Kuidas töötavad kuulturbulaatorid (pakendatud voodid) PTFE-torudes{0}}kõrge määrdumise korral?

Tavalised turbulaatorid kipuvad ummistuma suspensioonide või muude tugevalt saastuvate vedelikega. Toru on täidetud väikeste liikuvate keradega, mis pakub isepuhastus-režiimi koos soojusülekande parandamise ja mehaanilise katlakivi eemaldamisega.

Soojusvaheti torude saastumine – probleem
Paljudes keemia-, farmaatsia- ja biotöötlusrakendustes võivad soojusülekandepinnad määrduda. Saastumine on ainete, näiteks soolade, orgaaniliste jääkide, polümerisatsiooni kõrvalsaaduste või bioloogiliste kilede sadestumine. Soojustakistus suureneb märgatavalt saastekihi moodustumisega ja sageli on vaja puhastusseiskamisi. Tavalised suurendamismeetodid, nagu keeratud lindid või traadirullid, on küll abiks puhaste vedelike puhul, kuid kipuvad probleemi veelgi süvendama, kuna tekitavad pragusid lademete kinnitumiseks ja levimiseks.

PTFE-torude puhul, mis on valitud korrosioonikindluse ja keemilise inertsuse järgi, võib saastumine olla eriti keeruline, kuna PTFE hüdrofoobne, vähese hõõrdumisega{0}}pind vähendab, kuid ei takista nakkumist. Väga saastunud teenuste jaoks on vaja agressiivsemat isepuhastuvat-lahendust.

Kuidas pakitud pallide voodi töötab
Palli turbulaator on väikestest lahtistest keradest pakitud voodi, mis täidab toru. Tavaliselt on kuulid valmistatud PTFE-st endast või keraamilistest materjalidest, nagu alumiiniumoksiid või tsirkooniumoksiid, mis on protsessivedelikuga täielikult keemiliselt ühilduvad. Läbimõõt on tavaliselt 3–8 mm, mis on ette nähtud umbes 35–40% tühimusega voodi valmistamiseks. Voodi on lõdvalt pakitud (pallid ei ole kokku sulatatud ega liimitud) ja seda hoitakse torus ekraanide või perforeeritud otsakorkide abil.

Protsessi vedelik jookseb läbi toru ja on sunnitud läbi pallide vaheliste käänuliste vaheruumide punuma. Selle tulemuseks on väga suured kohalikud kiirused ja tugev turbulents madala globaalse voolukiiruse korral. Veelgi olulisem on see, et pallid ise ei ole puhkeolekus. Neid tõukab ja pöörleb vedeliku liikumine ning need põrkavad aeg-ajalt vastu PTFE toru siseseina. Hitid on madala energiatarbega ja puhastavad seina puhtana hoides füüsiliselt maha igasuguse ladestumise, mis hakkab tekkima.

Pallturbulaatoriga pakitud PTFE-toru konstruktsioonis on soojusülekande protsess kahekordne. Esiteks rikub kaootiline voolutee soojustõkkekihti palju tõhusamalt kui mis tahes staatiline sisestus. Teiseks tagab pidev seinakontakt pöörlevate kuulidega täiendava otsese juhtiva tee ja impulsi ülekande, suurendades seeläbi oluliselt soojusülekandetegurit.

Tööomadused Soojusülekanne vs rõhukadu
Kuulturbulaatoritel võib olla väga kõrge soojusülekandetegur, mis on sageli 2–4 korda suurem kui tühja toru puhul samade vooluolude korral. Nusselti numbri suurendamine on võrreldav tihedalt keeratud teibiga, kuid selle oluliseks lisaeeliseks on pidev seina puhastamine.

Rõhulangus on suur kompromiss-. Pakitud voodi põhjustab suurt voolutakistust. Surve vähenemine on tavaliselt 5–15 korda suurem kui tühja toru puhul, sõltuvalt kuuli läbimõõdust, pakkimistihedusest ja voolukiirusest. Seetõttu kasutatakse seda tehnikat ainult nende teenuste jaoks, kus saastumine on tehase kättesaadavuse peamiseks piiranguks. Sellistes olukordades on pumpamisenergia lisamine põhjendatud planeerimata puhastusseisakute eemaldamise, hooldustöö vähenemise ja stabiilse soojusliku jõudluse tõttu pika tööperioodi jooksul.

Erirakendustes, näiteks viskoossete polümeeride suspensioonide kuumutamine või kristalliseerivate lahuste soojuse taastamine või suure rakujäätmete sisaldust sisaldavate bioloogiliste puljongide töötlemisest saadav eelis, mis tuleneb mitu kuud töötamisest ilma torude puhastamiseta, kompenseerib suurema energiatarbimise. Pallturbulaatoreid kasutatakse puhta vedeliku teenuses harva, kuna lihtsamad versiooniuuendused väiksema rõhulangusega on odavamad.

Fluidisatsioonikindlus ja voodipeetus
Pallid peavad jääma torusse, mitte voolu poolt välja suruma. Madalatel voolukiirustel on kiht kergelt pakitud ja ei liigu muul viisil kui kohapeal. Kuid kui kiirus suureneb, võib kuulidele mõjuv tõmbejõud panna kogu kihi paisuma ja muutuma keevkihiks või toimima nagu keevkiht, mille pallid on voolus rippuvad.

