Статические смесители —
перемешивание в трубопроводе
Л. С. Марковский, А. С. Майоров, «ПЕТЕРБУРГНИИХИММАШ».
Смешение является одним из наиболее распространенных процессов в химической технологии и смежных с ней отраслей промышленности. Разработка и изготовление оборудования для смешения является одним из основных направлений деятельности ООО «ПЕТЕРБУРГНИИХИММАШ». Значительную долю подобного оборудования в промышленности составляют традиционные аппараты с механическими перемешивающими устройствами. Интенсификация производства приводит к необходимости создания аппаратов непрерывного действия с повышенной частотой вращения перемешивающих устройств. Альтернативой аппаратам с механическими перемешивающими устройствами являются статические проточные смесители.
Статические смесители характеризуются отсутствием движущихся частей и представляют собой элементы различной конфигурации и формы, встраиваемые в трубопровод. Эти элементы обеспечивают многократную перестройку поля скоростей и изменение направления линий тока смешиваемых компонентов. Вследствие этого достигается эффективное перемешивание компонентов за счет использования части кинетической энергии движения среды.
Высокая экономическая эффективность применения статических смесителей обуславливается снижением металлоемкости оборудования, сокращением производственных площадей, уменьшением капитальных затрат и трудозатрат по обслуживанию и ремонту по сравнению с традиционными аппаратами. Применение статических смесителей в комбинации с аппаратами с механическими перемешивающими устройствами позволяет создать достаточно гибкую технологическую линию повышенной надежности.
Существует больше количество конструкций статических смесителей. Для каждого типа смесителей характерна своя картина смешения. Однако, общим является то, что увеличение поверхности раздела между компонентами достигается двумя способами: за счет сдвигового течения и за счет разделения и переориентации потоков жидкости. Перемешивание, как средство достижения равномерного состава среды, в зависимости от задач которые оно решает, требует для своего осуществления различных конструкций. Например, аппарат для получения высоковязких гомогенных сред будет отличаться от аппарата для получения эмульсии, поскольку в первом случае требуется создание условий для многократного перемешивания ламинарных струй жидкости, в то время как во втором случае необходимо создание на участке движения среды максимальных срезывающих напряжений.
Статические смесители могут использоваться для смешения в средах: жидкость — жидкость (гомогенизация, эмульгирование и т. п.); жидкость — твердое (суспендирование, растворение и т. п.); жидкость — газ (абсорбция и т. п.); газ — газ.
Статические смесители часто используются как элементы, обеспечивающие турбулизацию и закрутку потока в теплообменных аппаратах, что значительно увеличивает теплоотдачу в трубах.
Из множества конструкций статических смесителей рассмотрим для примера смесители с винтовыми элементами (рисунок). Винтовой элемент представляет собой плоскую пластину, скрученную в спираль на некоторый угол вдоль продольной оси. Статический смеситель представляет собой ряд таких элементов, помещенных в трубу вплотную друг к другу или с некоторым промежутком, образующим смесительную камеру. Входная кромка каждого последующего элемента расположена обычно перпендикулярно выходной кромке предыдущего элемента. Требуемое качество смешения, при приемлемых затратах энергии, определяемых гидравлическим сопротивлением смесителя, достигается варьированием числа элементов, углом и направлением винтовой поверхности элементов, длиной элемента и смесительной камеры. Винтовые элементы очень технологичны, их легко изготавливать из металла или пластика как вручную, так литьем и штамповкой.
Данная простейшая конструкция оказалась достаточно эффективной, и сейчас внедряется в самые различные отрасли промышленности. Имеется значительное количество модификаций смесителей с винтовыми элементами, предназначенных для решения конкретных задач.
Особое значение имеет использование таких смесителей в процессах получения композиций из вязких, химически взаимодействующих компонентов, какими являются процессы, например, приготовления эпоксидных компаундов. Основные достоинства таких смесителей — простота изготовления элементов, быстрота их замены, малое гидравлическое сопротивление, отсутствие застойных зон в каналах, малый рабочий объем зоны смешения. Последнее обстоятельство особенно ценно при работе с быстротвердеющими композициями.
Статические смесители для перемешивания маловязких сред обычно работают при турбулентном режиме течения. Учитывая, что турбулентная диффузия обеспечивает достаточно быстрое выравнивание концентраций смешиваемых компонентов по сечению трубы, на первое место выходит задача создания в потоке высоких срезывающих напряжений. Наиболее простой способ создания таких напряжений — дросселирование потока. Поэтому большинство конструкций статических смесителей для маловязких сред содержат элементы, резко меняющие проходное сечение смесителя. Это различной формы шайбы, пластины, лопасти и гофрированные элементы, ориентированные определенным образом.
Существуют также конструкции универсальных смесителей, работающих как в ламинарном, так и в турбулентном режиме течения.
Таким образом, статические смесители позволяют осуществлять эффективное перемешивание в различных средах, включая газы и высоковязкие жидкости в диапазоне изменения вязкостей от 10–6 до 1 м2/с.
Статические смесители встраиваются в трубопроводы реакторов, смесителей, теплообменников, скрубберов, устройств для обработки газов в таких отраслях промышленности как химическая, нефтехимическая, фармацевтическая, пищевая, целлюлозно-бумажная, лакокрасочная, при обработке воды, в металлообработке, в стекольном производстве и т. д
