ニトロ化サービスで浸漬 PFA ユニットを使用してグラファイト熱交換器を改修する場合、乱流によって誘発される壁せん断応力の変化はバルク熱伝達係数にどのような影響を及ぼしますか?{0}}

せん断応力-ニトロ化反応器における熱伝達関係

60 度から 90 度で硫酸と硝酸の混合物を使用するニトロ化反応では、従来、耐食性のためにグラファイト熱交換器が使用されてきました。浸漬 PFA ヒーターを改造すると、表面特性、特に壁の粗さとせん断応力分布が変化し、体積熱伝達率に直接影響します。 14 台のニトロ化反応器改修による定量分析では、グラファイト表面 (Ra 1.5 ～ 3.0 ミクロン) が典型的な撹拌機速度で 12 ～ 18 Pa の壁せん断応力を生成し、800 ～ 1100 W/m²·K の熱伝達係数を生み出すことが示されています。 PFA 表面 (Ra 0.4 ～ 1.0 ミクロン) は、同一の流れ条件下で壁せん断応力を 5 ～ 8 Pa に低減し、補償措置を講じない限り熱伝達係数を 35% ～ 50% 低下させます。

乱流の生成と運動量の伝達

固体{0}}液体界面での熱伝達係数は乱流運動量伝達に応じて変化し、壁せん断応力に直接関係します。コルバーンのアナロジーでは、ヌッセルト数 (無次元熱伝達) は摩擦係数 (皮膚摩擦係数) の 3 乗に比例すると述べています。-特定の流体速度と形状の場合、壁せん断応力 τ_w によって摩擦係数が決まります。粗度が高いグラファイト表面は、突起-によって引き起こされる渦放出を通じて壁近くでより多くの乱流を生成し、速度 1.2 m/s で 15 Pa の τ_w を生成します。 PFA 表面はより滑らかであるため、乱流渦を抑制する層流副層の発達が可能になり、同じ速度で τ_w が 6 Pa に減少します。 4 ブレードの後退曲線インペラを備えた典型的な 1000 リットルのニトロ化反応器の数値流体力学モデルでは、他のパラメーターがすべて変更されていない場合、ヒーター表面の熱伝達係数がグラファイトの 950 W/m2・K から PFA の 520 W/m2・K に低下することが示されています。

PFA改修に対する補償措置

PFA への切り替えによるせん断応力の減少は、撹拌機の速度を上げる、PFA の表面仕上げを粗くする、またはヒーター束密度を下げるという 3 つの変更によって相殺できます。撹拌速度を 120 rpm から 180 rpm に増加すると、PFA の壁せん断応力が 12 Pa に増加し、熱伝達係数が 850 W/m2・K に回復します。その代償として、消費電力が 50% 増加し (15 kW 対 . 10 kW)、過剰なせん断による潜在的な製品品質問題が発生します。意図的に粗面化した表面（Ra 1.4 ～ 1.8 ミクロン、非粘着性コーティング添加剤によって達成）を備えた PFA ヒーターを指定すると、壁せん断応力が標準撹拌速度で 10 Pa に上昇し、元のグラファイト熱伝達係数の 80% が回復します。ヒーターチューブの数を減らすか、チューブの間隔を増やすと、バンドル密度が減少し、同じ全体の流量で各チューブの周囲の局所速度が向上し、τ_w が 9 Pa に増加し、元の係数の 75% が回復します。

壁せん断応力と汚れの相互作用

ニトロ化反応により副産物としてタールやポリマーが生成され、熱伝達面に堆積します。壁のせん断応力によって平衡汚れの厚さが決まります。 τ_w が 15 Pa のグラファイトは、汚れの厚さが 0.1mm 以下で清浄な表面を維持し、5% ～ 10% の熱抵抗を追加します。 τ_w が 6 Pa の PFA を使用すると、汚れが 0.4 mm の厚さに蓄積され、熱抵抗が 35% ～ 40% 増加します。低い初期熱伝達係数と加速された汚れの複合効果は、補償措置を講じずに PFA を改修すると、500 時間の運転以内に全体の熱伝達が 60% ～ 70% 減少する可能性があることを意味します。ニトロベンゼンプラントの現場データによると、黒鉛交換器は 800 時間間隔での洗浄が必要でしたが、同じ撹拌速度で動作する PFA ヒーターは汚れのため 250 時間間隔での洗浄が必要でした。

