Een speciale chemische fabriek moest een polymeeroplossing met een viscositeit van ongeveer 20.000 mPa·s op bedrijfstemperatuur verwarmen. 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 10 MΩ gedaald. De verwarmer was gespecificeerd op 1,2 W/cm², wat geschikt was voor water, maar veel te agressief voor de stroperige polymeeroplossing.
Vloeistoffen met een hoge viscositeit vormen een fundamentele uitdaging op het gebied van warmteoverdracht. De dikke thermische grenslaag aan het verwarmingsoppervlak houdt de warmte vast en de temperatuur van het verwarmingsoppervlak stijgt ver boven de temperatuur van de bulkvloeistof. De veilige wattdichtheid neemt evenredig af met de viscositeit. De verwarmingsconfiguratie moet worden ontworpen om het vereiste oppervlak te bieden bij een lage wattdichtheid, en de stroming aan het verwarmingsoppervlak moet worden gehandhaafd om de dikte van de grenslaag te verminderen.
Het warmteoverdrachtsprobleem bij vloeistoffen met een hoge viscositeit
In een vloeistof met een viscositeit die 100 keer zo hoog is als die van water, bedraagt de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt 10-20% van de waterwaarde. Het temperatuurverschil dat nodig is om een bepaalde warmteflux over te dragen is dienovereenkomstig groter. Voor een verwarming die werkt op 1,0 W/cm² in een vloeistof met een viscositeit van 100×, kan het temperatuurverschil tussen oppervlak- en-bulk 40-60 graden bedragen.
De hoge oppervlaktetemperatuur versnelt de afbraak van PTFE. Het polymeer wordt zachter, verliest maatvastheid en wordt beter doorlaatbaar. De verwarming valt van buiten naar binnen uit.
| Vloeistofviscositeit | Ten opzichte van water | Convectieve coëfficiënt | Oppervlakte-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 |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 graden | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 graden | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60-90 graden | 0,4–0,6 W/cm² |
Warmteoverdracht en veilige wattdichtheid voor vloeistoffen met een hoge viscositeit
De Multi-Pass-configuratie
Een multi{0}}configuratie verdeelt het verwarmingsoppervlak over een groter gebied, waardoor de wattdichtheid per oppervlakte-eenheid wordt verminderd. De doorgangen zijn zo ingericht dat ze het oppervlak binnen het beschikbare vatvolume maximaliseren en stroming daartussen mogelijk maken.
Voor een vermogen van 6 kW bij 0,7 W/cm² bedraagt het benodigde oppervlak 8.571 cm². Een meer-verwarmer met een manteldiameter van 50 mm en acht doorgangen van elk 700 mm levert ongeveer 8.796 cm²-genoeg voor deze taak. De doorgangen bevinden zich op een afstand van 40-50 mm van elkaar om stroming ertussen mogelijk te maken.
| Vermogen | Veilige wattdichtheid | Vereiste oppervlakte | Passeert bij 50 mm schede | Paslengte | Pass-afstand |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kW | 0,7 W/cm² | 4.286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4 kW | 0,7 W/cm² | 5.714 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 |
Multi-configuraties voor polymeeroplossingen met hoge viscositeit
Flowvergroting voor viskeuze vloeistoffen
Een configuratie met meerdere- passages alleen is niet voldoende in een stroperige vloeistof. De stroming aan het verwarmingsoppervlak moet worden gehandhaafd om de dikte van de grenslaag te verminderen. Een speciale eductor of een kleine recirculatiepomp kan de stroom over de passages leiden.
Een lokale snelheid van 0,3–0,5 m/s is voldoende om de dikte van de grenslaag te verminderen en de oppervlaktetemperatuur met 15–25 graden te verlagen. De stroom hoeft niet sterk te zijn-maar moet op het verwarmingsoppervlak worden gericht.
| Flow-vergrotingsmethode | Lokale snelheid | Oppervlakte-ΔT-reductie | Uitvoering |
|---|---|---|---|
| Eductor bij verwarming | 0.3–0.5 m/s | 15–25 graden | Kleine pomp of perslucht |
| Recirculatielus | 0.4–0.6 m/s | 20-30 graden | Pomp en leidingen |
| Mechanische roering | 0.2–0.4 m/s | 10–20 graden | Roerder of roerder |
| Sparge pijp | 0.1–0.2 m/s | 8–15 graden | Gecomprimeerde lucht |
Stromingsvergrotingsmethoden voor stroperige vloeistoffen
Overwegingen bij 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 gebogen multi{0}}configuratie die de vaatwand volgt, maximaliseert het oppervlak binnen de ringvormige ruimte. De passages zijn in een ring rond het roerwerk aangebracht, met daartussen stromingskanalen.
Wanneer een standaardverwarming niet kan worden gebruikt
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.
Een op maat gemaakte PTFE-dompelverwarmerconfiguratie met meerdere doorgangen, lage wattdichtheid en stroomvergroting is ontworpen voor polymeeroplossingen met hoge viscositeit. Het specificatieproces vereist de vloeistofviscositeit bij bedrijfstemperatuur, de afmetingen van het vat, het roerdertype en de snelheid, het vereiste wattage en de vereiste temperatuuruniformiteit.
