Per què un escalfador de PFA amb una superfície rugosa amb sorra supera una superfície llisa en calefacció amb dissolvent orgànic d'alta pressió-?

Pel que fa a l'estabilitat de la pel·lícula i la transmissió de calor d'ebullició nucleada, una superfície rugosa de PFA (Ra 1,0–1,5 µm) sovint funciona millor que una superfície llisa (Ra < 0,2 µm) en escalfament amb dissolvent orgànic d'alta pressió (p. El control de la nucleació de bombolles és el mecanisme; El sobreescalfament i l'ebullició ràpida i brusca (xocs) resulten de superfícies llises que suprimeixen la formació de bombolles. Una superfície rugosa que ofereix llocs de nucleació controlats afavoreix els coeficients de transferència de calor més alts i l'ebullició de bombolles petites-coherents. A més, com que la superfície interior rugosa (si es fa amb sorra abans de l'extrusió) millora l'enclavament mecànic entre el PFA i el nucli metàl·lic, la superfície rugosa resisteix la delaminació d'inflor induïda per dissolvent-. Una superfície rugosa augmenta la humectabilitat i redueix el risc d'ebullició de la pel·lícula per als dissolvents orgànics que mullen PFA malament (angle de contacte > 90 graus). Per obtenir resultats òptims, la superfície interior s'ha de gravar químicament per a l'adhesió i la superfície exterior s'ha de polir amb sorra (Ra 1,0-1,5 µm).

Ebullició dels nucleats i rugositat superficial
El flux de calor en dissolvents orgànics escalfats a pressió és sovint prou fort com per induir l'ebullició a la superfície del PFA. La nucleació de bombolles en una superfície llisa requereix una gran quantitat de sobreescalfament (ΔT=10–30 graus per sobre del punt d'ebullició). L'augment de la temperatura local és el resultat de les bombolles que es fan grans i se separen lentament. Les micro-cavitats (5-20 µm) en una superfície rugosa serveixen com a llocs de nucleació persistents atrapant el vapor. La transferència de calor es millora gràcies a les bombolles que es formen amb un sobreescalfament inferior (2-5 graus), són més petites i se separen amb més freqüència. Amb el mateix flux de calor, una superfície rugosa pot tenir un coeficient de transferència de calor del 50 al 100% més gran (h).

El PFA llis (Ra 0,1 µm) mostra una pel·lícula que bull a 8 W/cm² amb ΔT=40 grau per a toluè a 150 graus i 10 bar. Al grau ΔT=15, el PFA rugós (Ra 1,2 µm) manté l'ebullició del nucleat fins a 15 W/cm².

Comparació del rendiment en dissolvents orgànics a alta pressió
Pressió del dissolvent (bar) Temperatura (graus) Acabat superficial Flux de calor crític (W/cm²) Coeficient de transferència de calor (W/m²·K) Règim d'ebullició Vida relativa
Toluene 10 150 Smooth (0.1) 6–8 1,500–2,000 Film boiling at >6 1.0x Toluè 10 150 Aspre (1,2) 12–15 3,000–4,000 Nuclear a 12 2.5x
Acetona 8 120 Suau 5–7 1, 800–2.500 Bumping 1,0x
Acetona 8 120 Aspre 10–12 3,500–5.000 Bombolles estables 2,8x Hexà 5 100 Llis 4–6 1,200–1.800 Ebullició violenta 0,8x
Hexà 5 100 Aspret 8–10 2,500–3.500 Controlat 2,2x Etanol 12 180 Suau 7–9 2,000–2.500 Sobreescalfament 1,2x
Etanol 12 180 rugós 14–16 4,000–5,500 Estable 2,5x
Enclavament mecànic per a l'adhesió
La superfície interior de la funda de PFA (contra el nucli metàl·lic) també es beneficia de la rugositat. L'extracció de sorra del nucli metàl·lic a Ra 2–4 ​​µm abans que l'extrusió de PFA generi un enclavament mecànic. El PFA s'ancora a si mateix fluint a les asperitats superficials. El fluid pot expandir modestament el PFA (augment del volum del 0,5 al 2%) en dissolvents orgànics d'alta pressió-. Sota l'estrès d'inflor, una interfície llisa (Ra < 0,5 µm) pot delaminar-se. Com que el PFA està bloquejat dins dels recessos, l'adhesió es manté a una interfície rugosa (Ra > 2 µm). Per a la fiabilitat-a llarg termini, això és essencial.

