На специализированном химическом заводе работал реактор, который обрабатывал раствор полимера с вязкостью около 15 000 мПа·с при рабочей температуре. Существующий погружной нагреватель из ПТФЭ вышел из строя через четыре месяца. На оболочке виднелась мягкая вздутая полоса вдоль нижней нагреваемой части, а сопротивление изоляции упало ниже 8 МОм. Реактор не перемешивался в обычном смысле слова-, в нем использовалась медленная лопастная мешалка, которая мягко перемещала вязкую жидкость, но не создавала турбулентного потока в оболочке нагревателя.
Вязкие жидкости принципиально отличаются от ванн на водной основе-по своим характеристикам теплопередачи. Пограничный слой на оболочке нагревателя толстый и стабильный. Естественная конвекция слабая. Тепло, выделяемое нагревателем, не может эффективно отводиться, и температура оболочки значительно превышает температуру объемной жидкости.
Проблема теплопередачи в вязких жидкостях.
В вязкой жидкости коэффициент конвективной теплоотдачи мал. Для жидкости, вязкость которой в 100 раз превышает вязкость воды, коэффициент может составлять 10–20% от значения воды. Разность температур, необходимая для передачи данного теплового потока, соответственно выше.
Для погружного нагревателя из ПТФЭ, работающего при мощности 1,0 Вт/см² в вязкой жидкости, температурный зазор между-оболочкой и-объемом может составлять 40–60 градусов. В ванне на водной- основе при той же плотности ватт разница составляет 12–18 градусов. Больший зазор означает, что оболочка работает при гораздо более высокой температуре при той же объемной температуре.
| Вязкость жидкости | Относительно воды | Конвективный коэффициент | ΔT оболочки при 1,0 Вт/см² | Безопасная плотность ватт |
|---|---|---|---|---|
| Вода | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 градусов | 1,5–2,0 Вт/см² |
| Легкая нефть | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 градусов | 1,0–1,3 Вт/см² |
| Полимерный раствор | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 градусов | 0,6–0,9 Вт/см² |
| Тяжелый полимер | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 градусов | 0,4–0,6 Вт/см² |
Теплопередача и безопасная плотность мощности для вязких жидкостей
Модификация нагревателя для работы с вязкими веществами
Нагреватель необходимо модифицировать для безопасной работы в вязкой жидкости. Изменения касаются трех факторов, определяющих температуру оболочки: плотность ватт, площадь поверхности и поток.
Плотность ватт должна быть уменьшена до безопасного диапазона для вязкости жидкости. Для раствора полимера, вязкость которого в 100 раз превышает вязкость воды, безопасная плотность ватт составляет 0,6–0,9 Вт/см². Это требует большей площади поверхности для той же мощности.
Большая площадь поверхности достигается за счет многопроходной или расширенной конфигурации. Нагреватель, который в воде представлял бы собой компактный узел, в вязкой жидкости становится длинным распределенным элементом.
Поток в оболочке должен быть улучшен. Медленная лопастная мешалка не создает поток на поверхности нагревателя. Специальный эдуктор или небольшой рециркуляционный насос могут направлять поток через оболочку, уменьшая толщину пограничного слоя и снижая температуру оболочки.
| Модификация | Влияние на температуру оболочки | Выполнение |
|---|---|---|
| Уменьшите плотность ватт до 0,7 Вт/см². | на 15–25 градусов ниже | Больше площади поверхности |
| Увеличить площадь поверхности в 2 раза | на 10–15 градусов ниже | Многопроходная-конфигурация |
| Добавьте эдуктор в оболочку | на 15–25 градусов ниже | Небольшой насос или сжатый воздух |
| Добавить контур рециркуляции | на 20–30 градусов ниже | Насос и трубопроводы |
Модификации для работы в вязких средах и их влияние на температуру оболочки.
Задача геометрии реактора
Химический реактор часто имеет другую геометрию, чем гальванический резервуар. Реактор может быть цилиндрическим с куполообразным верхом и низом, с центральным валом мешалки и перегородками. Доступное пространство для нагревателя ограничено кольцевой областью между мешалкой и стенкой резервуара.
Многоходовой-нагреватель с большой площадью поверхности может не поместиться в кольцевом пространстве. Нагреватель должен быть спроектирован так, чтобы повторять кривизну стенки сосуда или помещаться в доступное пространство, не мешая мешалке.
| Тип реактора | Доступное пространство | Рекомендуемая конфигурация нагревателя |
|---|---|---|
| Цилиндрический, мешалка | Кольцевой зазор | Изогнутый многопроходной-проход |
| Цилиндрический, без мешалки | Полный объем | Центральный многопроходной-проходной |
| Судно с рубашкой | Внутреннее пространство катушки | Катушка или штык |
| Малый реактор | Ограниченный | Компактный, низкая-ватт-плотность |
Геометрия реактора и конфигурация нагревателя
Когда стандартный обогреватель нельзя модифицировать
Если реактор не может вместить площадь поверхности, необходимую для низкой плотности мощности, можно уменьшить мощность, сократить срок службы или использовать альтернативный метод нагрева. Внешний теплообменник может быть более подходящим для работы с вязкими средами, поскольку он может обеспечить большую площадь поверхности в меньшем объеме.
Когда требуется пользовательская конфигурация
Специальная конфигурация погружного нагревателя из ПТФЭ с низкой удельной мощностью, большой площадью поверхности и увеличением потока предназначена для эксплуатации в вязкостных реакторах. Для процесса спецификации требуется вязкость жидкости при рабочей температуре, размеры реактора, тип и скорость мешалки, требуемая мощность и требования к однородности температуры.
