Una planta de productos químicos especializados necesitaba calentar una solución de polímero con una viscosidad de aproximadamente 20.000 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 10 MΩ. El calentador se había especificado en 1,2 W/cm², lo que era apropiado para agua pero demasiado agresivo para la solución viscosa de polímero.
Los fluidos de alta viscosidad presentan un desafío fundamental en la transferencia de calor. La gruesa capa límite térmica en la superficie del calentador atrapa el calor y la temperatura de la superficie del calentador aumenta muy por encima de la temperatura del fluido a granel. La densidad de vatios segura cae proporcionalmente con la viscosidad. La configuración del calentador debe diseñarse para proporcionar el área de superficie requerida a baja densidad de vatios, y el flujo en la superficie del calentador debe mantenerse para reducir el espesor de la capa límite.
El problema de la transferencia de calor en fluidos de alta viscosidad
En un fluido con una viscosidad 100 veces mayor que la del agua, el coeficiente de transferencia de calor por convección es 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 que funciona a 1,0 W/cm² en un fluido de viscosidad 100×, la diferencia entre la temperatura de la superficie-y-la temperatura total puede ser de 40 a 60 grados.
La alta temperatura de la superficie acelera la degradación del PTFE. El polímero se ablanda, pierde estabilidad dimensional y se vuelve más permeable. El calentador falla desde afuera hacia adentro.
| Viscosidad del fluido | Relativo al agua | Coeficiente convectivo | Superficie 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 |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 grados | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40-60 grados | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 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 de alta viscosidad
La configuración de pases múltiples-
Una configuración de múltiples-pasos distribuye la superficie de calentamiento en un área más grande, lo que reduce la densidad de vatios por unidad de área. Los pasos están dispuestos para maximizar el área de superficie dentro del volumen del recipiente disponible y permitir el flujo entre ellos.
Para un servicio de 6 kW a 0,7 W/cm², la superficie requerida es de 8.571 cm². Un calentador de pasos múltiples con un diámetro de vaina de 50 mm y ocho pasos de 700 mm cada uno proporciona aproximadamente 8796 cm²-suficientes para el trabajo. Los pases están espaciados entre 40 y 50 mm para permitir el flujo entre ellos.
| Potencia | Densidad de vatios segura | Área de superficie requerida | Pasa a 50 mm Vaina | Longitud del pase | Espaciado de pases |
|---|---|---|---|---|---|
| 3 kilovatios | 0,7 W/cm² | 4.286 cm² | 4 | 700 milímetros | 40mm |
| 4 kilovatios | 0,7 W/cm² | 5.714 cm² | 5 | 700 milímetros | 40mm |
| 5 kilovatios | 0,7 W/cm² | 7.143 cm² | 7 | 700 milímetros | 45mm |
| 6 kilovatios | 0,7 W/cm² | 8.571 cm² | 8 | 700 milímetros | 45mm |
| 8 kilovatios | 0,7 W/cm² | 11.429 cm² | 10 | 700 milímetros | 50mm |
Configuraciones de múltiples-pasos para soluciones de polímeros de alta viscosidad
Aumento de flujo para fluidos viscosos
Una configuración de múltiples-pasos por sí sola no es suficiente en un fluido viscoso. Se debe mantener el flujo en la superficie del calentador para reducir el espesor de la capa límite. Un eductor dedicado o una pequeña bomba de recirculación pueden dirigir el flujo a través de los pasos.
Una velocidad local de 0,3 a 0,5 m/s es suficiente para reducir el espesor de la capa límite y disminuir la temperatura de la superficie entre 15 y 25 grados. No es necesario que el flujo sea fuerte-debe dirigirse a la superficie del calentador.
| Método de aumento de flujo | Velocidad local | Reducción de ΔT de superficie | Implementación |
|---|---|---|---|
| Eductor en calentador | 0.3–0.5 m/s | 15-25 grados | Bomba pequeña o aire comprimido. |
| Bucle de recirculación | 0.4–0.6 m/s | 20-30 grados | Bomba y tubería |
| agitación mecánica | 0.2–0.4 m/s | 10-20 grados | Agitador o agitador |
| tubo de aspersión | 0.1–0.2 m/s | 8-15 grados | aire comprimido |
Métodos de aumento de flujo para fluidos viscosos.
Consideraciones sobre 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.
Una configuración curva de múltiples-pasos que sigue la pared del vaso maximiza el área de superficie dentro del espacio anular. Los pasos están dispuestos en un anillo alrededor del agitador, con canales de flujo entre ellos.
Cuando no se puede utilizar 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.
Una configuración personalizada de calentador de inmersión de PTFE con múltiples pasos, baja densidad de vatios y aumento de flujo está diseñada para soluciones de polímeros de alta viscosidad. El proceso de especificación requiere la viscosidad del fluido a la temperatura de funcionamiento, las dimensiones del recipiente, el tipo y la velocidad del agitador, la potencia requerida y el requisito de uniformidad de temperatura.
