पीटीएफई टयूबिंग में हीट ट्रांसफर एन्हांसमेंट डिवाइस के रूप में स्टेटिक मिक्सर की क्या भूमिका है?

उन प्रक्रियाओं के लिए जिनमें गर्मी संचरण और मिश्रण दोनों की आवश्यकता होती है, जैसे चिपचिपा पॉलिमर को गर्म करना या प्रवाह में रासायनिक प्रतिक्रियाएं, पीटीएफई ट्यूबिंग के अंदर एक स्थिर मिक्सर दोहरा काम करता है: यह लैमिनर प्रवाह प्रोफ़ाइल को तोड़कर गर्मी हस्तांतरण को बढ़ाता है और साथ ही तरल पदार्थ को मिश्रित करता है। स्टेटिक मिक्सर इन दोनों उपकरणों का एक ही उपकरण में बिना हिले हुए घटकों का संयोजन है। गतिशील मिक्सर में गतिशील भाग होते हैं। अलग-अलग हीट एक्सचेंजर्स मिश्रण अनुभाग के नीचे की ओर स्थित होते हैं। यद्यपि पीटीएफई टयूबिंग अपनी रासायनिक जड़ता और गैर-छड़ी सतह के लिए अच्छी तरह से जाना जाता है, इसकी तापीय चालकता खराब है। स्टेटिक मिक्सर लैमिनर प्रवाह की बाधाओं को दूर करने का एक मजबूत साधन है।

स्टेटिक मिक्सर क्या है?
एक स्थिर मिक्सर में एक ट्यूब के अंदर कई स्थिर, गैर-गतिमान टुकड़े होते हैं। सामान्य डिज़ाइन दोहराए जाने वाले क्रम में पेचदार (सर्पिल) भाग, पार किए गए ब्लेड या X-आकार की बाधाएं हैं। प्रत्येक तत्व, जब द्रव ट्यूब से गुजरता है, धारा को विभाजित करता है, घुमाता है और पड़ोसी परतों के साथ वापस लाता है। तरल पदार्थ लगातार मिक्सर की लंबाई पर रेडियल और अज़ीमुथल दिशाओं में पुनः उन्मुख होता है।

पीटीएफई टयूबिंग स्टेटिक मिक्सर को पूर्ण रासायनिक अनुकूलता के लिए पीटीएफई टयूबिंग में पूरी तरह से पीटीएफई या पीएफए ​​(पेरफ्लुओरोअल्कोक्सी) से बनाया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से, पीटीएफई कोटिंग वाले धातु मिक्सर उन अनुप्रयोगों के लिए उपलब्ध हैं जहां धातु के मामूली संपर्क की अनुमति है। कई विशेषज्ञ प्रदाता आम पीटीएफई ट्यूब के भीतरी व्यास (6 मिमी से 25 मिमी या अधिक) में फिट होने के लिए तैयार कस्टम निर्मित इंसर्ट प्रदान करते हैं।

कैसे स्टेटिक मिक्सर हीट ट्रांसफर में सुधार करते हैं
पीटीएफई प्रणालियों में उपचारित कई चिपचिपे तरल पदार्थों के लिए प्रमुख प्रवाह व्यवस्था एक चिकनी ट्यूब में लामिना का प्रवाह है, और गर्मी संचरण ज्यादातर चालन द्वारा होता है। एक परवलयिक वेग प्रोफ़ाइल उत्पन्न होती है: बीच में तरल पदार्थ दीवार के नजदीक की तुलना में तेज़ गति से यात्रा करता है। यह वेग फैलाव एक मजबूत रेडियल तापमान प्रवणता की ओर ले जाता है। गर्म (या ठंडा) कोर दीवार से तापीय रूप से पृथक होता है। समग्र ताप अंतरण गुणांक कम है।

एक स्थिर मिक्सर में PTFE ट्यूब का ताप स्थानांतरण विन्यास इस प्रोफ़ाइल को पूरी तरह से नष्ट कर देता है। प्रत्येक मिक्सर तत्व लगातार तरल पदार्थ को केंद्र से दीवार तक पुनः निर्देशित करता है और इसके विपरीत भी। सीधे स्तरित मार्ग में बहने के बजाय, द्रव अव्यवस्थित संवहन से गुजरता है। प्रमुख तंत्र हैं:

रेडियल मिश्रण - ट्यूब केंद्र से निकट दीवार क्षेत्र में द्रव घटकों का भौतिक स्थानांतरण जहां गर्मी का आदान-प्रदान होता है।

सीमा परत व्यवधान - मिक्सर तत्वों द्वारा उत्पन्न स्थानीय प्रवाह पृथक्करण और द्वितीयक भंवर थर्मल सीमा परत को पतला करते हैं।

