выходного давления системы в допустимом диапазоне
, обеспечивая при этом эффективное смешивание.
Количество компонентов:
Каждый компонент увеличивает эффект смешивания, но также увеличивает падение напряжения, поэтому необходимо достичь баланса.
Угол поворота компонента:
обычно от 90 до 180 градусов для создания оптимальной силы сдвига в ламинарном потоке.
Вязкость жидкости:
чем выше вязкость, тем больше требуется компонентов и тем больше перепад давления.

Промышленное применение стационарных смесителей в ламинарном потоке

1. Химическая и нефтехимическая промышленность

В процессе полимеризации реакция протекает медленно и в ламинарном потоке. Использование стационарного смесителя обеспечивает равномерную концентрацию реагентов и позволяет точно контролировать температуру.

2. Пищевая и фармацевтическая промышленность

При смешивании густых жидкостей, таких как сиропы, соусы и медицинские растворы, поток обычно ламинарный. Стабильный и гигиеничный миксер обеспечивает получение однородной смеси без каких-либо загрязнений.

3. Водоподготовка и очистка сточных вод

При впрыскивании таких химикатов, как хлор, электролитические полимеры и коагулянты, ламинарный поток может привести к недостаточному перемешиванию. Установка стационарного смесителя непосредственно после точки впрыска обеспечивает равномерное распределение материалов.

4. Нефтегазовая промышленность

В линиях передачи стационарные смесители используются для гомогенизации температуры, концентрации и состава различных фаз. Они также служат агломераторами для точного отбора проб в многоступенчатых линиях передачи.

5. Производство красок и смол

В процессах с ламинарным потоком смола и отвердитель должны быть тщательно и равномерно смешаны для обеспечения требуемого качества конечного продукта. Стационарные шнековые смесители весьма эффективны в этом случае.

Преимущества и недостатки стационарных смесителей в ламинарном потоке

выгода

Нет движущихся частей → Низкие требования к обслуживанию и ремонту
Способен работать при высоком давлении и высокой температуре
Высокоэффективное смешивание высоковязких жидкостей
Простая установка в существующие трубы ( прямой монтаж ).
Снижение инвестиционных и эксплуатационных расходов
Возможность точного проектирования определенных условий ламинарного течения.

недостаток

В вязких жидкостях происходит значительное падение давления.
Вы не можете мгновенно управлять миксом (в отличие от динамического микшера).
Сектор здравоохранения нуждается в тщательной очистке
Пределы смешивания газов или твердых веществ в больших масштабах

Анализ вычислительной гидродинамики (CFD) при проектировании стационарных смесителей

В последние годы вычислительная гидродинамика (CFD) стала эффективным инструментом для проектирования и оптимизации стационарных смесителей. Моделирование с помощью CFD позволяет точно моделировать ламинарный поток и контролировать следующие параметры:

Распределение скорости
Многослойная схема резки
Изменение фокуса
Вы можете проверить, не упало ли артериальное давление.

Анализ вычислительной гидродинамики позволяет определить оптимальное количество ячеек, угол поворота и соотношение сторон для достижения максимальной эффективности смешивания и минимального падения давления.

Выберите подходящий стационарный миксер

При выборе типа и размера стационарного ламинатора следует учитывать следующие факторы:

Тип жидкости (вязкость, температура, плотность, реакционная способность)
Объемный расход и скорость
пропорция ингредиентов
Допустимые входные и выходные давления
Требования гигиены и коррозионной стойкости
Место для установки и доступ для обслуживания

Для особых сфер применения такие известные производители, как Sulzer, Cynix, Commax и Noritak, предлагают специализированную продукцию, специально разработанную для ламинарного потока.

Техническое обслуживание и чистка

Одним из основных преимуществ стационарных миксеров является простота обслуживания. Однако при ламинарном течении вязких жидкостей могут возникать засоры. Рекомендуется периодическая очистка подходящей моющей жидкостью (CIP/SIP).

В сфере ванных комнат безупречный дизайн и первоклассная полировка имеют решающее значение для предотвращения скопления загрязнений.

Будущее и инновации

Достижения в области проектирования компонентов, использование 3D-печати для производства сложных конструкций и появление новых коррозионно-стойких материалов произвели революцию в будущем стационарных смесителей.
В области ламинарного течения исследования направлены на повышение энергоэффективности, снижение перепада давления и повышение эффективности смешивания. Кроме того, интеграция стационарных смесителей с интеллектуальными датчиками и технологиями цифрового управления потоком
позволяет контролировать качество смешивания в режиме реального времени.

В заключение

Стационарные смесители — эффективные, простые и экономичные устройства для смешивания в промышленных водопроводах. В условиях ламинарного течения точность проектирования компонентов имеет решающее значение для эффективности смешивания. Благодаря цифровому моделированию и правильному выбору материалов производительность этих устройств может быть оптимизирована для различных жидкостей.

В химической, пищевой, фармацевтической, нефтегазовой промышленности стационарные миксеры являются надежным решением для повышения качества, снижения энергопотребления и повышения стабильности процесса.