Ένα εξειδικευμένο χημικό εργοστάσιο λειτουργούσε έναν αντιδραστήρα που επεξεργαζόταν ένα διάλυμα πολυμερούς με ιξώδες περίπου 15.000 mPa·s σε θερμοκρασία λειτουργίας. Ο υπάρχων θερμαντήρας εμβάπτισης PTFE είχε αποτύχει μετά από τέσσερις μήνες. Η θήκη έδειξε μια μαλακή ταινία με φουσκάλες κατά μήκος του κάτω θερμαινόμενου τμήματος και η αντίσταση μόνωσης είχε πέσει κάτω από τα 8 MΩ. Ο αντιδραστήρας δεν αναδεύτηκε με τη συμβατική έννοια-χρησιμοποιούσε έναν αργό αναδευτήρα με πτερύγια που κινούσε απαλά το παχύρρευστο ρευστό αλλά δεν δημιουργούσε τυρβώδη ροή στο περίβλημα του θερμαντήρα.
Τα παχύρρευστα υγρά διαφέρουν θεμελιωδώς από τα λουτρά με βάση το νερό- όσον αφορά τη συμπεριφορά μεταφοράς θερμότητας. Το οριακό στρώμα στο περίβλημα του θερμαντήρα είναι παχύ και σταθερό. Η φυσική συναγωγή είναι αδύναμη. Η θερμότητα που παράγεται από τον θερμαντήρα δεν μπορεί να διαφύγει αποτελεσματικά και η θερμοκρασία του περιβλήματος αυξάνεται πολύ πάνω από τη θερμοκρασία του υγρού όγκου.
Το πρόβλημα της μεταφοράς θερμότητας στα παχύρρευστα υγρά
Σε ένα παχύρρευστο ρευστό, ο συντελεστής μεταφοράς θερμότητας είναι χαμηλός. Για ένα ρευστό με ιξώδες 100 φορές μεγαλύτερο από αυτό του νερού, ο συντελεστής μπορεί να είναι 10–20% της τιμής του νερού. Η διαφορά θερμοκρασίας που απαιτείται για τη μεταφορά μιας δεδομένης ροής θερμότητας είναι αντίστοιχα μεγαλύτερη.
Για έναν θερμαντήρα εμβάπτισης από PTFE που λειτουργεί με 1,0 W/cm² σε ένα παχύρρευστο ρευστό, το διάκενο θερμοκρασίας του περιβλήματος-στο-του όγκου μπορεί να είναι 40–60 μοίρες. Σε ένα λουτρό-με βάση το νερό με την ίδια πυκνότητα watt, το κενό είναι 12–18 μοίρες. Το μεγαλύτερο διάκενο σημαίνει ότι το περίβλημα λειτουργεί σε πολύ υψηλότερη θερμοκρασία για την ίδια θερμοκρασία όγκου.
| Ρευστό ιξώδες | Σε σχέση με το νερό | Συναγωγικός Συντελεστής | Θήκη ΔT σε 1,0 W/cm² | Ασφαλής πυκνότητα Watt |
|---|---|---|---|---|
| Νερό | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 βαθμοί | 1,5–2,0 W/cm² |
| Ελαφρύ λάδι | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 μοίρες | 1,0–1,3 W/cm² |
| Διάλυμα πολυμερούς | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 μοίρες | 0,6–0,9 W/cm² |
| Βαρύ πολυμερές | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 μοίρες | 0,4–0,6 W/cm² |
Μεταφορά θερμότητας και ασφαλής πυκνότητα watt για παχύρρευστα υγρά
Τροποποίηση του θερμαντήρα για παχύρρευστο σέρβις
Ο θερμαντήρας πρέπει να τροποποιηθεί για να λειτουργεί με ασφάλεια στο παχύρρευστο ρευστό. Οι τροποποιήσεις αφορούν τους τρεις παράγοντες που καθορίζουν τη θερμοκρασία του περιβλήματος: πυκνότητα watt, επιφάνεια και ροή.
Η πυκνότητα watt πρέπει να μειωθεί στο ασφαλές εύρος για το ιξώδες του υγρού. Για διάλυμα πολυμερούς με ιξώδες 100 φορές μεγαλύτερο από το νερό, η ασφαλής πυκνότητα watt είναι 0,6–0,9 W/cm². Αυτό απαιτεί μεγαλύτερη επιφάνεια για την ίδια ισχύ.
Μεγαλύτερη επιφάνεια επιτυγχάνεται μέσω διαμόρφωσης πολλαπλών-περασμάτων ή εκτεταμένων παραμέτρων. Ένας θερμαντήρας που θα ήταν μια συμπαγής δέσμη νερού γίνεται ένα μακρύ, κατανεμημένο στοιχείο στο παχύρρευστο ρευστό.
