Posebno kemijsko postrojenje bilo je potrebno za zagrijavanje otopine polimera s viskoznošću od približno 20 000 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 10 MΩ. Grijač je specificiran na 1,2 W/cm², što je bilo prikladno za vodu, ali previše agresivno za otopinu viskoznog polimera.
Tekućine visoke viskoznosti predstavljaju temeljni izazov za prijenos topline. Debeli toplinski granični sloj na površini grijača zadržava toplinu, a temperatura površine grijača raste daleko iznad temperature tekućine. Sigurna gustoća vata pada proporcionalno s viskoznošću. Konfiguracija grijača mora biti projektirana da osigura potrebnu površinu pri niskoj gustoći vata, a protok na površini grijača mora se održavati kako bi se smanjila debljina graničnog sloja.
Problem prijenosa topline u fluidima visoke viskoznosti
U tekućini s viskoznošću 100 puta većom od vode, koeficijent konvektivnog prijenosa topline iznosi 10–20% vrijednosti vode. Temperaturna razlika potrebna za prijenos određenog toplinskog toka je odgovarajuće veća. Za grijač koji radi na 1,0 W/cm² u tekućini viskoznosti 100×, površinski-to-temperaturni jaz može biti 40-60 stupnjeva.
Visoka površinska temperatura ubrzava degradaciju PTFE-a. Polimer omekšava, gubi dimenzijsku stabilnost i postaje propusniji. Grijač ne radi izvana prema unutra.
| Viskoznost tekućine | U odnosu na vodu | Konvektivni koeficijent | Površinski 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 |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 stupnjeva | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 stupnjeva | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 stupnjeva | 0,4–0,6 W/cm² |
Prijenos topline i sigurna gustoća vata za tekućine visoke viskoznosti
Multi{0}}konfiguracija prolaza
Konfiguracija s više-prolaza raspoređuje površinu grijanja preko veće površine, smanjujući gustoću vata po jedinici površine. Prolazi su raspoređeni tako da maksimiziraju površinu unutar raspoloživog volumena posude i da omoguće protok između njih.
Za rad od 6 kW pri 0,7 W/cm², potrebna površina je 8,571 cm². Više{5}}grijač s promjerom plašta od 50 mm i osam prolaza od po 700 mm daje približno 8796 cm²-dovoljno za rad. Prolazi su razmaknuti 40-50 mm kako bi se omogućio protok između njih.
| Snaga | Sigurna gustoća u vatima | Potrebna površina | Prolazi na omotaču od 50 mm | Duljina prolaza | Pass Spacing |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 0,7 W/cm² | 4 286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4 kW | 0,7 W/cm² | 5714 cm² | 5 | 700 mm | 40 mm |
| 5 kW | 0,7 W/cm² | 7,143 cm² | 7 | 700 mm | 45 mm |
| 6 kW | 0,7 W/cm² | 8,571 cm² | 8 | 700 mm | 45 mm |
| 8 kW | 0,7 W/cm² | 11 429 cm² | 10 | 700 mm | 50 mm |
Više{0}}konfiguracije za polimerne otopine visoke viskoznosti
Povećanje protoka za viskozne tekućine
Konfiguracija s više{0}}prolaza sama po sebi nije dovoljna u viskoznoj tekućini. Protok na površini grijača mora se održavati kako bi se smanjila debljina graničnog sloja. Namjenski eduktor ili mala recirkulacijska pumpa mogu usmjeriti protok preko prolaza.
Lokalna brzina od 0,3–0,5 m/s dovoljna je za smanjenje debljine graničnog sloja i snižavanje površinske temperature za 15–25 stupnjeva. Protok ne mora biti jak-mora biti usmjeren na površinu grijača.
| Metoda povećanja protoka | Lokalna brzina | Smanjenje površine ΔT | Provedba |
|---|---|---|---|
| Eduktor na grijaču | 0.3–0.5 m/s | 15-25 stupnjeva | Mala pumpa ili komprimirani zrak |
| Recirkulacijska petlja | 0.4–0.6 m/s | 20-30 stupnjeva | Pumpa i cjevovod |
| Mehaničko miješanje | 0.2–0.4 m/s | 10-20 stupnjeva | Miješalica ili mješalica |
| Cijev za prskanje | 0.1–0.2 m/s | 8-15 stupnjeva | Komprimirani zrak |
Metode povećanja protoka za viskozne tekućine
Razmatranja geometrije reaktora
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.
Zakrivljena više{0}}prolazna konfiguracija koja prati stijenku posude povećava površinu unutar prstenastog prostora. Prolazi su raspoređeni u prstenu oko mješalice, s protočnim kanalima između njih.
Kada se standardni grijač ne može koristiti
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.
Prilagođena konfiguracija PTFE uronjenog grijača s više prolaza, niskom gustoćom u vatima i povećanjem protoka dizajnirana je za polimerne otopine visoke viskoznosti. Proces specifikacije zahtijeva viskoznost tekućine pri radnoj temperaturi, dimenzije posude, vrstu i brzinu miješalice, potrebnu snagu u vatima i zahtjev za ujednačenošću temperature.
