粘性化学加熱における PTFE 熱交換器チューブの選択を制限する圧力降下は何ですか?

設計制約となる圧力損失

粘度が 500 cP の粘性ポリマー溶液を 60 度で加熱する化学処理施設には、熱負荷が 40 kW の PTFE 熱交換器が必要です。流体は、15 m3/h の流量で熱交換器を通ってポンプで送られます。

予備設計では、壁厚 0.8 mm、流速 1.5 m/s の 9.5 mm チューブを選択します。この状態のレイノルズ数は約 28 であり、層流領域にあります。層流の摩擦係数は 64/Re=2.3、チューブの長さ 3 m にわたる圧力損失は約 85 kPa です。

圧力損失 85 kPa は、循環ポンプの許容限度である 50 kPa を超えています。圧力損失を減らすにはチューブの直径を大きくするか、流速を下げる必要があります。どちらの変化も熱伝達係数に影響します。

圧力損失のスケーリングの法則

チューブ内の圧力降下は、ダーシー-ワイスバッハの式: ΔP=f × (L/D) × (ρv²/2) で与えられます。ここで、f は摩擦係数、L はチューブの長さ、D はチューブの直径、ρ は流体密度、v は流速です。

層流 (Re < 2,300) の場合、摩擦係数は f=64/Re=64μ/(ρvD) です。ここで、μ は動粘度です。これをダーシー-ワイスバッハ方程式に代入すると、ΔP=32μLv/D² が得られます。

層流における圧力降下は、粘度、チューブの長さ、速度に比例し、チューブ直径の二乗に反比例します。チューブの直径を 2 倍にすると、一定速度での圧力降下が 4 分の 1 に減少します。

乱流 (Re > 4,000) の場合、摩擦係数はレイノルズ数と表面粗さに依存します。圧力降下は速度の 1.8 乗にほぼ比例し、チューブ直径の 1.2 乗に反比例します。

粘性流における熱伝達係数

層流における熱伝達係数は、Sieder-Tate の相関関係: Nu=1.86 × (Re × Pr × D/L)^(1/3) × (μ/μw)^0.14 で与えられます。ここで、Nu はヌッセルト数、Pr はプラントル数、μw は壁温度での粘度です。

プラントル数が 1,000 の粘性流体の場合、ヌッセルト数は約 5 ～ 10 で、これは 9.5 mm チューブの熱伝達係数 100 ～ 200 W/m²·K に相当します。熱伝達係数は、ヌッセルト数が通常 50 ～ 100 である乱流よりもはるかに低くなります。

粘性流における熱伝達係数が低いということは、熱負荷を達成するために大きな表面積が必要であることを意味します。表面積が大きいことと、圧力降下限界が相まって、チューブの選択が制約されます。

さまざまなチューブ直径の圧力降下の限界

次の表は、粘度 500 cP、流速 1.0 m/s の粘性流体におけるさまざまなチューブ直径の圧力損失と熱伝達係数をまとめたものです。

1 メートルあたりの圧力損失は、流体密度 1,100 kg/m3、速度 1.0 m/s で計算されます。熱伝達係数は、プラントル数 1,000 の Sieder-Tate 相関から計算されます。

圧力損失と熱伝達の間のトレードオフ-

圧力損失を最小限に抑えるチューブの直径は最大の直径ですが、最大の直径は熱伝達率も最も低くなります。最適な直径は、圧力降下限界と熱伝達要件の両方を満たす直径です。

熱負荷が 40 kW、粘度が 500 cP、圧力降下限界が 50 kPa の例の場合、チューブの選択は次のように進められます。

必要な熱伝達面積は全体の熱伝達係数によって異なり、プロセス側の膜係数によって支配されます。{0}}熱伝達率が 130 W/m²・K、温度差が 20 度の 12.7 mm チューブの場合、必要な面積は 15.4 m² です。チューブの長さ 3 m の圧力損失は 30 kPa で、これは 50 kPa の制限内です。

熱伝達率が 150 W/m²・K の 9.5 mm チューブの場合、必要な面積は 13.3 m² です。チューブの長さ 3 m の圧力損失は 54 kPa で、これは 50 kPa の制限を超えています。

12.7 mm チューブは、わずかに大きな表面積が必要ではありますが、圧力降下制限と熱伝達要件の両方を満たしているため、より良い選択です。

流速の影響

流速は、圧力損失と熱伝達率の両方に影響します。速度が高くなると熱伝達係数は増加しますが、圧力損失も増加します。

層流では、熱伝達係数は速度の 1/3 乗に比例し、圧力損失は速度に比例します。速度が 2 倍になると、熱伝達係数は 26% 増加しますが、圧力損失は 100% 増加します。

