Development of static mixers for miscible fluids in laminar flow with the use of computational fluid dynamics (CFD)

• Published in: Canadian journal of chemical engineering 2011-08, Vol.89 (4), p.734-744
• Main Authors: Joaquim Jr, C. F., Reynol, A., Cekinski, E., Seckler, M. M., Nunhez, J. R.
• Format: Article
• Language: English
• Subjects: Applied sciences; Charge; Chemical engineering; Computational fluid dynamics; computational fluid dynamics (CFD); Computer simulation; Effectiveness; Elongation; Exact sciences and technology; Guidelines; Hydrodynamics of contact apparatus; Mixers; mixing; Pressure drop; static mixer
• ISSN: 0008-4034; 1939-019X; 1939-019X
• DOI: 10.1002/cjce.20521

Static mixers with improved performance were developed from CFD simulations in a stepwise approach. The relevant geometric features of simple mixer designs and the corresponding mixing mechanisms—laminar shear, elongational flow, and distributive mixing—were identified first. This information was used to formulate guidelines for the development of new geometries. The solid elements of the static mixer should: (a) provide restrictions to the flow; (b) deflect the flow; (c) be sequentially rotated around the flow direction to provide symmetry; (d) extend from the center of the pipe to the vicinity of the walls to avoid short‐circuiting; and (e) distribute and remix the flow. Based on these guidelines, two improved mixer designs were developed: the DS A–I mixer has a good mixing efficiency and an acceptable pressure drop; the Fins 35° mixer is more efficient and compact, but requires a larger pressure drop. Their performance indicates that their use is possible on industrial applications. Des mélangeurs statiques à rendement accru ont été créés à partir de simulations de dynamique numérique des fluides dans une approche progressive. Les caractéristiques géométriques pertinentes des conceptions de mélangeur uniques et les mécanismes de mélange correspondants—cisaillement d'un écoulement laminaire, écoulement élongationnel et mélange par distribution—ont été déterminés en premier. Ces renseignements ont été utilisés pour formuler des lignes directrices pour la création de nouvelles géométries. Les éléments solides du mélangeur statique doivent: (a) fournir des restrictions à l'écoulement; (b) détourner l'écoulement; (c) être tournés séquentiellement autour de la direction de l'écoulement dans le but de fournir une symétrie; (d) s'étendre du centre du tuyau à la proximité des parois pour éviter le court‐circuitage; et (e) distribuer et remélanger l'écoulement. Conformément à ces lignes directrices, deux conceptions de mélangeur améliorées ont été créées : le mélangeur DS A–I présente une bonne efficacité de mélange et une perte de charge acceptable; le mélangeur Fins 35o est plus efficace et compact, mais nécessite une perte de charge plus grande. Leur rendement indique que l'on peut les utiliser pour des applications industrielles. © 2011 Canadian Society for Chemical Engineering