چالش تقاضای گرمای غیریکنواخت-
یک راکتور جریان پیوسته برای سنتز واسطه دارویی، جریان واکنشی را پردازش می کند که به ورودی های حرارتی متفاوت در مراحل مختلف نیاز دارد. منطقه ورودی به شار حرارتی بالا نیاز دارد تا خوراک از محیط به دمای واکنش افزایش یابد. ناحیه میانی برای حفظ واکنش گرماگیر به حرارت متوسط نیاز دارد. منطقه خروجی به حداقل حرارت{3}}تنها نگهداری دما نیاز دارد زیرا واکنش به پایان می رسد.
یک مبدل حرارتی یک-منطقه ای، که در تمام طول آن به طور یکنواخت گرم می شود، نمی تواند به طور مؤثر این تقاضای غیریکنواخت-را برآورده کند. منطقه ورودی کمتر گرم می شود، منطقه خروجی بیش از حد گرم می شود. راکتور کیفیت محصول ناسازگار تولید می کند و انرژی را هدر می دهد.
یک مبدل حرارتی سفارشی PTFE با مناطق گرمایش مرحلهای و کنترلشده مستقل این مشکل را حل میکند. هر منطقه یک مدار لوله مجزا با منبع بخار و کنترل دما است که به اندازه ای است که وظیفه گرمای ویژه مورد نیاز در آن مرحله از راکتور را ارائه می دهد.
متدولوژی طراحی منطقه مرحلهای
راکتور بر اساس سینتیک واکنش به مناطق حرارتی تقسیم می شود. برای یک راکتور سه مرحلهای با مراحل گرمایش تغذیه، حفظ واکنش و نگهداری دما، سه مدار لوله PTFE طراحی شدهاند که هر یک بخش طولی مربوطه راکتور را اشغال میکند.
منطقه 1 (پیش گرمای تغذیه): اندازه برای بالاترین شار حرارتی-که تغذیه را از 25 درجه به 120 درجه در 20٪ اول طول راکتور افزایش می دهد. این زون دارای بیشترین چگالی لوله است و بخار را در بالاترین فشار (4 بارگ) دریافت می کند.
منطقه 2 (پایدار واکنش): اندازه برای ورودی گرمای متوسط-تامین گرمای گرماگیر واکنش به اضافه تلفات حرارتی جزئی. چگالی لوله کمتر از منطقه 1 است. فشار بخار 2-3 بارگ است.
منطقه 3 (نگهداری دما): اندازه برای حداقل ورودی گرما{1}} که اتلاف حرارت محیط را از طریق پوسته راکتور جبران می کند. چگالی لوله کم است. فشار بخار 1-2 بارگ است یا به جای بخار از آب گرم استفاده می کند.
هر منطقه دارای سنسور دما، شیر کنترل، تله بخار و اتصال برگشت میعانات است. این سه ناحیه به طور مستقل عمل می کنند و هر کدام به دمای محل خود در راکتور پاسخ می دهند.
جدول 1: مشخصات مبدل حرارتی PTFE سه منطقه ای (راکتور جریان پیوسته، سرعت تغذیه 100 لیتر در ساعت)
| پارامتر مشخصات | منطقه 1 (پیش گرم کردن) | منطقه 2 (واکنش) | منطقه 3 (نگهداری) |
|---|---|---|---|
| طول راکتور اشغال شده (%) | 0-20% | 20-70% | 70-100% |
| وظیفه حرارتی (کیلو وات) | 22 | 15 | 3 |
| لوله OD × دیوار (میلی متر) | 10 × 1.0 | 10 × 1.0 | 8 × 0.8 |
| تعداد لوله در هر منطقه | 48 | 32 | 12 |
| فاصله لوله (از مرکز-به-مرکز، میلی متر) | 22 (فشار) | 28 (متوسط) | 35 (پراکنده) |
| فشار بخار (بارگ) | 4.0 | 2.5 | 1.0 |
| نوع شیر کنترل | تعدیل کننده، پنوماتیک | تعدیل کننده، پنوماتیک | تعدیل کننده، پنوماتیک |
| نوع سنسور دما | PT100 RTD، 3 سیم | PT100 RTD، 3 سیم | PT100 RTD، 3 سیم |
| زهکشی میعانات | تله F&T انفرادی در هر منطقه | تله F&T انفرادی در هر منطقه | تله F&T انفرادی در هر منطقه |
عایق حرارتی بین-منطقه
این سه منطقه از نظر فیزیکی در داخل یک پوسته راکتور مجاور هستند. هدایت حرارتی از طریق سیال فرآیند و دیواره های لوله PTFE باعث انتقال حرارت از مناطق گرمتر به مناطق سردتر می شود. اندازه منطقه شامل 10-15% حاشیه برای جبران انتقال حرارت بین منطقه است.
صفحات بافل PTFE نازک بین مناطق، اختلاط سیال و مکالمه متقاطع حرارتی-را بدون ایجاد مانع قابل توجه در جریان فرآیند کاهش میدهند. بافل ها از ورق جامد PTFE ساخته می شوند، برای عبور لوله شکاف دارند و در قاب پشتیبانی نصب می شوند. آنها تحت فشار نیستند-محکم-سیال فرآیند از بین شکافهای بین لولهها و شکافهای بافل جریان مییابد-اما اختلاط همرفتی-در مقیاس بزرگ بین مناطق را سرکوب میکنند.
معماری سیستم کنترل
هر منطقه دارای یک حلقه کنترل دما PID مستقل است. کنترل کننده Zone 1 که دما را در انتهای بخش پیش گرم حس می کند، شیر بخار Zone 1 را تعدیل می کند. کنترل کننده های Zone 2 و Zone 3 به طور مشابه عمل می کنند و هر کدام دما را در مرز پایین دست منطقه خود حس می کنند.
می توان از یک استراتژی کنترل آبشاری استفاده کرد: خروجی کنترل کننده Zone 1، نقطه تنظیم Zone 2 را بایاس می کند، و Zone 2 Zone 3 را بایاس می کند. این عنصر فید{4} پاسخ به تغییرات نرخ جریان را بهبود می بخشد-هنگامی که نرخ تغذیه افزایش می یابد، منطقه 1 به جای افزایش حرارت، نیاز به گرمای بیشتری دارد، و سایر مناطق انتظار افت دما را افزایش می دهند تا سنسورهای منتظر افزایش دما را پیش بینی کنند.
خلاصه
یک مبدل حرارتی سفارشی PTFE با مناطق گرمایش مرحلهای، ظرفیت گرمایش را با سینتیک واکنش در راکتورهای جریان پیوسته مطابقت میدهد. هر ناحیه یک مدار لوله مستقل با اندازه، لوله کشی و کنترل شده است تا وظیفه گرمایی خاص مورد نیاز را در محل خود ارائه دهد. حفاظهای بین{2}}منطقهای بحث متقاطع حرارتی-را کاهش میدهند. کنترل آبشاری مناطق را برای پاسخ پایدار به تغییرات جریان هماهنگ می کند.
طراحی مرحلهای دقت کنترل دما را بهبود میبخشد، اتلاف انرژی ناشی از گرمای بیش از حد مناطق پاییندست را کاهش میدهد و مشخصات کیفی محصول سختتر را نسبت به طراحی یک منطقه-منفرد ممکن میسازد.
پشتیبانی مهندسی برای مشخصات مبدل حرارتی مرحلهای PTFE پس از ارائه ابعاد راکتور، نرخ تغذیه، دادههای سینتیک واکنش، مشخصات دمای مورد نیاز و فشار بخار موجود در دسترس است.
