U procesima u kojima je stvaranje kamenca neizbježno-kao što je zagrijavanje tvrde vode ili određenih mineralnih suspenzija-tradicionalni izmjenjivači se brzo izoliraju slojem stijene. Izmjenjivač s fluidiziranim slojem uzvrati rojem sitnih, prevrnutih čestica koje se melju sa kamenca čim se formira, održavajući PTFE cijevi čistima i protokom topline. Kombinacijom otpornosti na koroziju PTFE-a sa mehaničkim djelovanjem samočišćenja fluidiziranog sloja čestica, nova klasa izmjenjivača topline pruža stalne, visokoefikasne performanse u najizazovnijim uslugama skaliranja.
Problem skaliranja u konvencionalnim izmjenjivačima topline
Kamenac (koji se naziva i zarastanje) nastaje kada se otopljene soli, minerali ili suspendirane čvrste tvari talože na površine za prijenos topline. Tvrda voda taloži kalcijum karbonat. Mineralne suspenzije ostavljaju silikatne ili sulfatne ljuske. Čak i biološki rast može formirati film. U tradicionalnom izmjenjivaču školjki i cijevi ili pločastog izmjenjivača kamenac se akumulira tokom vremena. Toplinska otpornost sloja od 1 mm kalcijum karbonata je ekvivalentna dodavanju desetina milimetara čelika. Koeficijenti prijenosa topline drastično opadaju, što zahtijeva više temperature fluida, duže vrijeme zadržavanja ili periodična isključenja radi čišćenja.
Hemijsko čišćenje (cirkulacija kiseline) je korozivno i stvara opasan otpad. Mehaničko čišćenje (šipke, četke ili voda pod visokim pritiskom) zahtijeva da izmjenjivač bude isključen, ponekad danima. U teškim uslugama skaliranja, gubici u proizvodnji zbog čišćenja mogu premašiti kapitalne troškove izmjenjivača u roku od jedne godine.
Kako radi izmjenjivač topline s fluidiziranim slojem
Izmjenjivač topline s fluidiziranim slojem uključuje male, čvrste čestice-obično glinice, staklene perle, sačmu od nehrđajućeg čelika ili keramičke sfere-u tok tekućine. Ove čestice se nose zajedno s procesnom tekućinom unutar cijevi (ili na strani omotača, iako su fluidizirani slojevi na strani cijevi češći). Kako tečnost struji nagore kroz vertikalno orijentisane cijevi, čestice se zavlače. Oni se prevrću, sudaraju i nežno ređaju zidove unutrašnje cevi. Svaka ljuska koja se počne stvarati jezgrom se odmah istroši stalnim mehaničkim djelovanjem čestica koje se kreću.
Čestice nisu dovoljno abrazivne da oštete materijal cijevi. Za PTFE cijevi, koje su mekše od metala, veličina čestica, gustina i koncentracija su pažljivo kontrolirani. Tipični prečnici čestica se kreću od 1 do 5 mm, a koncentracije se drže ispod 5% zapremine. Čestice se odvajaju od procesnog fluida u većoj posudi za taloženje ili ciklonu na izlazu iz izmenjivača. Odatle se vraćaju u otvor, formirajući zatvorenu petlju. Sistem radi neprekidno, ne zahtevajući intervenciju operatera za čišćenje.
To je nježan, ali nemilosrdan vodeni mlaz unutar svake cijevi-osim što je "mlaz" zapravo hiljade čvrstih čestica koje se kreću malom brzinom, uklanjajući kamenac u ranoj fazi formiranja prije nego što može prerasti u izolacijski sloj.
Uparivanje tehnologije fluidiziranog sloja sa PTFE cijevima
PTFE (politetrafluoroetilen) cijevi nude izuzetnu hemijsku otpornost. Inertni su na jake kiseline, lužine i organske rastvarače. Međutim, PTFE ima nisku toplotnu provodljivost (otprilike 0,25 W/m·K) u poređenju sa metalima (15–400 W/m·K). Stoga je svaka dodatna otpornost na prljanje posebno štetna. Tanak sloj skale na PTFE cijevi može smanjiti prijenos topline za 50% ili više jer sama cijev već postavlja značajnu termičku barijeru.
Djelovanje samočišćenja fluidiziranog sloja je stoga još vrednije za PTFE cijevi nego za metalne cijevi. Kontinuiranim uklanjanjem kamenca, sloj osigurava da je jedini termički otpor sam PTFE zid plus granični slojevi fluida. Ukupni koeficijent prijenosa topline ostaje stabilan i predvidljiv tokom mjeseci ili godina rada.