तापमान समकरण - गर्म और ठंडे तरल पदार्थ के निरंतर मिश्रण के परिणामस्वरूप किसी भी क्रॉस {{1} }} अनुभाग पर लगभग एक समान तापमान प्रोफ़ाइल बन जाती है। कोई गर्म स्थान नहीं और कोई ठंडा चैनल नहीं।

इससे ट्यूब की तरफ नुसेल्ट संख्या (एनयू) में उल्लेखनीय वृद्धि होती है। रेनॉल्ड्स संख्या, द्रव चिपचिपापन और मिक्सर आकार के एक फ़ंक्शन के रूप में नियमित रूप से चिकनी ट्यूब लैमिनर मान में 5 से 10 गुना सुधार की सूचना दी जाती है। कुछ उच्च चिपचिपाहट स्थितियों में, उदाहरण के लिए पॉलिमर Re <100 के साथ पिघलता है, लाभ बहुत बड़ा हो सकता है क्योंकि स्थैतिक मिक्सर मजबूर रेडियल मिश्रण प्रदान करता है जहां प्राकृतिक संवहन महत्वहीन है।

एक साथ गर्मी हस्तांतरण और मिश्रण: प्रक्रियाओं की तीव्रता का मामला
स्थैतिक मिक्सर निरंतर प्रसंस्करण में बहुत सहायक होते हैं जब थर्मल और संरचनागत समरूपता दोनों की आवश्यकता होती है। आइए एक ट्यूबलर रिएक्टर पर विचार करें जहां एक चिपचिपे तरल पदार्थ में एक ऊष्माक्षेपी प्रतिक्रिया होती है। स्थैतिक मिक्सर की अनुपस्थिति में, प्रतिक्रिया गर्मी ट्यूब के केंद्र में जमा हो जाती है जिससे स्थानीयकृत ओवरहीटिंग, साइड प्रतिक्रियाएं और उत्पाद खराब हो जाता है। ठंडी ट्यूब की दीवार का दोहन नहीं हो पाता है।

पीटीएफई ट्यूब में एक स्थिर मिक्सर डालने से एक साथ तीन फायदे मिलते हैं:

ट्यूब की दीवार पर बेहतर गर्मी हस्तांतरण: कोर से आने वाले गर्म तरल पदार्थ को लगातार दीवार की ओर धकेला जाता है, जहां से शेल की तरफ शीतलक (या हीटिंग माध्यम) द्वारा गर्मी को प्रभावी ढंग से हटा दिया जाता है।

लगातार तापमान प्रोफ़ाइल - रेडियल तापमान प्रवणता न्यूनतम हो गई है, कोई गर्म पैच नहीं है।

समान संरचना - समान मिश्रण क्रिया के साथ अभिकारकों को समरूप बनाती है और सांद्रता प्रवणता को हटा देती है।

इस सेटअप में पीटीएफई ट्यूब एक रिएक्टर और हीट एक्सचेंजर के रूप में कार्य करती है, जो प्रक्रिया गहनता का एक विशिष्ट उदाहरण है।

बड़ा समझौता: दबाव में गिरावट
पम्पिंग व्यय बनाम मिश्रण तीव्रता के बीच समझौता है। स्थैतिक मिक्सर एक खाली ट्यूब की तुलना में बहुत अधिक दबाव ड्रॉप का कारण बनते हैं। मिश्रण तत्वों की संख्या और प्रकार के आधार पर ट्यूब की दी गई लंबाई के लिए घर्षण कारक 5 से 20 गुना अधिक हो सकता है। यह वृद्धि प्रत्येक घटक के बार-बार होने वाले संकुचन, विस्तार और दिशा परिवर्तन के कारण होती है।

डिजाइनरों को पंपिंग शक्ति में वृद्धि के साथ ताप संचरण में वृद्धि को संतुलित करना चाहिए। यह दबाव में कमी कम चिपचिपाहट वाले तरल पदार्थों (उदाहरण के लिए पानी जैसे सॉल्वैंट्स) के लिए स्वीकार्य हो सकती है। बहुत चिपचिपे तरल पदार्थों (जैसे पॉलिमर पिघला हुआ या भारी तेल) के लिए पंपिंग लागत निषेधात्मक हो सकती है। हालाँकि, उच्च -चिपचिपापन शासन में, चिकनी-ट्यूब ताप हस्तांतरण गुणांक इतना कम है कि कुछ प्रकार की वृद्धि की आवश्यकता होती है। स्थैतिक मिक्सर कभी-कभी एकमात्र व्यावहारिक निष्क्रिय समाधान होते हैं, क्योंकि वे बहुत कम रेनॉल्ड्स संख्या (रे) पर भी प्रभावी मिश्रण प्रदान करते हैं<10).