Täielik keevkihistumine on soojusvaheti torus tavaliselt ebasoovitav, kuna siis löövad kuulid vastu seinu harvemini ja võivad toru otsast välja puhuda. Seega on kiht üldiselt piiratud väljavoolu juures kinnitussõelaga. Lisaks on toru pikkus selline, et kogu kihis toimuv rõhu langus hoiab pinnakiiruse allpool minimaalset keevkihi kiirust (Umf). PTFE-pallide puhul vees-nagu vedelikes saavutatakse Umf kiirustel 0,5–1,0 m/s, olenevalt kuuli suurusest ja tihedusest. Keraamiliste kuulide puhul (suurem tihedus) ilmub Umf suurematel kiirustel. Umf asub veidi allpool, kus disainerid tavaliselt töötavad, kus pallid on "pakitud, kuid ärritunud" olekus – pöörlevad ja hõõruvad üksteise ja seina vastu, kuid mitte rippudes.

Pallide materjali valik
Ilmselge vastus on loomulikult PTFE-kuulid PTFE-torude jaoks, et säilitada sama keemiline inertsus ja mittenakkuvusomadused. Nende tihedus on umbes 2,2 g/cm3, mis on palju suurem kui vee või orgaaniliste lahustite puhul, ja seetõttu jäävad need torusse settima. PTFE kuulid on nii pehmed, et ei kahjusta toru seina isegi pärast miljoneid kokkupõrkeid.

Keraamilisi kuule (nt . 99.5% alumiiniumoksiidi, tihedus ~3,9 g/cm3) kasutatakse juhul, kui tugevate setete korral on löögijõu suurendamiseks vaja suuremat kuuli massi või kui protsessi temperatuur ületab PTFE 110 kraadi piiri (keraamika töötab kuni 300 kraadi). Keraamika on ka vastupidavam, pakkudes jõulisemat puhastust. Kuid tuleb jälgida, et keraamiline aine ei hõõruks PTFE toru seina pika aja jooksul. Praktikas on PTFE kuulide kasutamine enamiku keemiateenuste jaoks ja keraamiliste kuulide kasutamine kõrgel temperatuuril või eriti tugeval saastumisel.

Praktika jaoks kujundamine
PTFE toru kuulturbulaatoriga täidetud kihi projekteerimisel on optimeeritud järgmised parameetrid:

Palli läbimõõt: 3-5 mm väikeste torude puhul (10-20 mm ID); 6-8 mm suuremate torude jaoks (25-40 mm läbimõõduga). Väiksematel kuulidel on rohkem kokkupuutepunkte seinaga, kuid neil on suurem rõhulang.

Voodi pikkus: tavaliselt 10-30 toru läbimõõtu. Pikemad voodid tähendavad suuremat soojusülekannet, kuid vastavalt suureneb ka rõhukadu.

Tühifraktsioon: ~ 0,35-0,40 homogeensete sfääride korral juhuslikus tihedas pakkimises. Seda saab reguleerida erineva suurusega pallide segamisega, kuid seda tehakse harva.

Kinnitusmeetod: PTFE-st või PFA-st perforeeritud kettad mõlemas otsas, ava läbimõõt on väiksem kui kuuli läbimõõt. Sisendketas takistab pallide väljapaiskumist vooluhulga tõttu.

Küürimistegevus on eriti tõhus pehmete, želatiinsete või kristalsete saastejääkide eemaldamisel. Kuulturbulaatorid ei ole nii tõhusad kõvade, koksil küpsetatud-koksi või katlakivi puhul, kuna madala-energiaga löögid ei suuda eemaldada tihedalt kleepunud ladestusi. Sellised juhtumid nõuavad siiski perioodilist keemilist puhastamist.

Saastumisteenuste muude täiustamismeetodite võrdlus
Meetod Soojusülekande suurendamine Rõhulanguse suurendamine Saastumise leevendamine
Tühi toru, sileBad Baseline Baseline
Keerutatud lint 100-150% 200-600% Puudub (sageli muudab hullemaks)
Gofreeritud toru 20–60% 30–100% Minor (haardumise vähenemine)
Palli turbulaator (pakendatud voodi) 100-300% 500-1500% Suurepärane (pidev puhastus)
Järeldus
Kuulturbulaatorid on niši, kuid väga tõhus võimalus soojusülekande parandamiseks tugevalt saastunud teenuste korral. Need lahtiselt pakitud väikestest PTFE-st või PTFE-torudesse keraamilistest kuulidest koosnevad voodid paigaldatakse protsessivoogu. Luues keerulisi turbulentseid voolumustreid ja pestes toruseina pidevalt õrnade löökide abil, hoiavad need soojusülekandepinnad puhtad ja võimaldavad pikka aega katkematut tööd. Suure rõhulanguse karistus piirab nende kasutamist olukordades, kus saastumine põhjustab tavaliselt korduvaid väljalülitusi. Erinevad parendusmeetodid sobivad erinevatele tööprobleemidele, kuid suure saastumise ja kõrge väärtusega protsesside puhul pakub kuulturbulaatoriga täidetud alus enneolematu kombinatsiooni termilisest jõudlusest ja isepuhastumise töökindlusest.