한 특수 화학 공장에서는 작동 온도에서 점도가 약 15,000mPa·s인 고분자 용액을 처리하는 반응기를 운영했습니다. 기존 PTFE 침지 히터는 4개월 후에 고장이 났습니다. 피복은 가열된 하부 부분을 따라 부드럽고 기포가 있는 띠를 보였으며 절연 저항은 8MΩ 아래로 떨어졌습니다. 반응기는 전통적인 의미에서 교반되지 않았습니다.-점성 유체를 부드럽게 이동시키는 느린 패들 교반기를 사용했지만 히터 덮개에 난류를 생성하지 않았습니다.
점성 유체는 열 전달 동작 면에서 수성{0}}기반 수조와 근본적으로 다릅니다. 히터 외장의 경계층은 두껍고 안정적입니다. 자연대류가 약합니다. 히터에서 생성된 열은 효율적으로 빠져나가지 못하고 외장 온도는 벌크 유체 온도보다 훨씬 높아집니다.
점성 유체의 열 전달 문제
점성 유체에서는 대류 열전달 계수가 낮습니다. 물의 점도가 100배인 유체의 경우 계수는 물 값의 10~20%일 수 있습니다. 주어진 열 유속을 전달하는 데 필요한 온도 차이는 그에 따라 더 높습니다.
점성 유체에서 1.0W/cm²로 작동하는 PTFE 침지 히터의 경우 외장-과-벌크 온도 차이가 40~60도일 수 있습니다. 동일한 와트 밀도의 수- 기반 욕조에서 간격은 12~18도입니다. 간격이 클수록 외장은 동일한 벌크 온도에 대해 훨씬 더 높은 온도에서 작동한다는 의미입니다.
| 유체 점도 | 물에 상대적 | 대류 계수 | 1.0 W/cm²에서 피복 ΔT | 안전한 와트 밀도 |
|---|---|---|---|---|
| 물 | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12~18도 | 1.5~2.0W/cm² |
| 경유 | 10× | 300–600 W/m²·K | 25~35도 | 1.0~1.3W/cm² |
| 폴리머 용액 | 100× | 100–250 W/m²·K | 40~60도 | 0.6~0.9W/cm² |
| 헤비 폴리머 | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60~90도 | 0.4~0.6W/cm² |
점성 유체에 대한 열 전달 및 안전한 와트 밀도
점성 서비스용 히터 수정
점성유체에서 안전하게 작동하려면 히터를 개조해야 합니다. 수정 사항은 외장 온도를 결정하는 세 가지 요소, 즉 와트 밀도, 표면적 및 흐름을 다룹니다.
와트 밀도는 유체 점도에 대한 안전한 범위로 감소되어야 합니다. 물 점도가 100배인 폴리머 용액의 경우 안전한 와트 밀도는 0.6~0.9W/cm²입니다. 이를 위해서는 동일한 전력량에 대해 더 많은 표면적이 필요합니다.
다중-패스 또는 확장 구성을 통해 더 넓은 표면적을 얻을 수 있습니다. 물 속에 촘촘하게 묶인 히터는 점성 유체에 길고 분산된 요소가 됩니다.
외장의 흐름을 개선해야 합니다. 느린 패들 교반기는 히터 표면에 흐름을 생성하지 않습니다. 전용 추출기 또는 소형 재순환 펌프는 흐름을 외장 전체로 유도하여 경계층 두께를 줄이고 외장 온도를 낮출 수 있습니다.
| 가감 | 외장 온도에 미치는 영향 | 구현 |
|---|---|---|
| 와트 밀도를 0.7W/cm²로 줄입니다. | 15~25도 낮음 | 더 많은 표면적 |
| 표면적 2배 증가 | 10~15도 낮음 | 멀티{0}}패스 구성 |
| 외장에 이덕터 추가 | 15~25도 낮음 | 소형 펌프 또는 압축 공기 |
| 재순환 루프 추가 | 20~30도 낮음 | 펌프 및 배관 |
점성 서비스에 대한 수정 및 외피 온도에 미치는 영향
원자로 기하학 문제
화학 반응기는 종종 도금 탱크와 다른 기하학적 구조를 가지고 있습니다. 반응기는 중앙 교반기 샤프트와 배플을 갖춘 돔형 상단과 하단을 갖춘 원통형일 수 있습니다. 히터에 사용할 수 있는 공간은 교반기와 용기 벽 사이의 환형 영역으로 제한됩니다.
표면적이 넓은 멀티{0}}패스 히터는 환형 공간에 맞지 않을 수 있습니다. 히터는 용기 벽의 곡률을 따르거나 교반기를 방해하지 않고 사용 가능한 공간에 맞도록 설계되어야 합니다.
| 반응기 유형 | 사용 가능한 공간 | 권장 히터 구성 |
|---|---|---|
| 원통형, 교반기 | 환형 간격 | 곡선 멀티-패스 |
| 원통형, 교반기 없음 | 전체 볼륨 | 중앙 멀티-패스 |
| 재킷 용기 | 내부 코일 공간 | 코일 또는 총검 |
| 소형 원자로 | 제한된 | 컴팩트한 저-와트-밀도 |
반응기 형상 및 히터 구성
표준 히터를 수정할 수 없는 경우
반응기가 낮은 와트 밀도에 필요한 표면적을 수용할 수 없는 경우 옵션은 와트 수를 줄이거나 더 짧은 서비스 수명을 수용하거나 대체 가열 방법을 사용하는 것입니다. 외부 열교환기는 더 작은 부피로 더 많은 표면적을 제공할 수 있으므로 점성 서비스에 더 적합할 수 있습니다.
사용자 정의 구성이 필요한 경우
낮은 와트 밀도, 넓은 표면적 및 흐름 증대 기능을 갖춘 맞춤형 PTFE 침지 히터 구성은 점성 반응기 서비스용으로 설계되었습니다. 사양 프로세스에는 작동 온도에서의 유체 점도, 반응기 크기, 교반기 유형 및 속도, 필요한 전력량, 온도 균일성 요구 사항이 필요합니다.