Η ροή στο περίβλημα πρέπει να βελτιωθεί. Ένας αργός αναδευτήρας με κουπιά δεν δημιουργεί ροή στην επιφάνεια του θερμαντήρα. Ένας ειδικός εξαγωγέας ή μια μικρή αντλία ανακυκλοφορίας μπορεί να κατευθύνει τη ροή κατά μήκος της θήκης, μειώνοντας το πάχος του οριακού στρώματος και μειώνοντας τη θερμοκρασία του περιβλήματος.
| Τροποποίηση | Επίδραση στη θερμοκρασία του περιβλήματος | Εκτέλεση |
|---|---|---|
| Μειώστε την πυκνότητα watt στα 0,7 W/cm² | 15–25 βαθμούς χαμηλότερη | Περισσότερη επιφάνεια |
| Αυξήστε την επιφάνεια 2× | 10–15 βαθμούς χαμηλότερη | Διαμόρφωση πολλαπλών-πασών |
| Προσθέστε εξαγωγέα στο περίβλημα | 15–25 βαθμούς χαμηλότερη | Μικρή αντλία ή πεπιεσμένος αέρας |
| Προσθήκη βρόχου ανακυκλοφορίας | 20-30 βαθμούς χαμηλότερη | Αντλία και σωληνώσεις |
Τροποποιήσεις για το ιξώδες σέρβις και η επίδρασή τους στη θερμοκρασία του περιβλήματος
The Reactor Geometry Challenge
Ένας χημικός αντιδραστήρας έχει συχνά διαφορετική γεωμετρία από μια δεξαμενή επιμετάλλωσης. Ο αντιδραστήρας μπορεί να είναι κυλινδρικός με θολωτό άνω και κάτω μέρος, με κεντρικό άξονα αναδευτήρα και διαφράγματα. Ο διαθέσιμος χώρος για έναν θερμαντήρα περιορίζεται στη δακτυλιοειδή περιοχή μεταξύ του αναδευτήρα και του τοιχώματος του αγγείου.
Ένας θερμαντήρας πολλαπλών-πατάσεων με μεγάλη επιφάνεια ενδέχεται να μην χωράει στον δακτυλιοειδές χώρο. Ο θερμαντήρας πρέπει να είναι σχεδιασμένος ώστε να ακολουθεί την καμπυλότητα του τοιχώματος του αγγείου ή να ταιριάζει στον διαθέσιμο χώρο χωρίς να παρεμβαίνει στον αναδευτήρα.
| Τύπος αντιδραστήρα | Διαθέσιμος χώρος | Συνιστώμενη διαμόρφωση θερμαντήρα |
|---|---|---|
| Κυλινδρικός, αναδευτήρας | Δακτυλιοειδές διάκενο | Καμπυλωτό πολλαπλό-πάσο |
| Κυλινδρικό, χωρίς αναδευτήρα | Πλήρης ένταση | Κεντρικό πάσο πολλαπλών- |
| Σκάφος με τζάκετ | Εσωτερικός χώρος πηνίου | Πηνίο ή ξιφολόγχη |
| Μικρός αντιδραστήρας | Περιωρισμένος | Συμπαγής χαμηλή-watt-πυκνότητα |
Γεωμετρία αντιδραστήρα και διαμόρφωση θερμαντήρα
Όταν ένας τυπικός θερμαντήρας δεν μπορεί να τροποποιηθεί
Εάν ο αντιδραστήρας δεν μπορεί να χωρέσει την επιφάνεια που απαιτείται για χαμηλή πυκνότητα watt, οι επιλογές είναι να μειώσετε την ισχύ, να αποδεχτείτε μικρότερη διάρκεια ζωής ή να χρησιμοποιήσετε μια εναλλακτική μέθοδο θέρμανσης. Ένας εξωτερικός εναλλάκτης θερμότητας μπορεί να είναι πιο κατάλληλος για ιξώδη συντήρηση, επειδή μπορεί να παρέχει μεγαλύτερη επιφάνεια σε μικρότερο όγκο.
Όταν απαιτείται προσαρμοσμένη διαμόρφωση
Μια προσαρμοσμένη διαμόρφωση θερμαντήρα εμβάπτισης PTFE με χαμηλή πυκνότητα watt, μεγάλη επιφάνεια και αύξηση ροής έχει σχεδιαστεί για υπηρεσία ιξώδους αντιδραστήρα. Η διαδικασία προδιαγραφής απαιτεί το ιξώδες του ρευστού στη θερμοκρασία λειτουργίας, τις διαστάσεις του αντιδραστήρα, τον τύπο και την ταχύτητα του αναδευτήρα, την απαιτούμενη ισχύ και την απαίτηση ομοιομορφίας θερμοκρασίας.
