Qual è il ruolo dei miscelatori statici come dispositivi di miglioramento del trasferimento di calore nei tubi in PTFE?

Per le procedure che richiedono sia la trasmissione del calore che la miscelazione, come il riscaldamento di polimeri viscosi o reazioni chimiche nel flusso, un miscelatore statico all'interno del tubo in PTFE svolge un doppio compito: aumenta il trasferimento di calore interrompendo il profilo del flusso laminare e allo stesso tempo miscela il fluido. I miscelatori statici sono una combinazione di entrambi questi dispositivi in ​​un unico dispositivo senza componenti in movimento. I mixer dinamici sono dotati di parti mobili. A valle della sezione di miscelazione sono posizionati scambiatori di calore separati. Sebbene i tubi in PTFE siano ben noti per la loro inerzia chimica e la superficie antiaderente-, la loro conduttività termica è scarsa. I miscelatori statici sono un mezzo efficace per superare i vincoli del flusso laminare.

Cos'è il Mixer Statico?
Un miscelatore statico è costituito da una serie di pezzi stazionari e non{0}}in movimento all'interno di un tubo. I design comuni sono parti elicoidali (a spirale), lame incrociate o barriere a forma di X-, in sequenza ripetitiva. Ogni elemento, quando il fluido attraversa il tubo, divide il flusso, lo fa ruotare e lo ricongiunge agli strati vicini. Il fluido viene continuamente riorientato-in direzioni radiali e azimutali per tutta la lunghezza del miscelatore.

Tubi in PTFE I miscelatori statici possono essere realizzati interamente in PTFE o PFA (perfluoroalcossi) in tubi in PTFE per una compatibilità chimica completa. In alternativa, sono disponibili miscelatori metallici con rivestimenti in PTFE per applicazioni in cui è consentita una modesta esposizione al metallo. Numerosi fornitori specializzati forniscono inserti personalizzati-finiti per adattarsi ai comuni diametri interni dei tubi in PTFE (da 6 mm a 25 mm o più).

Come i miscelatori statici migliorano il trasferimento di calore
Il regime di flusso dominante per molti fluidi viscosi trattati nei sistemi PTFE è il flusso laminare in un tubo liscio e la trasmissione del calore avviene principalmente per conduzione. Si crea un profilo di velocità parabolico: il fluido al centro viaggia più velocemente di quello vicino alla parete. Questa dispersione di velocità porta ad un forte gradiente di temperatura radiale. Il nucleo caldo (o freddo) è isolato termicamente dalla parete. Il coefficiente complessivo di scambio termico è basso.

La configurazione di trasferimento del calore di un tubo in PTFE in un miscelatore statico distrugge completamente questo profilo. Ciascun elemento del miscelatore ri-orienta continuamente il fluido dal centro alla parete e viceversa. Invece di scorrere in un percorso rettilineo a strati, il fluido subisce un'avvezione caotica. I meccanismi chiave sono:

Miscelazione radiale - Trasferimento fisico dei costituenti fluidi dal centro del tubo alla regione della parete vicina dove avviene lo scambio di calore.

Interruzione dello strato limite - La separazione del flusso locale e i vortici secondari generati dagli elementi del miscelatore assottigliano lo strato limite termico.

Equalizzazione della temperatura - La miscelazione costante del fluido caldo e freddo si traduce in un profilo di temperatura quasi coerente su qualsiasi sezione trasversale. Nessun punto caldo e nessun canale freddo.

Ciò porta ad un aumento significativo del numero di Nusselt (Nu) sul lato del tubo. Miglioramenti regolarmente riportati da 5 a 10 volte il valore laminare del tubo liscio- si verificano in funzione del numero di Reynolds, della viscosità del fluido e della forma del miscelatore. In alcune situazioni ad alta viscosità, ad esempio il polimero si scioglie con Re < 100, il guadagno può essere molto maggiore poiché il miscelatore statico fornisce una miscelazione radiale forzata dove la convezione naturale è insignificante.

Trasferimento di calore e miscelazione simultanei: un caso di intensificazione dei processi
I miscelatori statici sono molto utili nella lavorazione continua quando sono necessarie sia omogeneità termica che compositiva. Consideriamo un reattore tubolare in cui avviene una reazione esotermica in un fluido viscoso. In assenza di miscelatore statico, il calore di reazione si accumula al centro del tubo provocando surriscaldamenti localizzati, reazioni laterali e deterioramento del prodotto. La parete del tubo freddo rimane sottoutilizzata.

