یک کارخانه مواد شیمیایی مخزن فرآیند 2500 لیتری را با ارتفاع 2200 میلی متر و قطر 1200 میلی متر کار می کرد. یک بخاری غوطه وری PTFE به صورت عمودی در امتداد دیواره مخزن نصب شده بود. بخاری تنها پس از هفت ماه کارکرد از کار افتاد و تاول در یک سوم بالای بخش گرم شده متمرکز شد. مخزن هیچ حرکت مکانیکی نداشت - برای توزیع گرما به همرفت طبیعی متکی بود. لایه بندی حرارتی که در مخزن بلند ایجاد شد یک لایه داغ در بالا و یک لایه خنک در پایین ایجاد کرد و بخش بالایی بخاری در لایه داغ کار می کرد.
لایه بندی حرارتی زمانی اتفاق می افتد که یک سیال لایه های پایداری با دماهای مختلف ایجاد کند. لایه‌ها با هم مخلوط نمی‌شوند زیرا سیال گرمتر و چگال‌تر روی سیال خنک‌تر و متراکم‌تر باقی می‌ماند. در یک مخزن بلند با گردش ضعیف، طبقه بندی می تواند شدید باشد.
چرا تانک های بلند طبقه بندی می شوند؟
لایه بندی توسط شناوری هدایت می شود. هنگامی که یک بخاری غوطه وری PTFE سیال را در نزدیکی دیواره مخزن گرم می کند، سیال گرم شده بالا می رود. در یک مخزن کوتاه، سیال بالارونده به سرعت به سطح می رسد و پخش می شود و با توده مخلوط می شود. در یک مخزن بلند، سیال در حال افزایش یک لایه پایدار در بالا تشکیل می دهد. با تجمع مایع گرم شده بیشتر، لایه عمیق تر می شود.
اختلاف دما بین لایه های بالایی و پایینی می تواند در یک مخزن بلند و بدون تکان به 15 تا 25 درجه برسد. لایه بالایی گرمتر و چگالی کمتری دارد. لایه پایین تر و متراکم تر است. رابط بین لایه ها یک مرز پایدار است که در برابر اختلاط مقاومت می کند.
| ارتفاع تانک | نسبت ارتفاع-به-قطر | اختلاط همرفتی طبیعی | بالا-به-DT پایین | ریسک طبقه بندی |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | خوب | 3-6 درجه | پایین |
| 1000-1500 میلی متر | 1:1 تا 1.5:1 | متوسط | 6-12 درجه | متوسط |
| 1500-2000 میلی متر | 1.5:1 تا 2:1 | بیچاره | 12-18 درجه | بالا |
| >2000 میلی متر | >2:1 | خیلی فقیر | 18-25 درجه | خیلی بالا |
ارتفاع مخزن و خطر طبقه بندی در مخازن فرآیند
چرا لایه بندی عمر بخاری PTFE را کوتاه می کند؟
بخاری در یک محیط طبقه بندی شده کار می کند. بخش پایینی بخاری در سیال خنک تر و متراکم تر قرار دارد. بخش بالایی در سیال گرمتر و چگالی کمتر قرار دارد. قسمت بالایی در دمای بالاتری نسبت به قسمت پایین کار می کند.
دمای بالاتر هر مکانیزم تخریب را تسریع می کند. نفوذ، اکسیداسیون و رسوب رسوب همه با دما افزایش می یابد. قسمت بالایی بخاری سریعتر از قسمت پایینی خراب می شود. تاول در بالا متمرکز می شود.
طبقه بندی همچنین نیروی محرکه انتقال حرارت را کاهش می دهد. سیال بالای مخزن از قبل گرم شده است، بنابراین اختلاف دما بین بخاری و سیال کمتر است. بخاری باید گرمتر کار کند تا همان گرما را ارائه دهد، که تخریب را بیشتر تسریع می کند.
چرا همرفت طبیعی نمی تواند بر چینه بندی غلبه کند؟
همرفت طبیعی توسط اختلاف چگالی بین سیال گرم شده و سیال خنک‌تر هدایت می‌شود. در یک مخزن بلند، اختلاف چگالی به اندازه کافی بزرگ نیست تا بر لایه بندی پایدار غلبه کند. سیال گرم شده بالا می رود و در بالا باقی می ماند. با سیال خنک کننده زیر مخلوط نمی شود.
با افزایش اختلاف دما، طبقه بندی پایدارتر می شود. تفاوت 15 درجه ای بین لایه های بالا و پایین، اختلاف چگالی ایجاد می کند که در برابر مخلوط شدن مقاومت می کند. لایه ها تا زمانی که به هم زدن مکانیکی یا اختلالی آنها را بشکند پایدار می مانند.
جلوگیری از چینه بندی در تانک های بلند
موثرترین پیشگیری، تحریک مکانیکی است. یک پمپ سیرکولاسیون، یک ادوکتور یا یک لوله اسپرج می تواند لایه های پایدار را بشکند و مخزن را مخلوط کند. هم زدن باید به اندازه ای باشد که حجم مخزن را در زمان معقولی برگرداند. نرخ گردش 2 تا 4 بار در ساعت برای اکثر مخازن فرآیند کافی است.
بخاری با چگالی وات کمتر، اختلاف دما بین بخاری و سیال را کاهش می دهد. دمای سطح پایین تر، لایه بندی شناور- را کاهش می دهد و تخریب بخش بخاری بالایی را کاهش می دهد.
بخاری های متعددی که در ارتفاعات مختلف در مخزن توزیع شده اند گرمایش یکنواخت تری را فراهم می کنند و گرادیان دما را کاهش می دهند. بخاری های پایین سیال خنک کننده را گرم می کنند و هیترهای بالا سیال گرمتر را حفظ می کنند. نتیجه یک پروفایل دمایی یکنواخت تر است.
| اقدام پیشگیری | تاثیر بر طبقه بندی | پیاده سازی | هزینه |
|---|---|---|---|
| هم زدن مکانیکی | لایه ها را می شکند | پمپ، ادوکتور یا اسپرج | متوسط |
| چگالی وات کمتر | شناوری را کاهش می دهد | طراحی بخاری | متوسط |
| بخاری های متعدد در ارتفاع های مختلف | گرمایش یکنواخت | چیدمان بخاری | بالاتر |
| عایق مخزن | اتلاف حرارت را کاهش می دهد | عایق | متوسط |
اقدامات پیشگیرانه برای طبقه بندی حرارتی در مخازن فرآیند بلند
وقتی طبقه بندی یک مشکل طراحی را نشان می دهد
مخزن بلندی که علیرغم هم زدن مکانیکی لایه بندی می شود نشان می دهد که هم زدن به حجم کامل مخزن نمی رسد یا اینکه چیدمان بخاری برای هندسه مخزن مناسب نیست. یک پیکربندی سفارشی بخاری غوطه‌وری PTFE با چندین بخاری در ارتفاع‌های مختلف، چگالی وات کمتر و طرح‌بندی بهینه جریان{1}} علت اصلی طبقه‌بندی را برطرف می‌کند. فرآیند تعیین مشخصات به ابعاد مخزن، روش هم زدن، یکنواختی دما و وات مورد نیاز نیاز دارد. برای تأسیساتی با مخازن فرآیند بلند، این رویکرد خاص{4}}کاربرد، طبقه بندی را کاهش می دهد و عمر مفید بخاری را افزایش می دهد.
