Une usine de produits chimiques spécialisés exploitait un réacteur qui traitait une solution de polymère d'une viscosité d'environ 15 000 mPa·s à la température de fonctionnement. Le thermoplongeur en PTFE existant était tombé en panne au bout de quatre mois. La gaine présentait une bande molle et cloquée le long de la section inférieure chauffée, et la résistance d'isolation était tombée en dessous de 8 MΩ. Le réacteur n'était pas agité au sens conventionnel du terme-il utilisait un agitateur lent à palettes qui déplaçait doucement le fluide visqueux mais ne créait pas d'écoulement turbulent au niveau de la gaine chauffante.
Les fluides visqueux sont fondamentalement différents des bains à base d'eau-en termes de comportement de transfert de chaleur. La couche limite au niveau de la gaine chauffante est épaisse et stable. La convection naturelle est faible. La chaleur générée par le réchauffeur ne peut pas s'échapper efficacement et la température de la gaine s'élève bien au-dessus de la température globale du fluide.
Le problème du transfert de chaleur dans les fluides visqueux
Dans un fluide visqueux, le coefficient de transfert de chaleur par convection est faible. Pour un fluide dont la viscosité est 100 fois supérieure à celle de l'eau, le coefficient peut être compris entre 10 et 20 % de la valeur de l'eau. La différence de température nécessaire pour transférer un flux thermique donné est d’autant plus élevée.
Pour un thermoplongeur en PTFE fonctionnant à 1,0 W/cm² dans un fluide visqueux, l'écart de température entre la gaine- et-la température globale peut être de 40 à 60 degrés. Dans un bain à base d'eau-à la même densité en watts, l'écart est de 12 à 18 degrés. L'écartement plus élevé signifie que la gaine fonctionne à une température beaucoup plus élevée pour la même température globale.
| Viscosité du fluide | Par rapport à l'eau | Coefficient de convection | Gaine ΔT à 1,0 W/cm² | Densité de puissance sûre |
|---|---|---|---|---|
| Eau | 1× | 1,000–2,000 W/m²·K | 12-18 degrés | 1,5 à 2,0 W/cm² |
| Huile légère | 10× | 300–600 W/m²·K | 25-35 degrés | 1,0 à 1,3 W/cm² |
| Solution polymère | 100× | 100–250 W/m²·K | 40 à 60 degrés | 0,6 à 0,9 W/cm² |
| Polymère lourd | 1,000× | 50–120 W/m²·K | 60 à 90 degrés | 0,4 à 0,6 W/cm² |
Transfert de chaleur et densité de puissance sûre pour les fluides visqueux
Modification du réchauffeur pour un service visqueux
Le réchauffeur doit être modifié pour fonctionner en toute sécurité dans le fluide visqueux. Les modifications portent sur les trois facteurs qui déterminent la température de la gaine : la densité en watts, la surface et le débit.
La densité en watts doit être réduite à la plage de sécurité pour la viscosité du fluide. Pour une solution polymère ayant une viscosité 100 fois supérieure à celle de l'eau, la densité de puissance sûre est de 0,6 à 0,9 W/cm². Cela nécessite plus de surface pour la même puissance.
Une plus grande surface est obtenue grâce à une configuration multi-passes ou étendue. Un élément chauffant qui serait un faisceau compact dans l'eau devient un élément long et réparti dans le fluide visqueux.
L'écoulement au niveau de la gaine doit être amélioré. Un agitateur lent à palette ne crée pas de flux à la surface du réchauffeur. Un éjecteur dédié ou une petite pompe de recirculation peut diriger le flux à travers la gaine, réduisant ainsi l'épaisseur de la couche limite et abaissant la température de la gaine.
| Modification | Effet sur la température de la gaine | Mise en œuvre |
|---|---|---|
| Réduire la densité en watts à 0,7 W/cm² | 15 à 25 degrés plus bas | Plus de superficie |
| Augmenter la surface 2× | 10 à 15 degrés plus bas | Configuration à plusieurs-passes |
| Ajouter un éducteur à la gaine | 15 à 25 degrés plus bas | Petite pompe ou air comprimé |
| Ajouter une boucle de recirculation | 20 à 30 degrés plus bas | Pompe et tuyauterie |
Modifications pour le service visqueux et leur effet sur la température de la gaine
Le défi de la géométrie des réacteurs
Un réacteur chimique a souvent une géométrie différente de celle d’un réservoir de placage. Le réacteur peut être cylindrique avec un dessus et un fond en forme de dôme, avec un arbre agitateur central et des chicanes. L'espace disponible pour un chauffage est limité à la région annulaire entre l'agitateur et la paroi de la cuve.
Un appareil de chauffage à plusieurs-passages avec une grande surface peut ne pas tenir dans l'espace annulaire. Le réchauffeur doit être conçu pour suivre la courbure de la paroi de la cuve ou pour s'adapter à l'espace disponible sans interférer avec l'agitateur.
| Type de réacteur | Espace disponible | Configuration de chauffage recommandée |
|---|---|---|
| Cylindrique, agitateur | Espace annulaire | Passage multiple-incurvé |
| Cylindrique, sans agitateur | Plein volume | Pass multi-central |
| Navire gainé | Espace de bobine interne | Bobine ou baïonnette |
| Petit réacteur | Limité | Compacte à faible-watt-densité |
Géométrie du réacteur et configuration du réchauffeur
Lorsqu'un appareil de chauffage standard ne peut pas être modifié
Si le réacteur ne peut pas accueillir la surface requise pour une faible densité en watts, les options consistent à réduire la puissance, à accepter une durée de vie plus courte ou à utiliser une méthode de chauffage alternative. Un échangeur de chaleur externe peut être plus adapté au service visqueux car il peut fournir plus de surface dans un volume plus petit.
Lorsqu'une configuration personnalisée est requise
Une configuration personnalisée de thermoplongeur en PTFE avec une faible densité de watts, une grande surface et une augmentation du débit est conçue pour l'exploitation des réacteurs visqueux. Le processus de spécification nécessite la viscosité du fluide à la température de fonctionnement, les dimensions du réacteur, le type et la vitesse de l'agitateur, la puissance requise et l'exigence d'uniformité de la température.