निरंतर प्रसंस्करण के लिए, एक स्थिर मिक्सर के साथ पीटीएफई ट्यूब के माध्यम से कुल दबाव ड्रॉप का अनुमान आमतौर पर निर्माता द्वारा प्रदान किए गए सहसंबंध का उपयोग करके लगाया जाता है। अंगूठे का एक सामान्य नियम यह है कि प्रत्येक मिश्रण तत्व, तत्व के डिज़ाइन के आधार पर, खाली ट्यूब के 5-20 ट्यूब व्यास का दबाव ड्रॉप जोड़ देगा।

आदर्श तरल पदार्थ और काम करने की स्थितियाँ
स्थैतिक मिक्सर प्राकृतिक संवहन की अनुपस्थिति में उच्च चिपचिपाहट वाले तरल पदार्थों के लिए उपयुक्त हैं। कम श्यानता और उच्च वेग (Re > 4000) वाले प्रवाह में प्रवाह पहले से ही अशांत होता है और स्थैतिक मिक्सर का वृद्धिशील लाभ कम होता है। हालाँकि, अशांत प्रवाह में भी, एक स्थैतिक मिक्सर रेडियल मिश्रण को बढ़ा सकता है और तापमान के खराब वितरण को कम कर सकता है, विशेष रूप से छोटी ट्यूबों में या ट्यूब इनलेट के करीब।

स्टेटिक मिक्सर PTFE ट्यूब हीट ट्रांसफर सिस्टम आमतौर पर इसके लिए उपयोग किए जाते हैं:

पॉलिमर पिघलने को गर्म करना या ठंडा करना (उदाहरण के लिए पीटीएफई फैलाव प्रसंस्करण, फ्लोरोपॉलीमर एक्सट्रूज़न)

रासायनिक प्रतिक्रियाएं जो चिपचिपी होती हैं और सटीक तापमान नियंत्रण की आवश्यकता होती है (उदाहरण के लिए पॉलीकंडेनसेशन, एपॉक्सी इलाज)

पीटीएफई की गैर-छड़ी सतह के कारण खाद्य और फार्मास्युटिकल प्रसंस्करण (उदाहरण के लिए सिरप, जैल या मलहम को गर्म करना) जो गंदगी को रोकता है।

धातु हीट एक्सचेंजर्स में गर्म किए गए संक्षारक तरल पदार्थों के लिए रासायनिक रूप से प्रतिरोधी पथ केवल पीटीएफई ट्यूबों द्वारा प्रदान किया जाता है

कस्टम फैब्रिकेशन और पीटीएफई स्टेटिक मिक्सर उपलब्ध हैं
स्टेटिक मिक्सर एक परिपक्व तकनीक है जिसमें बड़ी संख्या में ट्यूब सामग्री व्यावसायिक रूप से उपलब्ध है। PTFE ट्यूबिंग कुछ किस्मों में उपलब्ध है:

पूरी तरह से पीटीएफई मिक्सर - स्टॉक पीटीएफई से मशीनीकृत या ढाला हुआ। ये पूर्ण रासायनिक प्रतिरोध प्रदान करते हैं और अति शुद्ध या कठोर तरल पदार्थों के लिए उपयोग किए जाते हैं। कस्टम इंसर्ट विशेष फ़्लोरोपॉलीमर फैब्रिकेटर्स द्वारा पेश किए जाते हैं। विनिर्माण की प्रक्रिया में अलग-अलग तत्वों को काटना या ढालना और फिर उन्हें एक केंद्रीय छड़ पर जोड़ना या एक टाइट फिट डिजाइन का उपयोग करना शामिल है।

पीएफए ​​लेपित धातु मिक्सर - पीएफए ​​या पीटीएफई ओवरमोल्ड के साथ स्टेनलेस स्टील कोर। इनमें धातु की यांत्रिक शक्ति के साथ-साथ फ्लोरोपॉलीमर का रासायनिक प्रतिरोध भी होता है। सामान्य तौर पर, वे बड़े व्यास वाले सभी पीटीएफई मिक्सर से सस्ते होते हैं।

फिलर्स और पैकिंग - रैंडम पैकिंग (उदाहरण के लिए रैशिग रिंग्स या पीटीएफई सैडल्स) कुछ अनुप्रयोगों के लिए कम लागत वाला समाधान है। रैंडम पैकिंग एक इंजीनियर्ड स्टैटिक मिक्सर का पूर्वानुमानित, दोहराए जाने योग्य मिश्रण प्रदान नहीं करती है।

डिज़ाइनर को यह सुनिश्चित करना चाहिए कि स्थैतिक मिक्सर का OD बिना किसी अनुचित बल के PTFE टयूबिंग में आसानी से डाला जा सके और सिस्टम थर्मल विस्तार का समर्थन कर सके। पीटीएफई के थर्मल विस्तार का गुणांक (≈ 10-15 × 10-5/डिग्री) बहुत अधिक है और मिक्सर को अत्यधिक तापमान पर ट्यूब को बांधना या विकृत नहीं करना चाहिए।