L’inserimento di un miscelatore statico nel tubo in PTFE offre tre vantaggi contemporaneamente:

Migliore trasferimento di calore alla parete del tubo: il fluido caldo proveniente dal nucleo viene continuamente spinto verso la parete, da dove il calore viene effettivamente rimosso dal liquido refrigerante (o mezzo riscaldante) sul lato mantello.

Profilo di temperatura coerente - I gradienti di temperatura radiali sono ridotti al minimo, senza zone calde.

Composizione uniforme - Omogeneizza i reagenti con la stessa azione di miscelazione ed elimina i gradienti di concentrazione.

In questa configurazione il tubo in PTFE funge da reattore e scambiatore di calore tutto in uno - un tipico esempio di intensificazione del processo.

Il grande compromesso: caduta di pressione
Il compromesso è tra la spesa di pompaggio e l’intensità della miscelazione. I miscelatori statici causano una caduta di pressione molto maggiore rispetto a un tubo vuoto. A seconda del numero e del tipo di elementi di miscelazione, il fattore di attrito può essere da 5 a 20 volte maggiore per una determinata lunghezza del tubo. Questa crescita è dovuta alle ripetute contrazioni, espansioni e cambiamenti di direzione di ciascun costituente.

I progettisti devono bilanciare l’aumento della trasmissione del calore con l’aumento della potenza di pompaggio. Questa diminuzione della pressione può essere accettabile per fluidi a bassa viscosità (ad es. solventi simili all'acqua-). Per fluidi molto viscosi (ad esempio polimeri fusi o oli pesanti) i costi di pompaggio possono essere proibitivi. Tuttavia, nel regime di alta-viscosità, il coefficiente di trasferimento di calore del-tubo liscio è così basso che è necessario un qualche tipo di aumento. I miscelatori statici sono talvolta l'unica soluzione passiva praticabile, poiché forniscono una miscelazione efficace anche a numeri di Reynolds molto bassi (Re<10).

Per il trattamento continuo, la caduta di pressione totale attraverso un tubo in PTFE con un miscelatore statico viene normalmente stimata utilizzando la correlazione fornita dal produttore. Una tipica regola pratica è che ciascun elemento di miscelazione aggiungerà una caduta di pressione di 5-20 diametri di tubo vuoto, a seconda del design dell'elemento.

Fluidi ideali e condizioni di lavoro
I miscelatori statici sono adatti per fluidi ad alta viscosità in assenza di convezione naturale. Nei flussi con bassa viscosità e alta velocità (Re > 4000) il flusso è già turbolento e il beneficio incrementale di un miscelatore statico è inferiore. Tuttavia, anche in un flusso turbolento, un miscelatore statico può migliorare la miscelazione radiale e ridurre la cattiva distribuzione della temperatura, soprattutto nei tubi corti o in prossimità degli ingressi dei tubi.

I sistemi di trasferimento di calore con tubi in PTFE e miscelatori statici vengono generalmente utilizzati per:

Riscaldamento o raffreddamento di polimeri fusi (ad esempio lavorazione della dispersione di PTFE, estrusione di fluoropolimeri)

Reazioni chimiche viscose che richiedono un controllo accurato della temperatura (ad esempio policondensazione, polimerizzazione epossidica)

Lavorazione alimentare e farmaceutica (ad es. riscaldamento di sciroppi, gel o unguenti) grazie alla superficie antiaderente del PTFE-che previene le incrostazioni

Percorso chimicamente resistente fornito solo da tubi in PTFE per fluidi corrosivi riscaldati in scambiatori di calore metallici

Disponibili fabbricazione personalizzata e miscelatori statici in PTFE
I miscelatori statici sono una tecnologia matura con un gran numero di materiali per tubi disponibili in commercio. Il tubo in PTFE è disponibile in alcune varietà:

Miscelatori completamente in PTFE - Lavorati o stampati dal PTFE di serie. Questi forniscono una resistenza chimica totale e sono utilizzati per fluidi ultra puri o aggressivi. Gli inserti personalizzati sono offerti da produttori specializzati di fluoropolimeri. La procedura di produzione prevede il taglio o la modellatura di singoli elementi e quindi l'assemblaggio su un'asta centrale o l'impiego di un design aderente.

