Com funcionen els turbuladors de boles (llits empaquetats) en tubs de PTFE per a serveis d'alt-fouling?

Els turbuladors estàndard tendeixen a obstruir-se amb purins o altres líquids molt contaminants. El tub està ple d'un llit de petites esferes mòbils que ofereix un mode d'auto-neteja, amb millora de la transferència de calor i descalcificació mecànica.

Embutiment dels tubs de l'intercanviador de calor: el problema
Les superfícies de transferència de calor són propenses a la contaminació en moltes aplicacions químiques, farmacèutiques i de bioprocessament. La contaminació és la deposició de substàncies com sals, residus orgànics, subproductes de polimerització o pel·lícules biològiques. La resistència tèrmica augmenta significativament amb la formació d'una capa de contaminació i sovint es necessiten parades de neteja. Els mètodes d'augment convencionals com les cintes retorçades o les bobines de filferro, tot i que són útils per a fluids nets, tendeixen a agreujar el problema perquè donen esquerdes perquè els dipòsits s'uneixin i proliferin.

Per als tubs de PTFE, que s'han seleccionat per la resistència a la corrosió i la inercia química, l'encrassement pot ser especialment difícil perquè la superfície hidròfoba de PTFE de baixa -fricció disminueix, però no impedeix, l'adhesió. Per a serveis molt contaminats, cal una solució més agressiva i d'auto{2}}neteja.

Com funciona un llit ple de boles
Un turbulador de boles és un llit ple de petites esferes soltes que omplen el tub. Normalment les boles estan formades pel propi PTFE o amb materials ceràmics com l'alúmina o la zirconia, que són totalment compatibles químicament amb el fluid de procés. Els diàmetres solen ser de 3 a 8 mm, dissenyats per produir un llit amb un percentatge de buit al voltant del 35-40%. El llit s'empaqueta sense problemes (les boles no estan fusionades ni enganxades) i subjecta al tub per pantalles o tapes finals perforades.

El fluid del procés travessa el tub i es veu obligat a teixir pels tortuosos espais intersticials entre les boles. Això es tradueix en velocitats locals molt elevades i fortes turbulències, a cabals globals baixos. Més important encara, les pilotes no estan en repòs. Són empesos i girats pel moviment del fluid i de tant en tant xoquen contra la paret interior del tub de PTFE. Els cops són de poca energia i eliminen físicament qualsevol dipòsit que comenci a formar-se mantenint la paret neta.

En un disseny de tub de PTFE de llit ple amb un turbulador de boles, el procés de transferència de calor és doble. En primer lloc, el camí del flux caòtic altera la capa de barrera tèrmica de manera molt més eficient que qualsevol inserció estàtica. En segon lloc, el contacte incessant de la paret amb les boles giratòries proporciona un camí conductor directe addicional i una transferència d'impuls, millorant així substancialment el coeficient de transferència de calor.

Característiques de rendiment Transferència de calor vs pèrdua de pressió
Els turbuladors de boles poden tenir coeficients de transferència de calor molt elevats, sovint de 2 a 4 vegades els d'un tub buit per a les mateixes circumstàncies de flux. L'augment del nombre de Nusselt és comparable al d'una inserció de cinta fortament retorçada, però amb l'important benefici afegit de la neteja contínua de la paret.

La caiguda de pressió és un avantatge-important. El llit empaquetat provoca una gran resistència al flux. Les disminucions de pressió solen ser de 5 a 15 vegades la d'un tub buit, depenent del diàmetre de la bola, la densitat de l'empaquetament i la velocitat del flux. Per tant, la tècnica només s'utilitza per a aquells serveis on l'encrassement és la principal limitació de la disponibilitat de la planta. En aquestes circumstàncies, l'energia de bombeig afegida es justifica per l'eliminació d'aturades de neteja no programades, la disminució de la mà d'obra de manteniment i el rendiment tèrmic constant durant llargs períodes.

El benefici de mesos de funcionament sense neteja de tubs en aplicacions especialitzades com l'escalfament de purins de polímers viscosos o la recuperació de la calor de les solucions de cristal·lització o el processament de brous biològics que contenen un alt contingut de residus cel·lulars compensa el major consum d'energia. Els turbuladors de boles rarament s'utilitzen en el servei de fluids nets, ja que les actualitzacions més senzilles amb caigudes de pressió més baixes són més barates.

Resistència a la fluidització i retenció de llit
Les boles han de romandre dins del tub, no ser expulsades pel flux. A baixes velocitats de cabal, el llit està lleugerament empaquetat i no es mou més que localment. Però quan la velocitat augmenta, la força d'arrossegament sobre les boles pot fer que tot el llit s'expandeixi i comenci a fluiditzar-se, o actuar com un llit fluiditzat amb les boles suspeses en el flux.

