На спеціальному хімічному заводі працював реактор, який обробляв розчин полімеру з в’язкістю приблизно 15 000 мПа·с при робочій температурі. Існуючий занурювальний нагрівач з PTFE вийшов з ладу через чотири місяці. На оболонці була м’яка смуга з пухирями вздовж нижньої нагрітої секції, а опір ізоляції впав нижче 8 МОм. Реактор не перемішувався в традиційному розумінні-в ньому використовувалася повільна лопатева мішалка, яка м’яко переміщувала в’язку рідину, але не створювала турбулентного потоку в оболонці нагрівача.
В’язкі рідини принципово відрізняються від ванн на основі води-своєю тепловіддачею. Граничний шар на оболонці нагрівача товстий і стабільний. Природна конвекція слабка. Тепло, що виділяється нагрівачем, не може ефективно виходити, і температура оболонки підвищується набагато вище температури об’ємної рідини.
Проблема теплопередачі у в’язких рідинах
У в’язкій рідині коефіцієнт конвективної теплопередачі низький. Для рідини з в’язкістю, що в 100 разів перевищує в’язкість води, коефіцієнт може становити 10–20% значення води. Різниця температур, необхідна для передачі даного теплового потоку, відповідно, більша.
Для занурювального нагрівача з ПТФЕ, що працює при потужності 1,0 Вт/см² у в’язкій рідині, температурний зазор між оболонкою й об’ємом може становити 40–60 градусів. У ванні-на водяній основі з тією самою щільністю ват зазор становить 12–18 градусів. Більший зазор означає, що оболонка працює при набагато вищій температурі для тієї самої об’ємної температури.
| В'язкість рідини | Відносно Води | Конвективний коефіцієнт | ΔT оболонки при 1,0 Вт/см² | Безпечна щільність |
|---|---|---|---|---|
| вода | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 градусів | 1,5–2,0 Вт/см² |
| Світле масло | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 градусів | 1,0–1,3 Вт/см² |
| Полімерний розчин | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 градусів | 0,6–0,9 Вт/см² |
| Важкий полімер | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 градусів | 0,4–0,6 Вт/см² |
Теплопередача та безпечна щільність ват для в’язких рідин
Модифікація нагрівача для в'язкої роботи
Нагрівач необхідно модифікувати для безпечної роботи у в’язкій рідині. Модифікації стосуються трьох факторів, які визначають температуру оболонки: щільність ват, площа поверхні та потік.
Щільність ват необхідно зменшити до безпечного діапазону для в’язкості рідини. Для розчину полімеру з в’язкістю, що в 100 разів перевищує в’язкість води, безпечна щільність у Ваттах становить 0,6–0,9 Вт/см². Це вимагає більшої площі для тієї ж потужності.
Більша площа поверхні досягається завдяки багатопрохідній або розширеній конфігурації. Нагрівач, який був би компактним пучком у воді, стає довгим, розподіленим елементом у в’язкій рідині.
Необхідно покращити потік в оболонці. Повільна лопатева мішалка не створює потоку на поверхні нагрівача. Спеціальний едуктор або невеликий рециркуляційний насос може направляти потік через оболонку, зменшуючи товщину граничного шару та знижуючи температуру оболонки.
| Модифікація | Вплив на температуру оболонки | Реалізація |
|---|---|---|
| Зменшіть щільність до 0,7 Вт/см² | 15-25 градусів нижче | Більша площа поверхні |
| Збільшити площу поверхні вдвічі | на 10-15 градусів нижче | Багато{0}}конфігурація |
| Додайте едуктор до оболонки | 15-25 градусів нижче | Невеликий насос або стиснене повітря |
| Додати контур рециркуляції | на 20-30 градусів нижче | Насос і трубопроводи |
Модифікації для в'язкої роботи та їх вплив на температуру оболонки
Виклик геометрії реактора
Хімічний реактор часто має іншу геометрію, ніж резервуар для покриття. Реактор може бути циліндричним з куполоподібною верхньою і нижньою сторонами, з центральним валом мішалки і перегородками. Доступний простір для нагрівача обмежений кільцевою областю між мішалкою та стінкою посудини.
Багато{0}}нагрівач із великою площею поверхні може не поміститися в кільцевий простір. Нагрівач має бути сконструйований таким чином, щоб відповідати кривизні стінки посудини або розміщуватися у доступному просторі, не заважаючи роботі мішалки.
| Тип реактора | Доступна площа | Рекомендована конфігурація нагрівача |
|---|---|---|
| Циліндрична, мішалка | Кільцевий зазор | Вигнутий багатопрохідний- |
| Циліндрична, без мішалки | Повний обсяг | Центральний багато-прохід |
| Судно з кожухом | Внутрішній змійовий простір | Котушка або багнет |
| Малий реактор | Обмежений | Компактна низька-ват-щільність |
Геометрія реактора та конфігурація нагрівача
Коли стандартний обігрівач не можна змінити
Якщо реактор не може вмістити площу поверхні, необхідну для низької щільності ват, можливі варіанти: зменшити потужність, прийняти менший термін служби або використати альтернативний метод нагрівання. Зовнішній теплообмінник може бути більш придатним для в’язкої роботи, оскільки він може забезпечити більшу площу поверхні при меншому об’ємі.
Коли потрібна індивідуальна конфігурація
Спеціальна конфігурація занурювального нагрівача з ПТФЕ з низькою щільністю ват, великою площею поверхні та збільшенням потоку розроблена для обслуговування в’язких реакторів. Процес специфікації вимагає в’язкості рідини при робочій температурі, розмірів реактора, типу та швидкості мішалки, необхідної потужності та вимоги до однорідності температури.
