한 화학 공장에서는 높이 2,200mm, 직경 1,200mm의 2,500{9}리터 처리 탱크를 운영했습니다. PTFE 침지 히터는 탱크 벽을 따라 수직으로 장착되었습니다. 히터는 사용 7개월 만에 고장이 났고 가열된 부분의 상단 1/3에 기포가 집중되었습니다. 탱크에는 기계적 교반이 없었으며 열을 분배하기 위해 자연 대류에 의존했습니다. Tall Tank에서 발생한 열성층화로 인해 상부에는 고온층, 하부에는 저온층이 형성되었으며, 히터 상부는 고온층에서 작동하였다.
열 성층화는 유체가 서로 다른 온도의 안정적인 층을 형성할 때 발생합니다. 따뜻하고 밀도가 낮은 유체가 차갑고 밀도가 높은 유체 위에 남아 있기 때문에 층이 혼합되지 않습니다. 순환이 약한 키가 큰 탱크에서는 층화가 심할 수 있습니다.
키가 큰 탱크가 층화되는 이유
층화는 부력에 의해 구동됩니다. PTFE 침지 히터가 탱크 벽 근처의 유체를 데우면 데워진 유체가 상승합니다. 짧은 탱크에서는 상승하는 유체가 표면에 빠르게 도달하여 확산되어 벌크와 혼합됩니다. 키가 큰 탱크에서는 상승하는 유체가 상단에 안정된 층을 형성합니다. 더 많은 가열된 유체가 축적되면 층이 깊어집니다.
교반이 없는 높은 탱크에서는 상단과 하단 레이어의 온도 차이가 15~25도에 이를 수 있습니다. 상층은 더 따뜻하고 밀도가 낮습니다. 아래층은 더 차갑고 밀도가 높습니다. 층 사이의 경계면은 혼합에 저항하는 안정적인 경계입니다.
| 탱크 높이 | 높이-대-직경 비율 | 자연 대류 혼합 | 상단-에서-하단까지 ΔT | 계층화 위험 |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | 좋은 | 3~6도 | 낮은 |
| 1,000~1,500mm | 1:1 ~ 1.5:1 | 보통의 | 6~12도 | 보통의 |
| 1,500~2,000mm | 1.5:1 ~ 2:1 | 가난한 | 12~18도 | 높은 |
| >2,000mm | >2:1 | 매우 나쁨 | 18~25도 | 매우 높음 |
공정 탱크의 탱크 높이 및 층화 위험
층화가 PTFE 히터 수명을 단축시키는 이유
히터는 층화된 환경에서 작동합니다. 히터의 하부 부분은 더 차갑고 밀도가 높은 유체에 있습니다. 위쪽 부분은 더 따뜻하고 밀도가 낮은 유체에 있습니다. 상단 부분은 하단 부분보다 더 높은 온도에서 작동합니다.
온도가 높을수록 모든 성능 저하 메커니즘이 가속화됩니다. 침투, 산화 및 스케일 침전은 모두 온도에 따라 증가합니다. 히터의 상부 부분은 하부 부분보다 더 빨리 열화됩니다. 물집이 위쪽에 집중됩니다.
층화는 또한 열 전달의 추진력을 감소시킵니다. 탱크 상단의 유체는 이미 따뜻하기 때문에 히터와 유체의 온도 차이가 더 작습니다. 동일한 열을 전달하려면 히터가 더 뜨거워져야 하므로 성능 저하가 더욱 가속화됩니다.
자연 대류가 성층화를 극복할 수 없는 이유
자연 대류는 가열된 유체와 냉각된 유체 사이의 밀도 차이에 의해 발생합니다. 키가 큰 탱크에서는 밀도 차이가 안정적인 레이어링을 극복할 만큼 크지 않습니다. 가열된 유체는 상승하여 상단에 유지됩니다. 아래의 더 차가운 유체와 섞이지 않습니다.
온도차가 커질수록 성층은 더욱 안정됩니다. 상단 레이어와 하단 레이어 사이의 15도 차이로 인해 혼합에 저항하는 밀도 차이가 발생합니다. 기계적 교반이나 방해로 인해 층이 파손될 때까지 층은 안정적인 상태를 유지합니다.
키가 큰 탱크의 성층화 방지
가장 효과적인 예방은 기계적 교반입니다. 순환 펌프, 이덕터 또는 살포 파이프는 안정된 층을 분해하고 탱크를 혼합할 수 있습니다. 적절한 시간 내에 탱크 용량을 뒤집을 수 있을 정도로 교반이 충분해야 합니다. 대부분의 공정 탱크에는 시간당 2~4회의 회전율이 적합합니다.
와트 밀도가 낮은 히터는 히터와 유체 사이의 온도 차이를 줄입니다. 낮은 표면 온도는 부력-으로 인한 성층화를 감소시키고 상부 히터 섹션의 성능 저하를 늦춥니다.
탱크 내 서로 다른 높이에 분산된 여러 히터는 더욱 균일한 가열을 제공하고 온도 구배를 줄입니다. 하단의 히터는 더 차가운 유체를 가열하고, 상단의 히터는 더 따뜻한 유체를 유지합니다. 그 결과 더욱 균일한 온도 프로파일이 생성됩니다.
| 예방 조치 | 층화에 미치는 영향 | 구현 | 비용 |
|---|---|---|---|
| 기계적 교반 | 레이어를 나눕니다. | 펌프, 추출기 또는 살포 | 보통의 |
| 낮은 와트 밀도 | 부력 감소 | 히터 디자인 | 보통의 |
| 다양한 높이의 다중 히터 | 균일한 가열 | 히터 레이아웃 | 더 높은 |
| 탱크 단열 | 열 손실 감소 | 격리 | 보통의 |
높은 공정 탱크의 열 성층화 방지 조치
층화가 설계 문제를 나타내는 경우
기계적 교반에도 불구하고 계층화되는 높은 탱크는 교반이 전체 탱크 용량에 도달하지 않거나 히터 레이아웃이 탱크 구조에 적합하지 않음을 나타냅니다. 서로 다른 높이의 여러 히터, 더 낮은 와트 밀도, 흐름-최적화 레이아웃을 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 층화의 근본 원인을 해결합니다. 사양 프로세스에는 탱크 크기, 교반 방법, 온도 균일성 요구 사항 및 필요한 전력량이 필요합니다. 높은 처리 탱크가 있는 시설의 경우 이 애플리케이션별{4}}접근 방식을 사용하면 성층화를 줄이고 히터 서비스 수명을 연장할 수 있습니다.