Miscelatori in metallo rivestiti in PFA - Nucleo in acciaio inossidabile con sovrastampaggio in PFA o PTFE. Questi possiedono la resistenza meccanica del metallo insieme alla resistenza chimica del fluoropolimero. In generale, sono più economici di tutti i-miscelatori PTFE per diametri grandi.

Riempitivi e guarnizioni - L'imballaggio casuale (ad esempio anelli Raschig o selle in PTFE) è una soluzione a basso-costo per alcune applicazioni. L'impaccamento casuale non fornisce la miscelazione prevedibile e ripetibile di un mixer statico ingegnerizzato.

Il progettista deve garantire che il diametro esterno del miscelatore statico sia facilmente inseribile nel tubo in PTFE senza eccessiva forza e che il sistema possa supportare l'espansione termica. Il coefficiente di dilatazione termica del PTFE (≈ 10–15 × 10−5/grado) è molto elevato e il miscelatore non deve legare o deformare il tubo a temperature estreme.

Considerazioni sulla progettazione e limitazioni pratiche
I miscelatori statici presentano alcuni vantaggi ma non sono un problema. È opportuno tenere presente i seguenti vincoli:

Potenziale di incrostazione - L'intricata geometria interna può intrappolare particelle o sostanze precipitate. Questo non è un problema per fluidi puliti o fluidi con poca concentrazione di solidi. Sono disponibili versioni auto-pulenti dei flussi non puliti (ad esempio, componenti elicoidali senza zone stagnanti).

Installazione e pulizia – I miscelatori statici sono difficili da pulire in situ (CIP), poiché gli elementi interni interferiscono. Quando il prodotto viene cambiato spesso, può essere preferibile un miscelatore rimovibile o un inserto monouso in PTFE.

Lunghezza del tubo - Il numero di elementi (spesso da 4 a 20) aumenta l'efficacia della miscelazione. Tuttavia, una maggiore caduta di pressione viene creata da tubi più lunghi con numerosi componenti. La lunghezza ottimale dipende dal carico di trasferimento di calore necessario e dalla capacità di pompaggio disponibile.

Limiti di temperatura - I miscelatori statici in PTFE possono essere utilizzati fino a circa 200 gradi, tuttavia il materiale si ammorbidisce a temperature più elevate causando deformazione sotto stress indotto dal flusso. Per temperature più elevate il PFA è una scelta superiore (valutato fino a 260 gradi).

Conclusione: un metodo intensivo ma potente per la caduta di pressione
I miscelatori statici rappresentano un modo potente ma che comporta un notevole calo di pressione per ottenere il trasferimento di calore e la miscelazione simultanei nei tubi in PTFE. Questi componenti stazionari ri-dirigono costantemente il fluido dal centro del tubo alla parete, eliminando così i gradienti di temperatura radiali. È stato dimostrato che aumentano il numero di Nusselt da 5 a 10 volte su un tubo vuoto sotto flusso laminare. Sono particolarmente utili per fluidi ad alta viscosità dove non è presente convezione naturale e per combinazioni di reattori continui-scambiatori di calore dove è necessaria omogeneità di temperatura e composizione.

L'intensificazione del processo comporta tipicamente la combinazione di diverse funzioni in un unico dispositivo. L'approccio è illustrato dall'uso di un miscelatore statico in un tubo in PTFE, che fornisce un miglioramento del trasferimento di calore e una miscelazione del fluido nella stessa lunghezza del tubo, senza parti mobili, alimentazione elettrica o controlli esterni. Il metodo di trasferimento del calore che prevede l'utilizzo di un tubo in PTFE in un miscelatore statico merita una seria considerazione per gli ingegneri che costruiscono sistemi per la gestione di fluidi-resistenti alla corrosione, di elevata-purezza o viscosi. Il costo aggiuntivo del pompaggio deve essere bilanciato rispetto al miglioramento delle prestazioni termiche. I miscelatori statici rappresentano spesso l’approccio più fattibile e di successo quando la viscosità è elevata e il problema del calore è grave.