Pabrik kimia khusus diperlukan untuk memanaskan larutan polimer dengan viskositas sekitar 20.000 mPa·s pada suhu pengoperasian. Pemanas celup PTFE yang ada rusak setelah empat bulan. Selubungnya menunjukkan pita lembut dan melepuh di sepanjang bagian bawah yang dipanaskan, dan resistansi isolasi telah turun di bawah 10 MΩ. Pemanas telah ditentukan pada 1,2 W/cm², yang sesuai untuk air tetapi terlalu agresif untuk larutan polimer kental.
Cairan dengan viskositas tinggi menghadirkan tantangan perpindahan panas yang mendasar. Lapisan batas termal yang tebal pada permukaan pemanas memerangkap panas, dan suhu permukaan pemanas naik jauh di atas suhu fluida curah. Kepadatan watt yang aman turun sebanding dengan viskositas. Konfigurasi pemanas harus dirancang untuk menyediakan luas permukaan yang dibutuhkan dengan kepadatan watt rendah, dan aliran pada permukaan pemanas harus dipertahankan untuk mengurangi ketebalan lapisan batas.
Masalah Perpindahan Panas pada Cairan dengan Viskositas Tinggi
Dalam fluida dengan viskositas 100 kali lipat air, koefisien perpindahan panas konveksi adalah 10–20% dari nilai air. Perbedaan suhu yang diperlukan untuk mentransfer fluks panas tertentu juga lebih tinggi. Untuk pemanas yang beroperasi pada 1,0 W/cm² dalam fluida dengan viskositas 100×, selisih suhu-ke-bulk bisa mencapai 40–60 derajat .
Suhu permukaan yang tinggi mempercepat degradasi PTFE. Polimer melunak, kehilangan stabilitas dimensi, dan menjadi lebih permeabel. Pemanas gagal dari luar ke dalam.
| Viskositas Cairan | Relatif terhadap Air | Koefisien Konvektif | Permukaan ΔT pada 1,0 W/cm² | Kepadatan Watt yang Aman |
|---|---|---|---|---|
| Air | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12–18 derajat | 1,5–2,0 W/cm² |
| 10× | 10× | 300–600 W/m²·K | 25–35 derajat | 1,0–1,3 W/cm² |
| 100× | 100× | 100–250 W/m²·K | 40–60 derajat | 0,6–0,9 W/cm² |
| 1,000× | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60–90 derajat | 0,4–0,6 W/cm² |
Perpindahan panas dan kepadatan watt yang aman untuk cairan dengan viskositas tinggi
Konfigurasi Multi-Lulus
Konfigurasi multi-lintasan mendistribusikan permukaan pemanas ke area yang lebih luas, sehingga mengurangi kepadatan watt per satuan luas. Lintasan tersebut diatur untuk memaksimalkan luas permukaan dalam volume bejana yang tersedia dan untuk memungkinkan aliran di antara keduanya.
Untuk tugas 6 kW pada 0,7 W/cm², luas permukaan yang dibutuhkan adalah 8.571 cm². Pemanas multi-lintasan dengan diameter selubung 50 mm dan delapan lintasan masing-masing 700 mm menyediakan sekitar 8.796 cm²-cukup untuk tugas tersebut. Lintasan diberi jarak 40–50 mm untuk memungkinkan aliran di antara keduanya.
| Watt | Kepadatan Watt yang Aman | Luas Permukaan yang Diperlukan | Melewati Selubung 50 mm | Panjang Lulus | Jarak Lulus |
|---|---|---|---|---|---|
| 3kW | 0,7 W/cm² | 4.286 cm² | 4 | 700 mm | 40 mm |
| 4kW | 0,7 W/cm² | 5.714cm² | 5 | 700 mm | 40 mm |
| 5kW | 0,7 W/cm² | 7.143 cm² | 7 | 700 mm | 45mm |
| 6kW | 0,7 W/cm² | 8.571 cm² | 8 | 700 mm | 45mm |
| 8kW | 0,7 W/cm² | 11.429cm² | 10 | 700 mm | 50mm |
Konfigurasi multi-pass untuk solusi polimer dengan viskositas tinggi
Augmentasi Aliran untuk Cairan Kental
Konfigurasi multi-lintasan saja tidak cukup dalam fluida kental. Aliran pada permukaan pemanas harus dijaga untuk mengurangi ketebalan lapisan batas. Eduktor khusus atau pompa resirkulasi kecil dapat mengarahkan aliran melintasi saluran.
Kecepatan lokal sebesar 0,3–0,5 m/s sudah cukup untuk mengurangi ketebalan lapisan batas dan menurunkan suhu permukaan sebesar 15–25 derajat. Alirannya tidak perlu kuat-alirannya perlu diarahkan ke permukaan pemanas.
| Metode Augmentasi Aliran | Kecepatan Lokal | Reduksi ΔT Permukaan | Pelaksanaan |
|---|---|---|---|
| Pendidik di pemanas | 0.3–0.5 m/s | 15–25 derajat | Pompa kecil atau udara bertekanan |
| Lingkaran resirkulasi | 0.4–0.6 m/s | 20–30 derajat | Pompa dan perpipaan |
| Agitasi mekanis | 0.2–0.4 m/s | 10–20 derajat | Agitator atau pengaduk |
| Pipa sparge | 0.1–0.2 m/s | 8–15 derajat | Udara terkompresi |
Metode augmentasi aliran untuk cairan kental
Pertimbangan Geometri Reaktor
Reaktor kimia seringkali memiliki geometri yang berbeda dari tangki pelapisan. Reaktor dapat berbentuk silinder dengan bagian atas dan bawah berbentuk kubah, dengan poros pengaduk pusat dan sekat. Ruang yang tersedia untuk pemanas terbatas pada daerah melingkar antara agitator dan dinding bejana.
Konfigurasi multi-lintasan melengkung yang mengikuti dinding pembuluh memaksimalkan luas permukaan dalam ruang annular. Jalur-jalur tersebut disusun dalam bentuk cincin di sekeliling agitator, dengan saluran aliran di antara keduanya.
Ketika Pemanas Standar Tidak Dapat Digunakan
Jika reaktor tidak dapat menampung luas permukaan yang diperlukan untuk kepadatan watt yang rendah, pilihannya adalah mengurangi watt, menerima masa pakai yang lebih pendek, atau menggunakan metode pemanasan alternatif. Penukar panas eksternal mungkin lebih cocok untuk layanan kental karena dapat memberikan luas permukaan lebih banyak dalam volume yang lebih kecil.
Konfigurasi pemanas imersi PTFE khusus dengan banyak lintasan, kepadatan watt rendah, dan augmentasi aliran dirancang untuk solusi polimer dengan viskositas tinggi. Proses spesifikasi memerlukan viskositas fluida pada suhu operasi, dimensi bejana, jenis dan kecepatan pengaduk, watt yang diperlukan, dan persyaratan keseragaman suhu.