डिज़ाइन संबंधी विचार और व्यावहारिक सीमाएँ
स्टेटिक मिक्सर के कुछ फायदे हैं लेकिन वे कोई बड़ी बात नहीं हैं। निम्नलिखित बाधाओं को ध्यान में रखा जाना चाहिए:

दूषण क्षमता - जटिल आंतरिक ज्यामिति कणों या अवक्षेपित पदार्थों को फँसा सकती है। यह स्वच्छ तरल पदार्थों या कम ठोस सांद्रता वाले तरल पदार्थों के लिए कोई समस्या नहीं है। अशुद्ध धाराओं के स्वतः सफाई संस्करण उपलब्ध हैं (उदाहरण के लिए, बिना किसी स्थिर क्षेत्र वाले पेचदार घटक)।

स्थापना और सफाई - स्टेटिक मिक्सर को यथास्थान (सीआईपी) साफ करना मुश्किल होता है, क्योंकि आंतरिक तत्व हस्तक्षेप करते हैं। जहां उत्पाद अक्सर बदला जाता है वहां हटाने योग्य मिक्सर या डिस्पोजेबल पीटीएफई इंसर्ट को प्राथमिकता दी जा सकती है।

ट्यूब की लंबाई - तत्वों की संख्या (अक्सर 4 से 20) मिश्रण प्रभावकारिता को बढ़ाती है। हालाँकि, उच्च दबाव ड्रॉप कई घटकों के साथ लंबी ट्यूब लंबाई द्वारा निर्मित होता है। इष्टतम लंबाई आवश्यक गर्मी हस्तांतरण शुल्क और उपलब्ध पंपिंग क्षमता पर निर्भर करती है।

तापमान सीमा - पीटीएफई स्थिर मिक्सर का उपयोग लगभग 200 डिग्री तक किया जा सकता है, हालांकि सामग्री उच्च तापमान पर नरम हो जाती है जिससे प्रवाह प्रेरित तनाव के तहत विरूपण होता है। उच्च तापमान के लिए पीएफए ​​एक बेहतर विकल्प है (260 डिग्री तक रेटेड)।

निष्कर्ष: दबाव कम करने के लिए एक गहन लेकिन शक्तिशाली तरीका
स्टेटिक मिक्सर पीटीएफई टयूबिंग में एक साथ गर्मी हस्तांतरण और मिश्रण प्राप्त करने के लिए एक शक्तिशाली लेकिन दबाव ड्रॉप गहन तरीका है। ये स्थिर घटक लगातार ट्यूब के केंद्र से दीवार तक तरल पदार्थ को पुनः निर्देशित कर रहे हैं, इस प्रकार रेडियल तापमान प्रवणता को हटा रहे हैं। उन्हें लैमिनर प्रवाह के तहत एक खाली ट्यूब पर नुसेल्ट संख्या को 5 से 10 गुना तक बढ़ाने के लिए दिखाया गया है। वे विशेष रूप से उच्च चिपचिपाहट वाले तरल पदार्थों के लिए उपयोगी होते हैं जहां कोई प्राकृतिक संवहन नहीं होता है और निरंतर रिएक्टर हीट एक्सचेंजर संयोजनों के लिए जहां तापमान और संरचना की एकरूपता आवश्यक होती है।

प्रक्रिया गहनीकरण में आम तौर पर एक डिवाइस में कई कार्यों का संयोजन शामिल होता है। दृष्टिकोण को पीटीएफई टयूबिंग में एक स्थिर मिक्सर के उपयोग द्वारा चित्रित किया गया है, जो बिना किसी हिलते हिस्से, विद्युत शक्ति या बाहरी नियंत्रण के, टयूबिंग की समान लंबाई में गर्मी हस्तांतरण वृद्धि और द्रव मिश्रण प्रदान करता है। स्थैतिक मिक्सर में पीटीएफई ट्यूब का उपयोग करने की गर्मी हस्तांतरण विधि संक्षारण प्रतिरोधी, उच्च शुद्धता, या चिपचिपे तरल पदार्थों से निपटने के लिए सिस्टम बनाने वाले इंजीनियरों के लिए गंभीरता से विचार करने योग्य है। अतिरिक्त पंपिंग लागत को थर्मल प्रदर्शन में सुधार के विरुद्ध संतुलित किया जाना चाहिए। जब चिपचिपाहट अधिक होती है और गर्मी की चुनौती गंभीर होती है तो स्थैतिक मिक्सर अक्सर सबसे व्यवहार्य और सफल दृष्टिकोण होते हैं।