La fluidització completa normalment no és desitjable en un tub d'intercanviador de calor, ja que aleshores les boles colpejaran les parets amb menys freqüència i poden sortir de l'extrem del tub. Així, el llit està generalment limitat per una pantalla de retenció a la sortida. A més, la longitud del tub és tal que la disminució de la pressió global a través del llit manté la velocitat superficial per sota de la velocitat de fluidització mínima (Umf). Per a boles de PTFE en líquids-com l'aigua, la Umf s'aconsegueix a velocitats de 0,5-1,0 m/s depenent de la mida i la densitat de la bola. Per a boles de ceràmica (més densitat) Umf apareix a velocitats més altes. Umf és just a sota d'on treballen habitualment els dissenyadors, on les boles es troben en un estat "empaquetat però agitat": giren i es freguen les unes contra les altres i la paret, però no suspeses.

Elecció de material per a les pilotes
La resposta òbvia, per descomptat, són les boles de PTFE per a tubs de PTFE, per mantenir la mateixa inercia química i les mateixes qualitats-antiadherents. Tenen una densitat d'uns 2,2 g/cm3, molt més alta que l'aigua o els dissolvents orgànics, per la qual cosa romanen assentades al tub. Les boles de PTFE són tan suaus que no danyaran la paret del tub fins i tot després de milions de col·lisions.

Les boles de ceràmica (per exemple, . 99.5% d'alúmina, densitat ~3,9 g/cm3) s'utilitzen quan es requereix un pes de bola més elevat per augmentar la força d'impacte per als dipòsits durs, o quan la temperatura del procés supera el límit de 110 graus de PTFE (les ceràmiques funcionen fins a 300 graus). Les ceràmiques també són més resistents, proporcionant una acció de neteja més vigorosa. Però s'ha de tenir cura que la substància ceràmica no raspa la paret del tub de PTFE durant llargs períodes de temps. A la pràctica, és habitual l'ús de boles de PTFE per a la majoria de serveis químics i boles de ceràmica per a altes temperatures o encrustacions especialment tenaces.

Disseny per a la pràctica
En el disseny d'un llit ple de turbulador de boles per a un tub de PTFE, s'optimitzen els paràmetres següents:

Diàmetre de la bola: 3-5 mm per a tubs petits (10-20 mm DI); 6-8 mm per a tubs més grans (25-40 mm DI). Les boles més petites tenen més punts de contacte amb la paret però tenen una caiguda de pressió més gran.

Longitud del llit: 10-30 diàmetres de tub normalment. Els llits més llargs signifiquen més transferència de calor, però la pèrdua de pressió augmenta en conseqüència.

Fracció buida: ~ 0,35-0,40 per a esferes homogènies en empaquetament proper aleatori. Això es pot ajustar barrejant boles de diferents mides, però rarament es fa.

Mètode de retenció: Discs perforats de PTFE o PFA als dos extrems, diàmetre del forat inferior al diàmetre de la bola. El disc d'entrada evita que les boles siguin expulsades per sobres de flux.

L'acció de fregat és especialment eficaç per eliminar dipòsits suaus, gelatinosos o cristal·lins. Els turbuladors de boles no són tan eficaços per al forn dur-a coca-cola o escala, perquè els cops de baixa-energia no poden desallotjar els dipòsits fortament adherits. No obstant això, aquests casos requereixen una neteja química periòdica.

Comparació d'altres tècniques de millora en serveis de contaminació
Mètode Millora de la transferència de calorAugment de la caiguda de pressió Mitigació de l'encrassement
Tub buit, suauBad Baseline Baseline
Inserció de cinta retorçada 100-150% 200-600% Cap (sovint empitjora)
Tub corrugat 20–60% 30–100% Menor (disminueix l'adhesió)
Turbulador de boles (llit ple) 100-300% 500-1500% Excel·lent (neteja contínua)
Conclusió
Els turbuladors de boles són una opció nínxol però molt eficient per millorar la transferència de calor en serveis de contaminació severa. Aquests llits solts de petites boles de PTFE o ceràmiques en tubs de PTFE s'instal·len al corrent del procés. En establir patrons de flux turbulents i complexos i rentar contínuament la paret del tub amb impactes suaus, mantenen netes les superfícies de transferència de calor i permeten llargs períodes de funcionament ininterromput. La gran penalització de caiguda de pressió restringeix el seu ús a situacions en què la contaminació normalment provocaria parades repetides. Els diferents mètodes de millora s'adapten a diferents qüestions operatives, però per a processos d'alt valor i contaminació alta, el llit ple de turbulador de boles ofereix una combinació inigualable de rendiment tèrmic i fiabilitat d'auto-neteja.