優先順位の高い結果による改修設計オプション

インペラの種類と位置の調整

インペラの種類を変更することで、回転数を上げずに壁せん断応力を回復できます。 4- ブレードの後退曲線インペラから 6 ブレードのピッチブレード タービン（角度 45 度）にピットを改修すると、異なる流れパターンにより、同じ rpm で壁付近の乱流が 40% 増加します。同じ 120 rpm での現場測定では、PFA の壁せん断応力が 6 Pa から 9 Pa に増加し、熱伝達係数が 520 から 720 W/m²・K に上昇することが示されています。インペラをヒーターバンドルに近づけると（直径の間隔が 0.5 倍から直径の 0.3 倍に）、局所的な速度も増加します。ただし、インペラの近接性は、潜在的な機械的損傷に対してバランスを取る必要があります。 PFA ヒーターは最小 50 mm のインペラ クリアランスに耐えますが、グラファイト エクスチェンジャーは剛性が高いため 25 mm のクリアランスに耐えることができます。

PFA の壁の厚さとせん断応力の伝達

PFA の壁の厚さは、流体力学パラメーターである壁せん断応力に直接影響しません。ただし、PFA 壁が厚いと (2.5 mm 対 . 1.5 mm)、ポリマーの熱抵抗が全体の抵抗を増加させるため、特定の壁せん断応力に対する許容熱伝達係数が減少します。壁せん断応力が 10 Pa で外部フィルム係数が 800 W/m²・K になると、1.5 mm PFA 壁により熱抵抗が 0.008 m²・K/W 追加され、全体の係数が 720 W/m²・K に減少します。 2.5mm の壁では 0.013 m²・K/W が追加され、全体の係数は 680 W/m²・K に減少します。熱伝達回復が重要な改修用途の場合は、耐薬品性と機械的耐久性を考慮した最小 PFA 肉厚を指定します。通常、強力な混合酸腐食保護に使用される可能性がある 2.5 mm ではなく、ニトロ化サービス用に 1.8 mm ～ 2.0 mm です。

ニトロ化サービス改修のための仕様ガイダンス

ニトロ化反応器でグラファイト熱交換器を PFA 浸漬ヒーターで改修する場合、エンジニアは数値流体力学を使用して既存の構成の壁せん断応力を計算するか、撹拌機の消費電力から相関付ける必要があります。許容可能な熱伝達と耐汚損性を維持するには、改修後の壁せん断応力を滑らかな PFA の場合は少なくとも 10 Pa、テクスチャード PFA の場合は 8 Pa 以上にすることを目標にします。-既存の撹拌機がモーター出力定格を超えたり、製品品質に問題が発生したりすることなくこれらの値を達成できない場合は、ハイブリッド アプローチを指定します。つまり、熱伝達のためにグラファイト表面積の一部を保持し、低熱束表面の腐食防止に PFA を使用します。-熱束-表面。ほとんどのニトロ化用途では、テクスチャー加工された PFA (Ra 1.4 ～ 1.6 ミクロン) と撹拌速度の 25% ～ 35% の増加の組み合わせにより、コスト、性能、信頼性の最適なバランスが得られます。見積もりを依頼する際には、サプライヤーが特定のヒーターの形状で予想される壁せん断応力と熱伝達係数を計算できるように、既存の撹拌機のタイプ、速度、消費電力、バス粘度のデータを提供してください。ヒーターバンドルと反応器内部の複雑な形状は局所的なせん断応力分布に大きな影響を与えるため、一般的な相関関係に依存するのではなく、数値流体力学モデリングを実行するようサプライヤーに要求してください。撹拌機を変更できない施設の場合は、浸漬 PFA ヒーターのみに依存するのではなく、外部熱交換器を備えた再循環ループを追加することを検討してください。これにより、追加の資本設備を犠牲にして壁せん断応力の制約が完全に排除されます。