Een speciale chemische fabriek exploiteerde een reactor die een polymeeroplossing verwerkte met een viscositeit van ongeveer 15.000 mPa·s bij bedrijfstemperatuur. Het bestaande PTFE-dompelverwarmer was na vier maanden defect. De omhulling vertoonde een zachte, geblaaste band langs het onderste verwarmde gedeelte en de isolatieweerstand was onder de 8 MΩ gedaald. De reactor werd niet in de conventionele zin geroerd-er werd gebruik gemaakt van een langzame schoepenroerder die de stroperige vloeistof zachtjes in beweging bracht, maar geen turbulente stroming veroorzaakte bij de verwarmingsmantel.
Viskeuze vloeistoffen verschillen fundamenteel van baden op water- wat betreft hun warmteoverdrachtsgedrag. De grenslaag bij de verwarmingsmantel is dik en stabiel. Natuurlijke convectie is zwak. De door de verwarmer gegenereerde warmte kan niet efficiënt ontsnappen en de temperatuur van de mantel stijgt ver boven de temperatuur van de bulkvloeistof.
Het probleem van de warmteoverdracht in viskeuze vloeistoffen
In een viskeuze vloeistof is de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt laag. Voor een vloeistof met een viscositeit die 100 keer zo groot is als die van water, kan de coëfficiënt 10–20% van de waterwaarde bedragen. Het temperatuurverschil dat nodig is om een bepaalde warmteflux over te dragen is dienovereenkomstig groter.
Voor een PTFE-dompelverwarmer die werkt bij 1,0 W/cm² in een stroperige vloeistof, kan het temperatuurverschil tussen schede{1}} en -bulk 40-60 graden zijn. In een bad op water-met dezelfde wattdichtheid is de opening 12–18 graden. De grotere opening betekent dat de mantel op een veel hogere temperatuur werkt bij dezelfde bulktemperatuur.
| Vloeistofviscositeit | Ten opzichte van water | Convectieve coëfficiënt | Schede ΔT bij 1,0 W/cm² | Veilige wattdichtheid |
|---|---|---|---|---|
| Water | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 graden | 1,5–2,0 W/cm² |
| Lichte olie | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 graden | 1,0–1,3 W/cm² |
| Polymeer oplossing | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 graden | 0,6–0,9 W/cm² |
| Zwaar polymeer | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 graden | 0,4–0,6 W/cm² |
Warmteoverdracht en veilige wattdichtheid voor stroperige vloeistoffen
De verwarming aanpassen voor viskeuze toepassingen
De verwarmer moet worden aangepast om veilig in de stroperige vloeistof te kunnen werken. De wijzigingen hebben betrekking op de drie factoren die de manteltemperatuur bepalen: wattdichtheid, oppervlakte en stroom.
De wattdichtheid moet worden verlaagd tot het veilige bereik voor de vloeistofviscositeit. Voor een polymeeroplossing met 100 keer de viscositeit van water is de veilige wattdichtheid 0,6–0,9 W/cm². Dit vereist meer oppervlakte voor hetzelfde wattage.
Een groter oppervlak wordt bereikt via een meer-doorgang of uitgebreide configuratie. Een verwarmer die een compacte bundel in water zou zijn, wordt een lang, verdeeld element in de stroperige vloeistof.
De stroming bij de schede moet worden verbeterd. Een langzame schoepenroerder veroorzaakt geen stroming op het verwarmingsoppervlak. Een speciale eductor of een kleine recirculatiepomp kan de stroom door de mantel leiden, waardoor de dikte van de grenslaag wordt verminderd en de temperatuur van de mantel wordt verlaagd.
| Wijziging | Effect op de manteltemperatuur | Uitvoering |
|---|---|---|
| Verlaag de wattdichtheid tot 0,7 W/cm² | 15-25 graden lager | Meer oppervlakte |
| Vergroot de oppervlakte 2× | 10-15 graden lager | Multi--configuratie |
| Voeg een eductor toe aan de schede | 15-25 graden lager | Kleine pomp of perslucht |
| Recirculatielus toevoegen | 20-30 graden lager | Pomp en leidingen |
Modificaties voor viskeuze service en hun effect op de manteltemperatuur
De uitdaging van de reactorgeometrie
Een chemische reactor heeft vaak een andere geometrie dan een galvaniseertank. De reactor kan cilindrisch zijn met een koepelvormige boven- en onderkant, met een centrale roerschacht en schotten. De beschikbare ruimte voor een verwarmer is beperkt tot het ringvormige gebied tussen roerder en vatwand.
Een meer-verwarmer met een groot oppervlak past mogelijk niet in de ringvormige ruimte. De verwarmer moet zo zijn ontworpen dat hij de kromming van de vatwand volgt of in de beschikbare ruimte past zonder het roerwerk te hinderen.
| Reactortype | Beschikbare ruimte | Aanbevolen verwarmingsconfiguratie |
|---|---|---|
| Cilindrisch, roerwerk | Ringvormige opening | Gebogen multi-passage |
| Cilindrisch, geen roerwerk | Volledig volume | Centrale multi-pas |
| Bekleed vaartuig | Interne spoelruimte | Spoel of bajonet |
| Kleine reactor | Beperkt | Compacte lage-watt-dichtheid |
Reactorgeometrie en verwarmingsconfiguratie
Wanneer een standaardverwarmer niet kan worden aangepast
Als de reactor het benodigde oppervlak voor een lage wattdichtheid niet kan accommoderen, zijn er mogelijkheden om het wattage te verlagen, een kortere levensduur te accepteren of een alternatieve verwarmingsmethode te gebruiken. Een externe warmtewisselaar kan geschikter zijn voor viskeuze toepassingen, omdat deze meer oppervlakte in een kleiner volume kan bieden.
Wanneer een aangepaste configuratie vereist is
Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met een lage wattdichtheid, een groot oppervlak en stroomvergroting is ontworpen voor gebruik in viskeuze reactoren. Het specificatieproces vereist de vloeistofviscositeit bij bedrijfstemperatuur, de afmetingen van de reactor, het roerdertype en de snelheid, het vereiste wattage en de vereiste temperatuuruniformiteit.
