طراحی و کاربرد میکسر استاتیک

• مدیر
• 1 نظر

Static Mixer Designs and Applications

A White Paper Prepared By

Charles Ross & Son Company

خلاصه

میکسرهای استاتیک در ابتدا برای مصارف خاص تهیه شده است ،ولی امروزه در خدمت کاربران گسترده تری هستند و در کل صنایع فرآیندی کاربرد دارند . کارایی بالا ، هزینه نگهداری پایین ، دوام بالا و کاربری پیوسته  آنها را به گزینه ای جذاب برای  بهبود اختلاط ، امولسیون ، واکنش و انتقال حرارت. تبدیل کرده است .

میکسر استاتیک طی چند دهه اخیر ، در صنایع مختلف کاربد داشته ، از پالایشگاه ها و خطوط لوله گرفته تا تصفیه خانه های فاضلاب و تأسیسات تولید مواد شیمیایی ، مواد غذایی ، پلاستیک ، کامپوزیت ، چسب ، داروسازی ، سرامیک و غیره

هدف از این مقاله ارائه اطلاعات عملی در مورد مشخصات و استفاده از میکسرهای استاتیک است. کاربدهای نمونه و نکات انتخاب میکسر نیز ارائه شده است.

مقدمه

میکسر استاتیک یا میکسر بی حرکت دستگاهی است که با هدف دستکاری جریان های سیال بصورت تقسیم ، ترکیب مجدد ، تسریع / کاهش سرعت ، پخش ، چرخش یا تشکیل لایه ها هنگام عبور جریان از میکسر ، داخل لوله قرار داده می شود. در نتیجه این تغییرات در جریان سیال ، اجزای مخلوط در تماس نزدیکتری نسبت به هم  قرار می گیرند. میکسرهای استاتیک نه تنها برای اختلاط کامل ، که برای واکنشهای شیمیایی نیز کاربرد دارند . جریان در لوله خالی مقداری از اختلاط شعاعی تولید می کند اما در بیشتر موارد ، اختلاط کافی فقط در خط لوله های با طول غیر عملی  حاصل شود. قرار دادن میکسر استاتیک به طور قابل توجهی اختلاط یا واکنش درون خط را تسریع می کند. این تکنیک اساساً در هر کجا که نیاز به یک عملیات پیوسته ، ارزان و سریع باشد مطلوب است. از آنجا که هیچ قسمت متحرکی در میکسر استاتیک وجود ندارد ، عملا بی نیاز از تعمیر و نگهداری است و می تواند به راحتی یک قطعه لوله نصب شود.

انرژی برای اختلاط توسط فشار جریان تامین می گردد. این که مواد از طریق میکسر با استفاده از پمپ های خارجی تغذیه شوند یا از طریق نیروی جاذبه ، افت فشار یکی از پیامدهای استفاده از میکسر استاتیک است،. که گاهی اوقات عامل محدود کننده انتخاب میکسر است.

بسته به نوع کاربرد خاص ، انواع مختلفی از میکسرهای استاتیک وجود دارد که می توانید انتخاب کنید. برخی از طرح های معمول تر شامل صفحات ، حفره ها ، عناصر مارپیچ یا شبکه های هندسی قرار گرفته در زاویه های دقیق برای هدایت جریان و افزایش تلاطم است. برخی دیگر از مجراهای گسسته یا بخشهایی تشکیل شده اند که در کنار هم جمع می شوند تا یک میکسر کامل تشکیل شود. میکسرهای استاتیک معمولی دارای مقطع گرد هستند اما اشکال دیگر نیز برای نیازهای خاص در دسترس هستند (مربع ، مستطیل و غیره) .

با طراحی و اندازه گیری صحیح ، میکسرهای استاتیک مخلوطی پیوسته و عالی از سیستمهای یک یا چند فاز را با نتایج تکرار پذیر فراهم می کنند. این عملکرد اختلاط را می توان بر اساس سرعت جریان ، ویسکوزیته ، چگالی ، درصد اجزای مخلوط و ابعاد لوله پیش بینی کرد.

مقیاس اندازه گیری یکنواختی یا اختلاط که بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد ، ضریب تغییر شعاعی است (CoV)

دو جریان جداگانه A و B را تصور کنید و در یک میکسر استاتیک در مقادیر مساوی وارد کنید: هر یک از اجزا دارای دو ناحیه مجزا هستند که از سطح مقطع لوله مشاهده می شود. با حرکت مواد از طریق هر عنصر میکسر ، نواحی اشغال شده توسط هر مؤلفه بیشتر و بیشتر مخلوط می شوند ، نسبت A و B در همه زمانها یکسان باقی می ماند (1: 1) اما هر یک از مؤلفه ها به طور مساوی در کل تقاطع لوله توزیع می شود. در یک وضعیت ایده آل ، نمونه های گرفته شده از هر نقطه از سطح مقطع بلافاصله پس از میکسر استاتیک ، غلظت 50٪ A و 50٪ B  و در این نمونه  CoV  صفر خواهد شد ، زیرا هیچ نوسانی از میانگین غلظت وجود ندارد و اختلاط کامل است. اما در عمل ، ضریب شعاعی متغیر حول 0.05 یا کمتر برای اکثر فرایندها قابل قبول است. به عبارت دیگر ، “95٪ اختلاط یا بهتر” یک هدف معمولی برای اکثر کاربردهای میکسر استاتیک است. بنابراین ، تعداد عناصر سفارش شده برای یک فرآیند خاص معمولاً حداقل برای دستیابی به یک CoV 0.05 است. بدیهی است که دوز مناسب شارژ مواد مهم است و به صورت داده شده فرض می شود.

