Una planta de productos químicos especializados operaba un reactor que procesaba una solución de polímero con una viscosidad de aproximadamente 15.000 mPa·s a temperatura de funcionamiento. El calentador de inmersión de PTFE existente había fallado después de cuatro meses. La funda mostraba una banda suave y ampollada a lo largo de la sección calentada inferior y la resistencia del aislamiento había caído por debajo de 8 MΩ. El reactor no se agitó en el sentido convencional-; utilizó un agitador de paletas lento que movía el fluido viscoso suavemente pero no creaba un flujo turbulento en la vaina del calentador.
Los fluidos viscosos se diferencian fundamentalmente de los baños-a base de agua en su comportamiento de transferencia de calor. La capa límite de la funda calefactora es gruesa y estable. La convección natural es débil. El calor generado por el calentador no puede escapar de manera eficiente y la temperatura de la funda se eleva muy por encima de la temperatura del fluido a granel.
El problema de la transferencia de calor en fluidos viscosos
En un fluido viscoso, el coeficiente de transferencia de calor por convección es bajo. Para un fluido con una viscosidad 100 veces mayor que la del agua, el coeficiente puede ser del 10 al 20% del valor del agua. La diferencia de temperatura necesaria para transferir un flujo de calor determinado es correspondientemente mayor.
Para un calentador de inmersión de PTFE que funciona a 1,0 W/cm² en un fluido viscoso, la diferencia entre la temperatura de la funda-y-la temperatura total puede ser de 40 a 60 grados. En un baño a base de agua-con la misma densidad de vatios, la brecha es de 12 a 18 grados. La brecha más alta significa que la funda opera a una temperatura mucho más alta para la misma temperatura general.
| Viscosidad del fluido | Relativo al agua | Coeficiente convectivo | Funda ΔT a 1,0 W/cm² | Densidad de vatios segura |
|---|---|---|---|---|
| Agua | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12 a 18 grados | 1,5–2,0 W/cm² |
| Aceite ligero | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 grados | 1,0–1,3 W/cm² |
| Solución polimérica | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 grados | 0,6–0,9 W/cm² |
| Polímero pesado | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 grados | 0,4–0,6 W/cm² |
Transferencia de calor y densidad de vatios segura para fluidos viscosos
Modificación del calentador para servicio viscoso
El calentador debe modificarse para que funcione de forma segura en el fluido viscoso. Las modificaciones abordan los tres factores que determinan la temperatura de la funda: densidad de vatios, área de superficie y flujo.
La densidad de vatios debe reducirse al rango seguro para la viscosidad del fluido. Para una solución de polímero con una viscosidad 100 veces mayor que la del agua, la densidad de vatios segura es de 0,6 a 0,9 W/cm². Esto requiere más superficie para la misma potencia.
Se logra una superficie más grande mediante una configuración extendida o de múltiples pasadas. Un calentador que sería un haz compacto en agua se convierte en un elemento largo y distribuido en el fluido viscoso.
Se debe mejorar el flujo en la vaina. Un agitador de paletas lento no crea flujo en la superficie del calentador. Un eductor dedicado o una pequeña bomba de recirculación pueden dirigir el flujo a través de la vaina, reduciendo el espesor de la capa límite y disminuyendo la temperatura de la vaina.
| Modificación | Efecto sobre la temperatura de la funda | Implementación |
|---|---|---|
| Reducir la densidad de vatios a 0,7 W/cm² | 15 a 25 grados más bajo | Más superficie |
| Aumentar la superficie 2× | 10 a 15 grados más bajo | Configuración de múltiples-pasos |
| Añadir eductor en la vaina | 15 a 25 grados más bajo | Bomba pequeña o aire comprimido. |
| Agregar circuito de recirculación | 20 a 30 grados más bajo | Bomba y tubería |
Modificaciones para servicio viscoso y su efecto sobre la temperatura de la vaina.
El desafío de la geometría del reactor
Un reactor químico suele tener una geometría diferente a la de un tanque de revestimiento. El reactor puede ser cilíndrico con una parte superior e inferior abovedadas, con un eje agitador central y deflectores. El espacio disponible para un calentador se limita a la zona anular entre el agitador y la pared del recipiente.
Es posible que un calentador de pasos múltiples con una superficie grande no quepa en el espacio anular. El calentador debe diseñarse para seguir la curvatura de la pared del recipiente o para caber en el espacio disponible sin interferir con el agitador.
| Tipo de reactor | Espacio disponible | Configuración recomendada del calentador |
|---|---|---|
| Cilíndrico, agitador | brecha anular | Multi-paso curvo |
| Cilíndrico, sin agitador | Volumen completo | Pase múltiple-central |
| Buque encamisado | Espacio interno de la bobina | Bobina o bayoneta |
| Pequeño reactor | Limitado | Densidad compacta de baja-vatios- |
Geometría del reactor y configuración del calentador.
Cuando no se puede modificar un calentador estándar
Si el reactor no puede acomodar el área de superficie requerida para una baja densidad de vatios, las opciones son reducir la potencia, aceptar una vida útil más corta o utilizar un método de calentamiento alternativo. Un intercambiador de calor externo puede ser más adecuado para servicios viscosos porque puede proporcionar más superficie en un volumen más pequeño.
Cuando se requiere una configuración personalizada
Se diseña una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con baja densidad de vatios, gran área de superficie y aumento de flujo para el servicio de reactor viscoso. El proceso de especificación requiere la viscosidad del fluido a la temperatura de funcionamiento, las dimensiones del reactor, el tipo y velocidad del agitador, la potencia requerida y el requisito de uniformidad de temperatura.
