Specijalno kemijsko postrojenje upravljalo je reaktorom koji je obrađivao otopinu polimera s viskoznošću od približno 15 000 mPa·s na radnoj temperaturi. Postojeći PTFE uronjeni grijač otkazao je nakon četiri mjeseca. Na omotaču se vidjela meka traka s mjehurićima duž donjeg grijanog dijela, a otpor izolacije pao je ispod 8 MΩ. Reaktor se nije miješao u konvencionalnom smislu-koristio je sporu mješalicu koja je lagano pokretala viskoznu tekućinu, ali nije stvarala turbulentno strujanje na plaštu grijača.
Viskozne tekućine bitno se razlikuju od kupki na bazi vode-po svom ponašanju prijenosa topline. Granični sloj na plaštu grijača je debeo i stabilan. Prirodna konvekcija je slaba. Toplina koju stvara grijač ne može učinkovito pobjeći, a temperatura omotača raste daleko iznad temperature tekućine.
Problem prijenosa topline u viskoznim fluidima
U viskoznoj tekućini koeficijent konvektivnog prijenosa topline je nizak. Za tekućinu s viskoznošću 100 puta većom od vode, koeficijent može biti 10-20% vrijednosti vode. Temperaturna razlika potrebna za prijenos određenog toplinskog toka je odgovarajuće veća.
Za PTFE uronjeni grijač koji radi na 1,0 W/cm² u viskoznoj tekućini, temperaturni jaz između omotača-i-zapremine može biti 40-60 stupnjeva. U vodenoj-kupelji pri istoj gustoći vata, razmak je 12–18 stupnjeva. Veći razmak znači da omotač radi na puno višoj temperaturi za istu temperaturu mase.
| Viskoznost tekućine | U odnosu na vodu | Konvektivni koeficijent | Plašt ΔT pri 1,0 W/cm² | Sigurna gustoća u vatima |
|---|---|---|---|---|
| Voda | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 stupnjeva | 1,5–2,0 W/cm² |
| Svijetlo ulje | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 stupnjeva | 1,0–1,3 W/cm² |
| Otopina polimera | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 stupnjeva | 0,6–0,9 W/cm² |
| Teški polimer | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 stupnjeva | 0,4–0,6 W/cm² |
Prijenos topline i sigurna gustoća vata za viskozne tekućine
Modifikacija grijača za viskoznu uslugu
Grijač se mora modificirati za siguran rad u viskoznoj tekućini. Preinake se odnose na tri faktora koji određuju temperaturu plašta: gustoću vata, površinu i protok.
Gustoća vata mora se smanjiti na siguran raspon za viskoznost tekućine. Za otopinu polimera sa 100 puta većom viskoznošću od vode, sigurna gustoća u vatima je 0,6–0,9 W/cm². To zahtijeva veću površinu za istu snagu.
Veća površina postiže se više{0}}prolaznom ili proširenom konfiguracijom. Grijač koji bi bio kompaktan snop u vodi postaje dugačak, raspoređeni element u viskoznoj tekućini.
Protok u ovojnici mora se poboljšati. Spora mješalica ne stvara protok na površini grijača. Namjenski eduktor ili mala recirkulacijska pumpa mogu usmjeriti protok preko omotača, smanjujući debljinu graničnog sloja i snižavajući temperaturu omotača.
| Izmjena | Učinak na temperaturu omotača | Provedba |
|---|---|---|
| Smanjite gustoću vata na 0,7 W/cm² | 15-25 stupnjeva niže | Veća površina |
| Povećajte površinu 2× | 10-15 stupnjeva niže | Konfiguracija-prolaza |
| Dodajte eduktor na omotač | 15-25 stupnjeva niže | Mala pumpa ili komprimirani zrak |
| Dodajte recirkulacijsku petlju | 20-30 stupnjeva niže | Pumpa i cjevovod |
Preinake za viskoznu upotrebu i njihov učinak na temperaturu plašta
Reactor Geometry Challenge
Kemijski reaktor često ima drugačiju geometriju od spremnika za oplatu. Reaktor može biti cilindričan s kupolastim vrhom i dnom, sa središnjom osovinom miješalice i pregradama. Dostupni prostor za grijač ograničen je na prstenasto područje između mješalice i stijenke posude.
Više{0}}grijač s velikom površinom možda neće stati u prstenasti prostor. Grijač mora biti dizajniran tako da prati zakrivljenost stijenke posude ili da stane u raspoloživi prostor bez ometanja miješalice.
| Tip reaktora | Dostupan prostor | Preporučena konfiguracija grijača |
|---|---|---|
| Cilindrični, mješalica | Prstenasti razmak | Zakrivljeni više{0}}prolaz |
| Cilindričan, bez miješalice | Puni volumen | Središnji više{0}}prolaz |
| Posuda s plaštom | Unutarnji prostor zavojnice | Zavojnica ili bajunet |
| Mali reaktor | ograničeno | Kompaktna niska-watt-gustoća |
Geometrija reaktora i konfiguracija grijača
Kada se standardni grijač ne može modificirati
Ako reaktor ne može primiti površinu potrebnu za nisku gustoću vata, mogućnosti su smanjiti snagu, prihvatiti kraći radni vijek ili koristiti alternativnu metodu grijanja. Vanjski izmjenjivač topline može biti prikladniji za viskoznu uslugu jer može pružiti veću površinu u manjem volumenu.
Kada je potrebna prilagođena konfiguracija
Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s niskom gustoćom u vatima, velikom površinom i povećanjem protoka dizajnirana je za rad u viskoznim reaktorima. Proces specifikacije zahtijeva viskoznost tekućine pri radnoj temperaturi, dimenzije reaktora, vrstu i brzinu miješalice, potrebnu snagu u vatima i zahtjev za ujednačenošću temperature.