Ciljna ključna riječizmjenjivač topline sa fluidiziranim slojem PTFE cijevi koje se samočisteinkapsulira ovu sinergiju: PTFE pruža zaštitu od korozije za agresivne tečnosti za stvaranje kamenca, dok fluidizovane čestice obezbeđuju mehaničko čišćenje koje hemijska ili termička sredstva ne mogu postići bez isključivanja.
Prednosti u uslugama ozbiljnog skaliranja
Teške usluge skaliranja uključuju:
Grijanje tvrde vodeu rashladnim tornjevima, kotlovima ili sistemima daljinskog grijanja. Kalcijum karbonat se brzo taloži iznad 60 stepeni. PTFE izmjenjivač sa fluidiziranim slojem može raditi neograničeno bez čišćenja kiselinom.
Koncentriranje mineralnih suspenzijau rudarstvu ili proizvodnji đubriva. Gips, kalcijum sulfat i fosfat su izuzetno izdržljivi. Fluidizirani sloj održava zidove cijevi čistima, održavajući stope proizvodnje.
Slane otopine isparavanjem ili predgrijavanje desalinizacijomgdje bi kristalizacija soli inače blokirala metalne cijevi. Neljepljiva površina PTFE u kombinaciji sa ribanjem čestica praktično eliminira prianjanje.
Rekuperacija otpadne topline iz tokova procesa skaliranjato bi ugrozilo konvencionalne izmjenjivače. Fluidizirani sloj omogućava povrat topline tamo gdje je to ranije bilo nemoguće.
Ključne operativne prednosti su:
Konstantan koeficijent prolaza toplote– Nema degradacije tokom vremena. Izmjenjivač radi projektnim kapacitetom od pokretanja do gašenja.
Bez hemijskog čišćenja– Eliminiše opasan otpad, skladištenje sredstava za čišćenje i korake neutralizacije.
Smanjeno vrijeme zastoja– Izmjenjivač nikada ne treba isključiti radi uklanjanja kamenca. Gašenja su ograničena na rijetke mehaničke preglede (svakih 2-5 godina).
Ušteda energije– Pošto koeficijent prolaza toplote ne opada, potrebna temperatura fluida ili brzina protoka ne treba da se povećavaju da bi se kompenzovalo zaprljanje. Snaga pumpanja za čestice je tipično 5-15% prenesene toplote, što je skromna kazna u poređenju sa prednostima.
Duži vijek trajanja cijevi– PTFE cijevi se ne troše značajno jer su čestice odabrane da budu mekše od materijala cijevi ili rade pri maloj brzini. U praksi, životni vijek cijevi od 5-10 godina je zabilježen u fluidizovanom sloju.
Tehnička razmatranja dizajna
Odabir čestica
Čestice moraju biti:
Dovoljno guste da ih tok fluida nosi prema gore, ali ne toliko gusto da se talože pri malim brzinama.
Dovoljno teško da izbrusi kamenac, ali ne toliko da erodira PTFE. Aluminijum (aluminijum oksid) ima Mohs-ovu tvrdoću od 9, što može da troši PTFE tokom vremena. Poželjne su staklene perle (tvrdoće 5-6) ili keramičke perle na bazi silicijum dioksida ili cirkonija. Za vrlo meke slojeve, mogu se koristiti rezane PTFE ili polimerne perle.
Hemijski inertan na procesnu tečnost. Staklo je pogodno za mnoge kisele ili neutralne tokove, dok se keramičke ili metalne čestice koriste za alkalne ili visokotemperaturne usluge.
Ujednačena veličina kako bi se izbjeglo pakiranje ili kanaliziranje. Čestice su obično sferične ili skoro sferične za predvidljivu fluidizaciju.
Geometrija i orijentacija cijevi
Tehnologija s fluidiziranim slojem najefikasnije radi s ravnim, okomito orijentiranim cijevima. Čestice se oslanjaju na gravitaciju i otpor fluida prema gore da bi recirkulacije. Horizontalne cijevi ili U-zavoji uzrokuju taloženje i blokadu čestica. Stoga je PTFE izmjenjivač topline s fluidiziranim slojem gotovo uvijek vertikalni dizajn školjke i cijevi s procesnim fluidom na strani cijevi (koja nosi čestice) i medijem za grijanje ili hlađenje na strani kućišta.
Prečnik cijevi mora biti dovoljno velik da omogući česticama prolaz bez premošćavanja. Minimalni unutrašnji prečnik cevi je obično 15-25 mm. PTFE cijevi su često poduprte vanjskom metalnom perforiranom navlakom kako bi se spriječilo urušavanje pod pritiskom fluidizirajućeg toka.
