Una planta química operaba un tanque de proceso de 2500-litros que tenía 2200 mm de alto y 1200 mm de diámetro. Se montó verticalmente un calentador de inmersión de PTFE a lo largo de la pared del tanque. El calentador falló después de sólo siete meses de servicio, con ampollas concentradas en el tercio superior de la sección calentada. El tanque no tenía agitación mecánica; dependía de la convección natural para distribuir el calor. La estratificación térmica que se desarrolló en el tanque alto creó una capa caliente en la parte superior y una capa fría en la parte inferior, y la sección superior del calentador operó en la capa caliente.
La estratificación térmica ocurre cuando un fluido desarrolla capas estables de diferentes temperaturas. Las capas no se mezclan porque el fluido más cálido y menos denso permanece encima del fluido más frío y denso. En un tanque alto con circulación débil, la estratificación puede ser severa.
Por qué se estratifican los tanques altos
La estratificación está impulsada por la flotabilidad. Cuando un calentador de inmersión de PTFE calienta el fluido cerca de la pared del tanque, el fluido calentado se eleva. En un tanque corto, el fluido ascendente llega rápidamente a la superficie y se esparce, mezclándose con el resto. En un tanque alto, el fluido ascendente forma una capa estable en la parte superior. La capa se profundiza a medida que se acumula más líquido calentado.
La diferencia de temperatura entre las capas superior e inferior puede alcanzar entre 15 y 25 grados en un tanque alto sin agitación. La capa superior es más cálida y menos densa. La capa inferior es más fría y densa. La interfaz entre las capas es un límite estable que resiste la mezcla.
| Altura del tanque | Relación de altura-a-diámetro | Mezcla por convección natural | De arriba-a-abajo ΔT | Riesgo de estratificación |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Bien | 3 a 6 grados | Bajo |
| 1.000–1.500 milímetros | 1:1 a 1,5:1 | Moderado | 6 a 12 grados | Moderado |
| 1.500–2.000 milímetros | 1,5:1 a 2:1 | Pobre | 12 a 18 grados | Alto |
| >2.000 milímetros | >2:1 | Muy pobre | 18-25 grados | muy alto |
Altura del tanque y riesgo de estratificación en tanques de proceso
Por qué la estratificación acorta la vida útil del calentador de PTFE
El calentador funciona en un ambiente estratificado. La sección inferior del calentador se encuentra en el fluido más frío y denso. La sección superior está en el líquido más cálido y menos denso. La sección superior funciona a una temperatura más alta que la sección inferior.
La temperatura más alta acelera todos los mecanismos de degradación. La permeación, la oxidación y la deposición de incrustaciones aumentan con la temperatura. La sección superior del calentador se degrada más rápido que la sección inferior. Las ampollas se concentran en la parte superior.
La estratificación también reduce la fuerza impulsora para la transferencia de calor. El fluido en la parte superior del tanque ya está caliente, por lo que la diferencia de temperatura entre el calentador y el fluido es menor. El calentador debe funcionar a mayor temperatura para entregar el mismo calor, lo que acelera aún más la degradación.
Por qué la convección natural no puede superar la estratificación
La convección natural es impulsada por la diferencia de densidad entre el fluido calentado y el fluido más frío. En un tanque alto, la diferencia de densidad no es lo suficientemente grande como para superar la estratificación estable. El fluido calentado sube y permanece en la parte superior. No se mezcla con el líquido más frío que se encuentra debajo.
La estratificación se vuelve más estable a medida que aumenta la diferencia de temperatura. Una diferencia de 15 grados entre las capas superior e inferior crea una diferencia de densidad que resiste la mezcla. Las capas permanecen estables hasta que una agitación mecánica o una perturbación las rompe.
Prevención de la estratificación en tanques altos
La prevención más eficaz es la agitación mecánica. Una bomba de circulación, un eductor o un tubo de rociado pueden romper las capas estables y mezclar el tanque. La agitación debe ser suficiente para revertir el volumen del tanque en un tiempo razonable. Una tasa de rotación de 2 a 4 veces por hora es adecuada para la mayoría de los tanques de proceso.
Un calentador con una menor densidad de vatios reduce la diferencia de temperatura entre el calentador y el fluido. La temperatura de la superficie inferior reduce la estratificación impulsada por la flotabilidad-y ralentiza la degradación de la sección superior del calentador.
Múltiples calentadores distribuidos a diferentes alturas en el tanque proporcionan un calentamiento más uniforme y reducen el gradiente de temperatura. Los calentadores en la parte inferior calientan el fluido más frío y los calentadores en la parte superior mantienen el fluido más caliente. El resultado es un perfil de temperatura más uniforme.
| Medida de Prevención | Efecto sobre la estratificación | Implementación | Costo |
|---|---|---|---|
| agitación mecánica | Rompe capas | Bomba, eductor o rociador | Moderado |
| Menor densidad de vatios | Reduce la flotabilidad | Diseño de calentador | Moderado |
| Múltiples calentadores a diferentes alturas | Calentamiento uniforme | Diseño del calentador | Más alto |
| Aislamiento del tanque | Reduce la pérdida de calor | Aislamiento | Moderado |
Medidas de prevención de la estratificación térmica en tanques de proceso altos.
Cuando la estratificación indica un problema de diseño
Un tanque alto que se estratifica a pesar de la agitación mecánica indica que la agitación no alcanza el volumen total del tanque o que la disposición del calentador no se adapta a la geometría del tanque. Una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con múltiples calentadores a diferentes alturas, una menor densidad de vatios y un diseño de flujo-optimizado aborda la causa raíz de la estratificación. El proceso de especificación requiere las dimensiones del tanque, el método de agitación, el requisito de uniformidad de temperatura y la potencia requerida. Para instalaciones con tanques de proceso altos, este enfoque específico-de aplicación reduce la estratificación y extiende la vida útil del calentador.