速度効果は、乱流よりも層流の方が有利ではありません。乱流では、熱伝達係数は速度の 0.8 乗に比例し、圧力損失は速度の 1.8 乗に比例します。速度を 2 倍にすると、熱伝達係数は 74% 増加しますが、圧力損失は 248% 増加します。

速度は、熱伝達要件と圧力降下限界のバランスをとるように選択する必要があります。粘性のあるサービスでは、0.5 ～ 1.5 m/s の速度が一般的です。

圧力損失を低減する設計機能

いくつかの設計上の特徴により、粘性のあるサービスでの圧力降下が軽減されます。

より大きなチューブ径。チューブの直径が大きくなると、圧力損失は減少しますが、熱伝達率も減少します。最適な直径により 2 つの効果のバランスが取れます。

チューブの長さが短くなります。チューブの長さを短くすると圧力損失は減少しますが、必要な表面積を得るにはより多くのチューブを並列に配置する必要があります。

複数のチューブが並行して通過します。流れを複数のチューブの並列パスに分割すると、各パスの速度と圧力降下が減少します。並列配置により熱伝達率も低下します。

強化されたチューブ表面。フィンまたは溝のあるチューブ表面は、圧力損失を比例的に増加させることなく、熱伝達係数を増加させます。強化された表面は粘性流において特に効果的です。

サービス側速度の向上-。サービス側の速度はサービス側の膜係数に影響しますが、プロセス側の圧力損失には影響しません。{{0}{1}サービス側の速度が高くなると、プロセス側の圧力損失を増加させることなく、全体の係数が向上します。-

粘性サービスのチューブ直径の比較

次の表は、熱負荷 40 kW、圧力降下制限 50 kPa の粘性化学加熱用途における、さまざまなチューブ直径の必要な表面積、圧力降下、5 年間の総コストをまとめたものです。-

5 年間の総コストは、チューブ直径 12.7 ～ 16 mm で最小限に抑えられます。- 9.5 mm チューブでは、圧力降下が制限を超え、より大型のポンプが必要となるため、ポンプコストが高くなります。 19 mm 以上のチューブでは資本コストが高くなりますが、ポンプコストの低下によって相殺されることはありません。

粘性化学加熱の仕様パラメータ

粘性化学加熱用の PTFE 熱交換器を指定する装置エンジニアは、サプライヤーに次のパラメータを確認する必要があります。

液体の粘度。使用温度および予想される範囲での粘度を指定します。

流量。設計流量と予想される範囲を指定します。

圧力降下限界。熱交換器全体の最大許容圧力損失を指定します。

熱負荷。熱負荷と予想される範囲を指定します。

チューブの直径。圧力降下の限界と熱伝達要件に基づいてチューブの直径を指定します。

流速。設計速度と予想される範囲を指定します。

チューブの表面。強化された表面チューブが必要かどうかを指定します。

ポンプの選択。ポンプ揚程と流量要件を指定します。

粘性流条件に合わせたチューブの選択

粘性化学加熱サービスにおける PTFE 熱交換器全体の圧力降下は、設計パラメータを制限するものです。圧力降下は粘度と速度に比例し、層流では管の直径の二乗に反比例します。熱伝達係数は速度の 1/3 乗に比例し、チューブの直径に反比例します。

チューブの選択では、圧力降下の限界と熱伝達の要件のバランスを取る必要があります。チューブの直径が大きくなると圧力損失は減少しますが、熱伝達率も減少するため、より大きな表面積が必要になります。最適な直径とは、耐用年数全体にわたる総所有コストを最小限に抑える直径です。

PTFE 熱交換器のオプションを評価する粘性化学加熱施設の場合、チューブの選択は、資本コスト、ポンピング エネルギー コスト、メンテナンス コストを含む総所有コストに基づいて行う必要があります。熱伝達のみに最適化されたチューブ直径では、過剰なポンピング エネルギーが発生するため、総コストが高くなる可能性があります。

粘性化学加熱やその他の高粘度サービス用の PTFE 熱交換器の仕様を評価する機器エンジニアや調達専門家は、流体の粘度、流量、圧力降下限界、熱負荷、チューブ直径、流速を対象とした設計レビューをリクエストして、ユニットが実際の流体特性や施設の運用コスト構造に適合していることを確認できます。{0}