Funktionsprinzipien
Statiflo Static Mixer können für eine Vielzahl von Prozessvorgängen eingesetzt werden, einschließlich Mischen, Dosieren, Dispergieren und Emulsionsbildung, Laminar-Flow-Wärmeaustausch, Stoffaustausch und als Inline-Plug-Flow-Reaktor. Diese Prozesse können grob in die folgenden Mischklassifikationen eingeteilt werden. Die Funktionsprinzipien des bewegungslosen Mischers variieren je nach der nachstehend beschriebenen Mischklassifizierung.
Liquid/Liquid laminar flow of miscible fluids
Flow Division
The main mechanism in laminar flow in static mixers (Reynold’s number < 2000) is flow division. Statiflo element styles STT, STS and STL are either helical or pseudo-helical and are arranged in a series of alternating left and right hand 180° twists. The leading edge of an element, which is on a diameter, is at 90° to the trailing edge of the upstream element.
In flow division, the leading edge of the first element splits the fluids entering the mixer into 2 streams, which are then rotated through 180°. The second element splits the flow again, this time into 4 streams, followed by a further rotation, in the opposite direction, through 180°. The third element repeats the process by splitting into 8 streams, and so on. As the number of streams or layers increases, the layer thickness decreases. Typically, 12 to 24 elements are required to provide a complete mix.
Mixture quality is a function only of mixer diameter and number of elements and, in laminar flow, is independent of flowrate and viscosity.
Flüssigkeit / Flüssige laminare Strömung mischbarer Flüssigkeiten
Flow Division
Der Hauptmechanismus bei der laminaren Strömung in statischen Mischern (Reynolds Zahl <2000) ist Strömungsteilung. Statiflo-Elementstile STT, STS und STL sind entweder helixförmig oder pseudohelixförmig und in einer Reihe abwechselnder 180 ° -Drehungen von links und rechts angeordnet. Die Vorderkante eines Elements, die einen Durchmesser hat, befindet sich in einem Winkel von 90 ° zur Hinterkante des stromaufwärtigen Elements.
Bei der Strömungsteilung teilt die Vorderkante des ersten Elements die in den Mischer eintretenden Flüssigkeiten in zwei Ströme auf, die dann um 2 ° gedreht werden. Das zweite Element teilt die Strömung erneut auf, diesmal in 180 Ströme, gefolgt von einer weiteren Drehung in die entgegengesetzte Richtung um 4 °. Das dritte Element wiederholt den Vorgang durch Aufteilen in 180 Streams usw. Mit zunehmender Anzahl von Strömen oder Schichten nimmt die Schichtdicke ab. Typischerweise sind 8 bis 12 Elemente erforderlich, um eine vollständige Mischung bereitzustellen.
Die Mischungsqualität hängt nur vom Mischerdurchmesser und der Anzahl der Elemente ab und ist bei laminarer Strömung unabhängig von Durchflussrate und Viskosität.
Flüssigkeit / Flüssige turbulente Strömung mischbarer Flüssigkeiten
Bei höheren Reynolds-Zahlen, die viel größer als 2000 sind, wird ein zweiter Mischmechanismus, der gleichzeitig mit der Strömungsteilung wirkt, für den gesamten Mischprozess wichtig:
Radiales Mischen
Im Allgemeinen ist die Fluidviskosität in turbulenter Strömung niedriger als in laminarer Strömung. Die Elementform kann nun den Flüssigkeiten einen Rotationsspin verleihen, der mit jedem nachfolgenden Element die Richtung ändert. Flüssigkeiten werden ständig von der Rohrmitte zur Rohrwand und wieder zurück bewegt, wobei die Grenzfläche zwischen den Elementen eine besonders aktive Zone darstellt. Dieser Mechanismus wird als radiales Mischen bezeichnet, das den Strömungsteilungsmechanismus bei turbulenter Strömung dominiert. Es beseitigt sehr schnell radiale Unterschiede, beispielsweise in Bezug auf Zusammensetzung, Farbe, pH-Wert, Temperatur und Geschwindigkeit.
Die Anzahl der Mischelemente, die erforderlich sind, um bei turbulenten Strömungsanwendungen eine vollständig homogene Mischung zu erzielen, ist viel geringer als bei laminarer Strömung und beträgt typischerweise 1.5 bis 4 Elemente.
Flüssigkeit / Flüssigkeit turbulente Strömung nicht mischbarer Flüssigkeiten
Der radiale Mischmechanismus ist wichtig, um radiale Geschwindigkeitsunterschiede und damit die Schergeschwindigkeit zu verringern. Die gleichmäßige Scherhistorie führt zu einer vorhersagbaren durchschnittlichen Tröpfchengröße, wobei ungefähr 80% der dispergierten Phase innerhalb von ± 20% der durchschnittlichen Tröpfchengröße liegen. Ein offenes Rohr ohne kontrolliertes Mischen bietet einen großen Bereich von Tröpfchengrößen mit weitaus weniger Kontaktfläche zwischen den Phasen.
Die durchschnittliche Tröpfchengröße ist geschwindigkeitsabhängig, wobei sich die terminale Tröpfchengröße nach 4 Elementen nähert.
Gas- / Flüssigkeitsstrom
Wie bei nicht mischbaren Liquid / Liquid-Systemen arbeiten Gas / Liquid-Systeme nach einem ähnlichen Prinzip. Das Gas ist in der gesamten flüssigen kontinuierlichen Phase verteilt, um eine gleichmäßige Endblasengröße zu erzeugen, was dazu beiträgt, die Geschwindigkeit des Stoffübergangs zwischen den Phasen zu erhöhen.
Die gleichmäßige Scherhistorie führt zu einer vorhersagbaren durchschnittlichen Blasengröße, wobei ungefähr 80% der dispergierten Gasphasenblasen innerhalb von + – 20% der durchschnittlichen Blasengröße liegen. Wiederum wird die Endblasengröße nach 4 Elementen erreicht.
Gas / Gasturbulente Strömung
In technischer Hinsicht sind Gase niedrigviskose Flüssigkeiten. Der Statiflo Static Mixer verhält sich wie bei der Klassifizierung der turbulenten Strömung von Flüssigkeit / Flüssigkeit.
Feststoff / Feststoffpartikelfluss
Sowohl Strömungsteilung als auch radiale Mischmechanismen sind für das Mischen frei fließender Partikel von grundlegender Bedeutung. Diese Klassifizierung ist jedoch aufgrund der großen Anzahl von Parametern, die den Durchfluss und die Gemischqualität beeinflussen, komplex und muss weiter untersucht werden.