با گذشت سالها ، تأمین کنندگان میکسر استاتیک مدل ها و فرمول های مخصوص به خود را توسعه داده اند. برخی از طرح ها مخصوص فرآیندهای خاص ، مانند تصفیه فاضلاب ، اکستروژن پلاستیک یا پالایشگاه پتروشیمی به بازار عرضه می شوند. سایر مدل ها از نظر کاربرد انعطاف پذیرتر بوده و از طراحی ناهمواری برخوردار هستند که می تواند نیازهای مخلوط جامد-مایع ، مایع-مایع ، گاز مایع و حتی جریان آزاد جامد-جامد را برطرف کند.

میکسرهای استاتیک با افت فشار کم برای فرآیندهای جریان آشفته

از آنجا که میکسرهای استاتیک برای جابجایی محصول بر روی عناصر میکسر ، به پمپ های خارجی تکیه می کنند ، افت فشار اغلب به عنوان پایه ای برای انتخاب میکسر استاتیک مناسب عمل می کند. در بسیاری موارد ، نوع و تعداد عناصر میکسر به گونه ای انتخاب شده اند که بدون رسیدن به افت فشار حداکثر مجاز ، بهترین اختلاط ممکن را داشته باشند.

طراحی میکسرهای استاتیک LPD و LLPD

میکسر استاتیک LPD شامل یک سری صفحات نیمه بیضوی است که به طور متمایز در سری قرار می گیرند. دو صفحه عمود برهم هر یک از عناصر واحد را تشکیل می دهند. عمل اختلاط در این نوع میکسر استاتیک بر اساس تقسیم و منحرف کردن جریان (های) ورودی است.

با حرکت محصول از طریق هر عنصر ، جریان به طور مداوم به لایه ها تقسیم می شود و در جهت های عقربه های ساعت و خلاف جهت عقربه های ساعت 90 درجه چرخش می یابد. این روش برای تقسیم جریان و ایجاد ایستگاهها منجر به یک استراتژی اختلاط بسیار قابل پیش بینی و تکرارپذیر می شود که معمولاً برای کاربردهای ویسکوزیته بالا و دارای جریان بالا استفاده می شود. در طی جریان آشفته ، عناصر میکسر حرکت تصادفی مولکول ها و تشکیل جریانهای لبه ای  را تقویت می کنند. چهار یا شش عنصر LPD معمولاً برای بیشتر نیازهای مخلوط ویسکوزیته پایین کافی است.

اندازه گیری

در بسیاری از موارد ، قطر میکسر استاتیک به اندازه لوله فرایند است. تعداد عناصر بستگی به میزان اختلاط مورد نیاز دارد که می تواند بر اساس جریان ، ویسکوزیته ، چگالی و درصد جزئی ترین جزء تخمین زده شود. افزایش تعداد عناصر باعث افزایش راندمان اختلاط می شود اما منجر به افت فشار بیشتر می شود.

LPD vs. LLPD Design

هنگامی که افت فشار در دسترس محدود است ، می توان یک میکسر LPD با قطر بزرگتر از لوله کشی فرآیند انتخاب کرد. محفظه میکسر بزرگتر با استفاده از آداپتورهای مناسب به خط موجود متصل می شود. گزینه دیگر استفاده از میکسر استاتیک با سبک طراحی کمی متفاوت است .  LLPD  از صفحات نیمه بیضوی مانند طرح LPD تشکیل شده است ، اما صفحات به جای 90 درجه نسبت به یکدیگر 120 درجه است. نسبت طول به قطر از 1.5 به 1.75 افزایش می یابد و افت فشار با ضریب 0.46 کاهش می یابد.

کاربردها

میکسر استاتیک LPD و LLPD در بسیاری از فرایندها استفاده می شود:

Blending different grades of oil or gasoline

Mixing two or more liquid resins

Dilution of concentrated solutions

Water and wastewater treatment

Gas-liquid dispersions

Pipeline reactions

Oil/water and water/oil emulsification

Biodiesel production

Blending anti-oxidants and other additives

Chlorine dioxide bleaching of pulp

Inline addition of flocculants

Homogenizing process streams for sampling

Adjusting viscosity

Chemical suspensions

pH control

· ترکیب انواع مختلف روغن یا بنزین

·  مخلوط کردن دو یا چند رزین مایع
·  رقیق کردن محلول های غلیظ
·  تصفیه آب و فاضلاب
·  پراکندگی گاز و مایع
· واکنشهای داخل لوله
· امولسیون روغن / آب و آب / روغن
·  تولید بیودیزل
·  ترکیب آنتی اکسیدان ها و مواد افزودنی دیگر
·  سفید کردن دی اکسید کلر از خمیر
·  افزودن داخل خط فلوکولانتها
·  همگنسازی جریان فرآیند برای نمونه گیری
·  تنظیم ویسکوزیته
·  معلق سازی شیمیایی
·  کنترل pH

