Ķīmiskajā rūpnīcā tika darbināta 2500{9}litru tehnoloģiskā tvertne, kas bija 2200 mm gara un 1200 mm diametrā. PTFE iegremdēšanas sildītājs tika uzstādīts vertikāli gar tvertnes sienu. Sildītājs atteicās tikai pēc septiņu mēnešu kalpošanas, pūslīšu veidošanās koncentrējās apsildāmās sekcijas augšējā trešdaļā. Tvertnei nebija mehāniskas maisīšanas — tā paļāvās uz dabisku konvekciju, lai sadalītu siltumu. Termiskā stratifikācija, kas izveidojās augstajā tvertnē, izveidoja karstu slāni augšpusē un vēsu slāni apakšā, un sildītāja augšējā daļa darbojās karstajā slānī.
Termiskā noslāņošanās notiek, kad šķidrumā veidojas stabili dažādu temperatūru slāņi. Slāņi nesajaucas, jo siltāks, mazāk blīvs šķidrums paliek virs vēsāka, blīvāka šķidruma. Augstā tvertnē ar vāju cirkulāciju noslāņošanās var būt smaga.
Kāpēc Tall Tanks Stratify
Stratifikāciju virza peldspēja. Kad PTFE iegremdēšanas sildītājs uzsilda šķidrumu pie tvertnes sienas, uzsildītais šķidrums paceļas. Īsā tvertnē augošais šķidrums ātri sasniedz virsmu un izplatās, sajaucoties ar lielāko daļu. Augstā tvertnē augošais šķidrums veido stabilu slāni augšpusē. Slānis padziļinās, jo uzkrājas vairāk sakarsēta šķidruma.
Augstā tvertnē bez maisīšanas temperatūras starpība starp augšējo un apakšējo slāni var sasniegt 15–25 grādus. Augšējais slānis ir siltāks un mazāk blīvs. Apakšējais slānis ir vēsāks un blīvāks. Saskarne starp slāņiem ir stabila robeža, kas pretojas sajaukšanai.
| Tvertnes augstums | Augstuma-līdz-diametra attiecība | Dabiskā konvekcijas sajaukšana | No augšas-līdz-Apakšā ΔT | Stratifikācijas risks |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Labi | 3-6 grādi | Zems |
| 1000–1500 mm | 1:1 līdz 1,5:1 | Mērens | 6-12 grādi | Mērens |
| 1500–2000 mm | 1,5:1 līdz 2:1 | Nabaga | 12-18 grādi | Augsts |
| >2000 mm | >2:1 | Ļoti nabadzīgs | 18-25 grādi | Ļoti augsts |
Tvertnes augstums un stratifikācijas risks procesa tvertnēs
Kāpēc stratifikācija saīsina PTFE sildītāja kalpošanas laiku
Sildītājs darbojas stratificētā vidē. Sildītāja apakšējā daļa atrodas vēsākā, blīvākā šķidrumā. Augšējā daļa atrodas siltākā, mazāk blīvā šķidrumā. Augšējā daļa darbojas augstākā temperatūrā nekā apakšējā.
Augstāka temperatūra paātrina katru degradācijas mehānismu. Caurlaidība, oksidēšanās un katlakmens nogulsnēšanās palielinās līdz ar temperatūru. Sildītāja augšējā daļa noārdās ātrāk nekā apakšējā. Pūšļu veidošanās koncentrējas augšpusē.
Stratifikācija samazina arī siltuma pārneses dzinējspēku. Šķidrums tvertnes augšpusē jau ir silts, tāpēc temperatūras starpība starp sildītāju un šķidrumu ir mazāka. Sildītājam ir jādarbojas karstāk, lai nodrošinātu tādu pašu siltumu, kas vēl vairāk paātrina degradāciju.
Kāpēc dabiskā konvekcija nevar pārvarēt stratifikāciju
Dabisko konvekciju nosaka blīvuma starpība starp karsēto šķidrumu un dzesētāja šķidrumu. Augstā tvertnē blīvuma atšķirība nav pietiekami liela, lai pārvarētu stabilu slāņojumu. Uzkarsētais šķidrums paceļas un paliek augšpusē. Tas nesajaucas ar zemāk esošo dzesētāju šķidrumu.
Palielinoties temperatūras starpībai, stratifikācija kļūst stabilāka. 15 grādu atšķirība starp augšējo un apakšējo slāni rada blīvuma atšķirību, kas ir pretojas sajaukšanai. Slāņi paliek stabili, līdz mehāniskā maisīšana vai traucējumi tos pārrauj.
Stratifikācijas novēršana augstās tvertnēs
Visefektīvākā profilakse ir mehāniska uzbudināšana. Cirkulācijas sūknis, sūknis vai izplūdes caurule var izjaukt stabilos slāņus un sajaukt tvertni. Maisījumam jābūt pietiekamam, lai saprātīgā laikā apgrieztu tvertnes tilpumu. Apgrozījuma ātrums 2–4 reizes stundā ir pietiekams lielākajai daļai procesa tvertņu.
Sildītājs ar mazāku vatu blīvumu samazina temperatūras starpību starp sildītāju un šķidrumu. Zemākā virsmas temperatūra samazina peldspējas{1}}noslāņošanos un palēnina augšējās sildītāja sekcijas degradāciju.
Vairāki sildītāji, kas sadalīti dažādos augstumos tvertnē, nodrošina vienmērīgāku sildīšanu un samazina temperatūras gradientu. Apakšā esošie sildītāji silda dzesētāju, bet augšpusē esošie sildītāji uztur siltāko šķidrumu. Rezultāts ir vienmērīgāks temperatūras profils.
| Profilakses pasākums | Ietekme uz stratifikāciju | Īstenošana | Izmaksas |
|---|---|---|---|
| Mehāniskā maisīšana | Izjauc slāņus | Sūknis, sūknis vai strūkla | Mērens |
| Zemāks vatu blīvums | Samazina peldspēju | Sildītāja dizains | Mērens |
| Vairāki sildītāji dažādos augstumos | Vienota apkure | Sildītāja izkārtojums | Augstāks |
| Tvertnes izolācija | Samazina siltuma zudumus | Izolācija | Mērens |
Termiskās stratifikācijas novēršanas pasākumi augstās procesa tvertnēs
Kad stratifikācija norāda uz dizaina problēmu
Augsta tvertne, kas noslāņojas, neskatoties uz mehānisko maisīšanu, norāda, ka maisīšana nesasniedz pilnu tvertnes tilpumu vai ka sildītāja izkārtojums nav piemērots tvertnes ģeometrijai. Pielāgota PTFE iegremdējamā sildītāja konfigurācija ar vairākiem sildītājiem dažādos augstumos, mazāku vatu blīvumu un optimizētu plūsmas-izkārtojumu novērš stratifikācijas galveno cēloni. Specifikācijas procesam ir nepieciešami tvertnes izmēri, maisīšanas metode, temperatūras viendabīguma prasība un vajadzīgā jauda. Iekārtām ar augstām procesa tvertnēm šī lietojumprogrammas -specifiskā pieeja samazina noslāņošanos un pagarina sildītāja kalpošanas laiku.
