Un impianto chimico specializzato gestiva un reattore che trattava una soluzione polimerica con una viscosità di circa 15.000 mPa·s alla temperatura operativa. Il riscaldatore a immersione in PTFE esistente si era guastato dopo quattro mesi. La guaina mostrava una fascia morbida e con bolle lungo la sezione inferiore riscaldata e la resistenza di isolamento era scesa al di sotto di 8 MΩ. Il reattore non è stato agitato nel senso convenzionale- ma utilizzava un agitatore a pale lento che spostava delicatamente il fluido viscoso ma non creava un flusso turbolento sulla guaina del riscaldatore.
I fluidi viscosi sono fondamentalmente diversi dai bagni a base d'acqua-per quanto riguarda il comportamento di trasferimento del calore. Lo strato limite sulla guaina del riscaldatore è spesso e stabile. La convezione naturale è debole. Il calore generato dal riscaldatore non può fuoriuscire in modo efficiente e la temperatura della guaina aumenta molto al di sopra della temperatura del fluido sfuso.
Il problema del trasferimento di calore nei fluidi viscosi
In un fluido viscoso, il coefficiente di scambio termico convettivo è basso. Per un fluido con viscosità 100 volte quella dell'acqua, il coefficiente può essere pari al 10–20% del valore dell'acqua. La differenza di temperatura necessaria per trasferire un dato flusso di calore è corrispondentemente maggiore.
Per un riscaldatore a immersione in PTFE che funziona a 1,0 W/cm² in un fluido viscoso, il divario di temperatura tra la guaina-e-la massa può essere di 40–60 gradi. In un bagno a base d'acqua-alla stessa densità di watt, il divario è di 12–18 gradi. Il divario più elevato significa che la guaina funziona a una temperatura molto più elevata per la stessa temperatura complessiva.
| Viscosità del fluido | Relativo all'acqua | Coefficiente convettivo | ΔT della guaina a 1,0 W/cm² | Densità di Watt sicura |
|---|---|---|---|---|
| Acqua | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 gradi | 1,5–2,0 W/cm² |
| Olio leggero | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 gradi | 1,0–1,3 W/cm² |
| Soluzione polimerica | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 gradi | 0,6–0,9 W/cm² |
| Polimero pesante | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 gradi | 0,4–0,6 W/cm² |
Trasferimento di calore e densità di watt sicura per fluidi viscosi
Modifica del riscaldatore per il servizio viscoso
Il riscaldatore deve essere modificato per funzionare in sicurezza nel fluido viscoso. Le modifiche riguardano i tre fattori che determinano la temperatura della guaina: densità di watt, area superficiale e flusso.
La densità di watt deve essere ridotta all'intervallo sicuro per la viscosità del fluido. Per una soluzione polimerica con 100 volte la viscosità dell'acqua, la densità di watt sicura è 0,6–0,9 W/cm². Ciò richiede più superficie per la stessa potenza.
Una superficie più ampia si ottiene tramite una configurazione multi-passaggio o estesa. Un riscaldatore che sarebbe un fascio compatto nell'acqua diventa un elemento lungo e distribuito nel fluido viscoso.
Il flusso nella guaina deve essere migliorato. Un agitatore a pale lento non crea flusso sulla superficie del riscaldatore. Un eduttore dedicato o una piccola pompa di ricircolo possono dirigere il flusso attraverso la guaina, riducendo lo spessore dello strato limite e abbassando la temperatura della guaina.
| Modifica | Effetto sulla temperatura della guaina | Attuazione |
|---|---|---|
| Ridurre la densità di watt a 0,7 W/cm² | 15-25 gradi più in basso | Più superficie |
| Aumenta la superficie 2× | 10-15 gradi più in basso | Configurazione multi-passaggio |
| Aggiungere l'eduttore alla guaina | 15-25 gradi più in basso | Piccola pompa o aria compressa |
| Aggiungi circuito di ricircolo | 20-30 gradi più in basso | Pompa e tubazioni |
Modifiche per servizio viscoso e loro effetto sulla temperatura della guaina
La sfida della geometria del reattore
Un reattore chimico ha spesso una geometria diversa da una vasca galvanica. Il reattore può essere cilindrico con una cupola superiore e inferiore, con un albero agitatore centrale e deflettori. Lo spazio disponibile per un riscaldatore è limitato alla regione anulare tra l'agitatore e la parete del serbatoio.
Un riscaldatore multi-passo con un'ampia superficie potrebbe non adattarsi allo spazio anulare. Il riscaldatore deve essere progettato per seguire la curvatura della parete del serbatoio o per adattarsi allo spazio disponibile senza interferire con l'agitatore.
| Tipo di reattore | Spazio disponibile | Configurazione consigliata del riscaldatore |
|---|---|---|
| Cilindrico, agitatore | Spazio anulare | Multipassaggio curvo- |
| Cilindrico, senza agitatore | A tutto volume | Passaggio multiplo centrale- |
| Nave rivestita | Spazio interno della bobina | Bobina o baionetta |
| Piccolo reattore | Limitato | Densità compatta a bassa-watt- |
Geometria del reattore e configurazione del riscaldatore
Quando un riscaldatore standard non può essere modificato
Se il reattore non è in grado di ospitare la superficie necessaria per una bassa densità di watt, le opzioni sono ridurre la potenza, accettare una durata di servizio più breve o utilizzare un metodo di riscaldamento alternativo. Uno scambiatore di calore esterno può essere più adatto per il servizio viscoso perché può fornire una superficie maggiore in un volume più piccolo.
Quando è richiesta una configurazione personalizzata
Una configurazione personalizzata del riscaldatore a immersione in PTFE con bassa densità di watt, ampia superficie e aumento del flusso è progettata per il servizio con reattori viscosi. Il processo di specifica richiede la viscosità del fluido alla temperatura operativa, le dimensioni del reattore, il tipo e la velocità dell'agitatore, la potenza richiesta e il requisito di uniformità della temperatura.
