粘性化学反応器用の PTFE 浸漬ヒーターを改造するにはどうすればよいですか?

特殊化学プラントでは、動作温度で粘度が約 15,000 mPa・s のポリマー溶液を処理する反応器を運転していました。既存の PTFE 浸漬ヒーターは 4 か月後に故障しました。シースの下部加熱部分に沿って柔らかい水ぶくれの帯が見られ、絶縁抵抗は 8 MΩ 未満に低下していました。反応器は従来の意味での撹拌は行われませんでした。-粘性流体を穏やかに移動させる低速パドル撹拌機を使用しましたが、ヒーター シースで乱流を生じさせませんでした。

粘性流体は、熱伝達挙動において水ベースの浴槽とは根本的に異なります。{0}ヒーターシースの境界層は厚く安定しています。自然対流が弱い。ヒーターによって発生した熱は効率的に逃げることができず、シースの温度はバルク流体の温度をはるかに超えて上昇します。

粘性流体における熱伝達の問題

粘性流体では、対流熱伝達係数が低くなります。水の 100 倍の粘度を持つ流体の場合、係数は水の値の 10 ～ 20% になることがあります。所定の熱流束を伝達するために必要な温度差は、それに応じてより大きくなります。

粘性流体中で 1.0 W/cm² で動作する PTFE 浸漬ヒーターの場合、シースとバルクの温度差は 40 ～ 60 度になる可能性があります。-同じワット密度の水ベースのバスでは、ギャップは 12 ～ 18 度になります。ギャップが大きいということは、同じバルク温度でもシースがより高い温度で動作することを意味します。

粘性流体の熱伝達と安全なワット密度

粘性サービス用のヒーターの変更

粘性流体中で安全に動作するようにヒーターを改造する必要があります。この変更は、シース温度を決定する 3 つの要素、つまりワット密度、表面積、および流量に対処します。

ワット密度は、流体の粘度の安全な範囲まで下げる必要があります。水の 100 倍の粘度を持つポリマー溶液の場合、安全なワット密度は 0.6 ～ 0.9 W/cm2 です。これには、同じワット数でもより多くの表面積が必要になります。

マルチパスまたは拡張構成により、より大きな表面積が実現されます。{0}水中ではコンパクトな束であるヒーターが、粘性流体中では長く分散した要素になります。

シースでの流れを改善する必要があります。低速パドルスターラーではヒーター表面に流れが生じません。専用のエダクターまたは小型の再循環ポンプを使用すると、シース全体に流れを導くことができ、境界層の厚さを減らし、シースの温度を下げることができます。

粘性サービスの変更とシース温度への影響

原子炉の形状への挑戦

化学反応器は、多くの場合、めっきタンクとは異なる形状を持っています。反応器は、上部と底部がドーム状で、中央に撹拌シャフトと邪魔板を備えた円筒形であってもよい。ヒーターに利用できるスペースは、撹拌機と容器壁の間の環状領域に限定されます。

表面積が大きいマルチパス ヒーターは、環状スペースに収まらない場合があります。-ヒーターは容器壁の曲率に従うか、撹拌機を妨げずに利用可能なスペースに収まるように設計する必要があります。

リアクターの形状とヒーターの構成

標準ヒーターが改造できない場合

リアクターが低ワット密度に必要な表面積を収容できない場合、選択肢はワット数を減らすか、より短い耐用年数を受け入れるか、または別の加熱方法を使用することです。外部熱交換器は、より小さな体積でより多くの表面積を提供できるため、粘性のあるサービスにはより適している可能性があります。

カスタム構成が必要な場合

低ワット密度、大きな表面積、および流量増加を備えたカスタム PTFE 浸漬ヒーター構成は、粘性反応器の使用向けに設計されています。仕様プロセスでは、動作温度での流体の粘度、反応器の寸法、撹拌機のタイプと速度、必要なワット数、および温度均一性の要件が必要です。