Chemijos gamykla naudojo 2 500 -litrų talpos baką, kuris buvo 2 200 mm aukščio ir 1 200 mm skersmens. PTFE panardinamasis šildytuvas buvo sumontuotas vertikaliai išilgai rezervuaro sienelės. Šildytuvas sugedo tik po septynių eksploatavimo mėnesių, pūslės susikaupė viršutiniame šildomos sekcijos trečdalyje. Bakas neturėjo mechaninio maišymo - jis rėmėsi natūralia konvekcija, kad paskirstytų šilumą. Šiluminė stratifikacija, susidariusi aukštoje talpykloje, sukūrė karštą sluoksnį viršuje ir šaltą sluoksnį apačioje, o šildytuvo viršutinė dalis veikė karštame sluoksnyje.
Terminis stratifikacija įvyksta, kai skystis sukuria stabilius skirtingos temperatūros sluoksnius. Sluoksniai nesimaišo, nes šiltesnis, mažiau tankus skystis lieka ant vėsesnio, tankesnio skysčio. Aukštoje talpykloje su silpna cirkuliacija stratifikacija gali būti sunki.
Kodėl „Tall Tanks“ stratifikuojasi
Stratifikaciją lemia plūdrumas. Kai PTFE panardinamasis šildytuvas sušildo skystį šalia bako sienelės, pašildytas skystis pakyla. Trumpame rezervuare kylantis skystis greitai pasiekia paviršių ir pasklinda, susimaišydamas su didžiąja dalimi. Aukštoje talpykloje kylantis skystis sudaro stabilų sluoksnį viršuje. Sluoksnis gilėja, nes kaupiasi daugiau įkaitusio skysčio.
Temperatūros skirtumas tarp viršutinio ir apatinio sluoksnių gali siekti 15–25 laipsnius aukštoje talpykloje be maišymo. Viršutinis sluoksnis yra šiltesnis ir mažiau tankus. Apatinis sluoksnis yra vėsesnis ir tankesnis. Sąsaja tarp sluoksnių yra stabili riba, kuri yra atspari maišymui.
| Bako aukštis | Aukščio-ir-skersmens santykis | Natūralus konvekcinis maišymas | ΔT iš viršaus{0}}į-iš apačios | Stratifikacijos rizika |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | Gerai | 3-6 laipsniai | Žemas |
| 1 000–1 500 mm | 1:1 – 1,5:1 | Vidutinis | 6-12 laipsnių | Vidutinis |
| 1500–2000 mm | 1,5:1 – 2:1 | Vargšas | 12-18 laipsnių | Aukštas |
| >2000 mm | >2:1 | Labai prastas | 18-25 laipsnių | Labai aukštas |
Bako aukštis ir stratifikacijos rizika proceso rezervuaruose
Kodėl stratifikacija sutrumpina PTFE šildytuvo tarnavimo laiką
Šildytuvas veikia sluoksniuotoje aplinkoje. Apatinė šildytuvo dalis yra vėsesniame, tankesniame skystyje. Viršutinė dalis yra šiltesniame, mažiau tankiame skystyje. Viršutinė sekcija veikia aukštesnėje temperatūroje nei apatinė.
Aukštesnė temperatūra pagreitina kiekvieną degradacijos mechanizmą. Prasiskverbimas, oksidacija ir nuosėdų nusėdimas didėja didėjant temperatūrai. Viršutinė šildytuvo dalis genda greičiau nei apatinė. Pūslės susikaupia viršuje.
Stratifikacija taip pat sumažina šilumos perdavimo varomąją jėgą. Skystis bako viršuje jau yra šiltas, todėl temperatūrų skirtumas tarp šildytuvo ir skysčio yra mažesnis. Šildytuvas turi veikti šilčiau, kad būtų tiekiama ta pati šiluma, o tai dar labiau pagreitina degradaciją.
Kodėl natūrali konvekcija negali įveikti stratifikacijos
Natūralią konvekciją lemia tankio skirtumas tarp šildomo skysčio ir aušinimo skysčio. Aukštoje talpykloje tankio skirtumas nėra pakankamai didelis, kad įveiktų stabilų sluoksniavimąsi. Įkaitęs skystis pakyla ir lieka viršuje. Jis nesimaišo su žemiau esančiu aušintuvo skysčiu.
Didėjant temperatūrų skirtumui, stratifikacija tampa stabilesnė. 15 laipsnių skirtumas tarp viršutinio ir apatinio sluoksnių sukuria tankio skirtumą, kuris atsparus maišymui. Sluoksniai išlieka stabilūs tol, kol mechaninis maišymas ar trikdymas juos sulaužys.
Stratifikacijos prevencija aukštuose tankuose
Veiksmingiausia prevencija – mechaninis sujaudinimas. Cirkuliacinis siurblys, siurblys arba išpūtimo vamzdis gali suskaidyti stabilius sluoksnius ir sumaišyti baką. Maišymas turi būti pakankamas, kad bako tūris būtų perkeltas per protingą laiką. Daugeliui proceso bakų pakanka 2–4 kartų per valandą apyvartos.
Mažesnio vatų tankio šildytuvas sumažina temperatūrų skirtumą tarp šildytuvo ir skysčio. Žemutinė paviršiaus temperatūra sumažina plūdrumo -priklausomą stratifikaciją ir sulėtina viršutinės šildytuvo dalies degradaciją.
Keli šildytuvai, paskirstyti skirtinguose bako aukščiuose, užtikrina tolygesnį šildymą ir sumažina temperatūros gradientą. Apatinėje dalyje esantys šildytuvai šildo aušintuvą, o viršuje esantys šildytuvai palaiko šiltesnį skystį. Rezultatas – vienodesnis temperatūros profilis.
| Prevencinė priemonė | Poveikis stratifikacijai | Įgyvendinimas | Kaina |
|---|---|---|---|
| Mechaninis maišymas | Suardo sluoksnius | Siurblys, siurblys arba siurblys | Vidutinis |
| Mažesnis vatų tankis | Sumažina plūdrumą | Šildytuvo dizainas | Vidutinis |
| Keli šildytuvai skirtinguose aukščiuose | Vienodas šildymas | Šildytuvo išdėstymas | Aukštesnis |
| Talpyklos izoliacija | Sumažina šilumos nuostolius | Izoliacija | Vidutinis |
Šiluminės stratifikacijos prevencijos priemonės aukštuose proceso rezervuaruose
Kai stratifikacija rodo dizaino problemą
Aukštas bakas, kuris sluoksniuojasi nepaisant mechaninio maišymo, rodo, kad maišymas nepasiekia viso bako tūrio arba kad šildytuvo išdėstymas neatitinka bako geometrijos. Pasirinktinė PTFE panardinamojo šildytuvo konfigūracija su keliais skirtingo aukščio šildytuvais, mažesniu vatų tankiu ir optimizuotu srauto-išdėstymu pašalina pagrindinę stratifikacijos priežastį. Specifikacijos procesas reikalauja bako matmenų, maišymo metodo, temperatūros vienodumo reikalavimo ir reikiamos galios. Įrenginiams su aukštais proceso bakais šis pritaikymo{4}} metodas sumažina stratifikaciją ir pailgina šildytuvo tarnavimo laiką.