کاربردهای بهداشتی

فرآیندهای غذایی ، دارویی و آرایشی نیز به طور معمول در میکسرهای استاتیک LPD و LLPD بهداشتی انجام می شوند. این مدل ها به طور خاص برای فرآیندهایی طراحی شده اند که برای تمیز کردن و بازرسی های مکرر نیاز به باز و بسته کردن سریع از هم دارند. اتصال سریع Tri-Clamp به طور عادی برای باز و بست سریع و آسان عناصر از لوله های بهداشتی ارائه می شود.

فرآیندهای ویسکوزیته بالا و جریان لایه ای

ویسکوزیته بالا و دبی کم به انتقال رژیم جریان ، از آشفتگی به لایه ای کمک می کند. هر متغیر می تواند بازده مخلوط کردن در میکسر استاتیک LPD یا LLPD را تحت تأثیر قرار دهد به طوری که یک CoV کمتر از 0.05 فقط توسط عناصر متعدد حاصل می شود.این نوع  میکسر علاوه بر اینکه از لحاظ هزینه ای غیر قابل پذیرش است ، برای خطوط لوله یا مجموعه های فرآیندی که در فضا محدودیت دارند مناسب نیست. در این موارد حرکت به سمت طراحی متفاوت میکسر استاتیک به منظور کار با ابعاد منطقی تر توصیه می شود.

میکسر استاتیک ISG(Interfacial Surface Generator)

میکسر استاتیک (ISG) یک طراحی منحصر به فرد میکسر استاتیک است که از قطعات جامدی با چهار سوراخ تشکیل شده است. انتهای عناصر دقیقاً شکل می گیرند تا آببندی مناسب ایجاد شود و یک اتاق چهار وجهی بین عناصر مجاور ایجاد شود.

چهار سوراخ در هر عنصر ISG در زاویه های مورب قرار دارد به گونه ای که ماده ای که از حاشیه وارد می شود (به عنوان مثال در نزدیکی دیواره لوله) در قسمت ورودی عنصر بعدی در نزدیکی مرکز قرار دارد. اگر دو جریان ورودی به میکسر استاتیک ISG وارد شوند ، تعداد لایه های ظاهر شده از عناصر اول ، دوم و سوم 8 ، 32 و 128 است. این پیشرفت نمایی تنها در 10 عنصر بیش از دو میلیون لایه ایجاد می کند.

مکانیسم اختلاط ISG برای کاربردهای گرانروی بالا و جریان چند لایه با عدد رینولدز زیر 500 ایده آل است. مخلوط کردن یک جزئی مانند یک رنگ کم ویسکوزیته ، کاتالیزور یا مواد افزودنی در ماده چسبناک یک کاربرد ISG کلاسیک است. اختلاط  کامل در طول لوله بسیار کوتاه انجام می شود ، بنابراین از این نوع میکسر استاتیک نیز برای نیازهای جریان آشفته با محدودیت فضا و بدون محدودیت افت فشار استفاده می شود.

مانند میکسرهای استاتیک LPD و LLPD ، ISG نیز برای فرآیندهای بهداشتی مناسب است زیرا این عناصر به راحتی از محفظه جدا می شوند تا به صورت جداگانه تمیز و ضد عفونی شوند.

طراحی و ساخت

عناصر استاندارد ISG از قطر 5/8 تا 6 اینچ از استیل ، پلی پروپیلن و تفلون تهیه می شود .همچنین می توان از این اتصالات فلنج ، رزوه یا اتصالات فوری Tri-Clamp تهیه کرد.

عناصر ISG به راحتی جمع می شوند و به صورت خودکار آب بند می شوند. نگهدارنده در هر انتهای محفظه ، آب بندی بین عناصر میکسر را حفظ کرده و از جابجایی آنها جلوگیری می کند. چیدمان مناسب  و محکم بودن عناصر داخل محفظه برای عملکرد میکسر استاتیک ISG بسیار مهم است.

کاربردها

Color blending

Delustering of polymer dopes

Water/fuel oil emulsions

Blending of viscous fluids

Injection molding and extrusion applications (mounted in the nozzle)

Submicron emulsions

Resin-catalyst mixtures

Fiber-reinforced composites

Sanitary emulsions

· ترکیب رنگ
· از بین بردن لکه های پلیمری
·  امولسیون روغن آب / سوخت
·  مخلوط مایعات چسبناک
· قالب گیری تزریق و اکستروژن (نصب شده در نازل)
·  امولسیون های زیر میکرون
· مخلوط رزین و کاتالیزور
· کامپوزیت های تقویت شده با فیبر
· امولسیون های بهداشتی