Brzina i pad pritiska
Brzina fluida mora premašiti "minimalnu brzinu fluidizacije" (brzinu kojom se sloj čestica širi i čestice suspenduju), ali ostati ispod "brzine uvlačenja" (gdje se čestice prebrzo izvlače iz cijevi). Za staklene perle od 2 mm u vodi, opseg je približno 0,5-2 m/s. Pad pritiska u snopu cijevi je veći nego u konvencionalnom izmjenjivaču-obično 50-100 kPa-zbog dodatnog otpora čestica. Ova kazna je prihvatljiva s obzirom na eliminaciju zastoja u čišćenju.
Odvajanje i recirkulacija
Na vrhu snopa cijevi, mješavina fluida i čestica izlazi u posudu za odvajanje velikog prečnika. Brzina protoka opada, dozvoljavajući česticama da se talože gravitacijom. Pročišćeni fluid nastavlja proces. Taložene čestice se skupljaju u rezervoar i vraćaju na ulaz preko recirkulacijske cijevi, često pomoću pužnog transportera ili noge za fluidizaciju. Brzina cirkulacije čestica se podešava kako bi se održala željena koncentracija (obično 2-5% volumena u epruvetama).
Primjena i industrijsko usvajanje
Izmjenjivači topline s fluidiziranim slojem s metalnim cijevima koriste se od 1970-ih u industrijama kao što su rafinacija šećera (grijanje soka od trske), geotermalna energija (rukovanje slanom otopinom kamenca) i tretman otpadnih voda. Međutim, mnoge tečnosti za stvaranje kamenca su takođe korozivne. Cijevi od nehrđajućeg čelika ili titanijuma otporne su na koroziju, ali su skupe i još uvijek zahtijevaju periodično čišćenje. PTFE cijevi, koje su i otporne na koroziju i neljepljive, prirodna su nadogradnja.
Nedavne instalacije su se pojavile u:
Biljke za đubrivo– Zagrijavanje suspenzije fosforne kiseline koja sadrži gips. PTFE cijevi otporne su na napad kiseline, dok fluidizirani sloj zaustavlja taloženje gipsa.
Predgrijači za desalinizaciju– Tretiranje morske vode hemikalijama protiv kamenca može se smanjiti ili eliminisati, smanjujući operativne troškove.
Zagrijavanje suspenzije za zatrpavanje rudnika– Mješavina jalovine i cementa koja brzo ljušti metalne površine. PTFE izmjenjivač sa fluidiziranim slojem održava prijenos topline mjesecima.
Ograničenja i budući pravci
PTFE izmjenjivači topline sa fluidiziranim slojem nisu univerzalno rješenje. Zahtijevaju više vertikalne konfiguracije, koje se možda ne uklapaju u postojeće rasporede postrojenja. Čestice dodaju složenost i početnu cijenu. Za tečnosti vrlo visokog viskoziteta, fluidizacija može biti loša. Niska toplotna provodljivost PTFE-a i dalje nameće osnovnu otpornost, tako da je tehnologija najprikladnija za servise u kojima bi zaprljanje inače učinilo metalni izmjenjivač neupotrebljivim, a ne za čiste fluide gdje bi metalni izmjenjivač bio efikasniji.
Istraživanja su u toku na manjim, lakšim česticama koje se mogu koristiti u horizontalnim ili kosim cijevima. Drugi razvoj je upotreba magnetnih čestica koje zadržavaju vanjski magneti, čime se eliminira potreba za posudom za odvajanje. Ipak, kombinacija PTFE cijevi sa samočišćućim fluidiziranim slojem već je dokazano rješenje za neke od najtežih problema industrijskog grijanja.
Sažetak: Gotovo savršeno rješenje za kamenac i koroziju
Tehnologija fluidiziranog sloja, kada je uparena sa PTFE cijevima, nudi gotovo savršeno rješenje za održavanje nagrizajućih struja koji se stvaraju skale da teče efikasno, eliminirajući veliku bolnu točku. Djelovanje samočišćenja cirkulirajućih čestica sprječava nakupljanje kamenca, održavajući konstantan koeficijent prijenosa topline bez zaustavljanja radi kemijskog ili mehaničkog čišćenja. PTFE obezbeđuje hemijsku otpornost koja nedostaje metalnim cevima, dok fluidizovani sloj prevazilazi nisku toplotnu provodljivost PTFE-a tako što obezbeđuje da se ne stvara dodatni sloj zaprljanja. Inovacija često znači kombinovanje dvije zrele tehnologije na nov način-iizmjenjivač topline sa fluidiziranim slojem PTFE cijevi koje se samočistekoncept je primjer iz udžbenika. Za procesne inženjere koji se suočavaju s dvostrukim izazovom korozije i skaliranja, ova tehnologija pretvara ono što je nekada bila noćna mora održavanja u operaciju postavljanja i zaboravljanja.