Per obtenir els millors resultats, indiqueu:

Sorra a Ra 1,0–1,5 µm a l'exterior (per a la nucleació de bombolles)

Sorra a Ra 2,5–4,0 µm (per a l'adhesió) a la superfície interior (nucli metàl·lic)

Superfície del nucli metàl·lic: gravat químicament després del sorrat per eliminar les partícules soltes i crear nano-porositat

Quan la superfície llisa és millor
Les superfícies llises de PFA encara es trien per a:

Escalfament monofàsic-no en ebullició: no hi ha bombolles; per tant, la rugositat només fomenta l'encrassement.

Servei d'alta-puresa: les superfícies rugoses recullen impureses i són més difícils de netejar.

Fluids que es cristal·litzen o descama: la cal s'adhereix fàcilment a les superfícies rugoses.

Servei de baixa-pressió (<2 bar) where boiling is not a problem.

Exemple al camp
Es va utilitzar un escalfador llis de PFA en un reactor farmacèutic per escalfar toluè a 150 graus i 10 bar. Després de sis mesos, l'escalfador va tenir cops importants i esclats de vapor bruscos, que van provocar oscil·lacions de temperatura de ± 15 graus i esquerdes de PFA. Es va instal·lar un escalfador de PFA rugós (Ra 1,3 µm exterior, Ra 3 µm nucli) a la planta. L'escalfador va durar més de tres anys, els cops van desaparèixer i la regulació de la temperatura va millorar fins a ± 2 graus. El cost de l'escalfador va augmentar en 100 dòlars a causa del sorra (recàrrec del 15%). Es va pagar en dos mesos gràcies a l'estalvi de la reducció del temps mort.

Examen i manteniment
Per als escalfadors rugosos en servei, inspeccioneu:

Fouling: els dipòsits queden atrapats en superfícies rugoses. Utilitzeu un raspall suau i un dissolvent lleuger per netejar; eviteu utilitzar qualsevol abrasiu que pugui suavitzar la superfície.

Desgast de la superfície: l'erosió pot suavitzar els pics durant un període de tres a cinc anys. Si Ra disminueix per sota de 0,8 µm, torneu a-sorrejar o substituir.

Prova d'adhesió: avaluar periòdicament la resistència aïllant. La delaminació a la interfície rugosa s'indica amb una gota, que és poc freqüent.

En conclusió, una superfície rugosa millora l'adhesió i l'ebullició.
Per a l'escalfament de dissolvents orgànics a alta pressió-(5-20 bar, 100-200 graus), un escalfador de PFA amb una superfície de sorra rugosa (Ra 1,0-1,5 µm) supera una superfície llisa entre 2 i 3 vegades en termes d'ebullició nucleada estable, flux de calor crític més alt i resistència a l'impacte. La superfície exterior rugosa proporciona llocs de nucleació de bombolles regulats; la superfície interior rugosa afavoreix l'adherència contra la{10}inflor induïda pel dissolvent. Especifiqueu PFA amb sorra per a qualsevol procés de dissolvent orgànic on es produeixi l'ebullició. Per a un servei sense-ebullició, de baixa-pressió o d'alta-puresa, la suau segueix sent el millor. Alineeu la superfície amb la tasca. Els cops són necessaris per bullir. La sorra és necessària per als cops. Polir la superfície, bullir constantment i aguantar durant molt de temps. El rugós és fort en orgànics. El suau és relliscós - i s'enfila a la pel·lícula bullint. Seleccioneu aspre.