โรงงานเคมีแห่งหนึ่งใช้ถังบำบัดขนาด 2,500-ลิตร สูง 2,200 มม. และเส้นผ่านศูนย์กลาง 1,200 มม. เครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE ถูกติดตั้งในแนวตั้งตามแนวผนังถัง เครื่องทำความร้อนล้มเหลวหลังจากใช้งานไปเพียงเจ็ดเดือน โดยพุพองจะกระจุกตัวอยู่ที่ส่วนบนที่สามของส่วนที่ให้ความร้อน ถังไม่มีการกวนเชิงกล แต่อาศัยการพาความร้อนตามธรรมชาติเพื่อกระจายความร้อน การแบ่งชั้นตามความร้อนที่พัฒนาในถังทรงสูงทำให้เกิดชั้นร้อนที่ด้านบนและชั้นเย็นที่ด้านล่าง และส่วนบนของเครื่องทำความร้อนทำงานในชั้นร้อน
การแบ่งชั้นด้วยความร้อนเกิดขึ้นเมื่อของไหลพัฒนาชั้นที่มีอุณหภูมิต่างกันอย่างคงที่ ชั้นต่างๆ จะไม่ผสมกันเนื่องจากของเหลวที่อุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่ายังคงอยู่ด้านบนของของเหลวที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่า ในถังสูงที่มีการไหลเวียนไม่ดี การแบ่งชั้นอาจรุนแรงได้
เหตุใดรถถังสูงจึงแบ่งชั้น
การแบ่งชั้นถูกขับเคลื่อนโดยการลอยตัว เมื่อเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE อุ่นของเหลวใกล้กับผนังถัง ของเหลวอุ่นจะเพิ่มขึ้น ในถังขนาดสั้น ของเหลวที่เพิ่มขึ้นจะไปถึงพื้นผิวอย่างรวดเร็วและกระจายไปผสมกับของเหลวที่เทกอง ในถังทรงสูง ของเหลวที่เพิ่มขึ้นจะสร้างชั้นที่มั่นคงที่ด้านบน ชั้นจะลึกขึ้นเมื่อมีของเหลวร้อนสะสมมากขึ้น
ความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชั้นบนและชั้นล่างอาจสูงถึง 15–25 องศาในถังทรงสูงโดยไม่มีการกวน ชั้นบนจะอุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่า ชั้นล่างจะเย็นกว่าและหนาแน่นกว่า ส่วนต่อประสานระหว่างเลเยอร์เป็นขอบเขตที่มั่นคงซึ่งต้านทานการผสม
| ความสูงของถัง | อัตราส่วนความสูง-ถึง-เส้นผ่านศูนย์กลาง | การผสมการพาความร้อนตามธรรมชาติ | บน-ถึง-ล่าง ΔT | ความเสี่ยงจากการแบ่งชั้น |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | ดี | 3–6 องศา | ต่ำ |
| 1,000–1,500 มม | 1:1 ถึง 1.5:1 | ปานกลาง | 6–12 องศา | ปานกลาง |
| 1,500–2,000 มม | 1.5:1 ถึง 2:1 | ยากจน | 12–18 องศา | สูง |
| >2,000 มม | >2:1 | แย่มาก | 18–25 องศา | สูงมาก |
ความสูงของถังและความเสี่ยงในการแบ่งชั้นในถังกระบวนการ
เหตุใดการแบ่งชั้นจึงทำให้อายุการใช้งานของฮีตเตอร์ PTFE สั้นลง
เครื่องทำความร้อนทำงานในสภาพแวดล้อมแบบแบ่งชั้น ส่วนล่างของเครื่องทำความร้อนอยู่ในของเหลวที่เย็นกว่าและมีความหนาแน่นมากกว่า ส่วนบนอยู่ในของเหลวที่อุ่นกว่าและมีความหนาแน่นน้อยกว่า ส่วนบนทำงานที่อุณหภูมิสูงกว่าส่วนล่าง
อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะช่วยเร่งทุกกลไกการย่อยสลาย การซึมผ่าน ออกซิเดชัน และการสะสมตะกรันทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ส่วนบนของเครื่องทำความร้อนเสื่อมสภาพเร็วกว่าส่วนล่าง ฟองพุ่งเน้นที่ด้านบน
การแบ่งชั้นยังช่วยลดแรงผลักดันในการถ่ายเทความร้อน ของเหลวที่ด้านบนของถังอุ่นอยู่แล้ว ดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเครื่องทำความร้อนและของเหลวจึงน้อยลง เครื่องทำความร้อนจะต้องทำงานร้อนขึ้นเพื่อส่งความร้อนเท่าเดิม ซึ่งเร่งการย่อยสลายเพิ่มเติม
เหตุใดการพาความร้อนตามธรรมชาติจึงไม่สามารถเอาชนะการแบ่งชั้นได้
การพาความร้อนตามธรรมชาติถูกขับเคลื่อนโดยความแตกต่างของความหนาแน่นระหว่างของไหลที่ให้ความร้อนและของไหลตัวทำความเย็น ในถังสูง ความแตกต่างของความหนาแน่นไม่มากพอที่จะเอาชนะชั้นที่มั่นคงได้ ของเหลวที่ให้ความร้อนจะเพิ่มขึ้นและคงอยู่ด้านบน มันไม่ผสมกับน้ำยาทำความเย็นด้านล่าง
การแบ่งชั้นจะมีเสถียรภาพมากขึ้นเมื่อความแตกต่างของอุณหภูมิเพิ่มขึ้น ความแตกต่าง 15 องศาระหว่างชั้นบนและชั้นล่างทำให้เกิดความแตกต่างของความหนาแน่นที่ต้านทานการผสม ชั้นต่างๆ ยังคงมีเสถียรภาพจนกว่าความปั่นป่วนทางกลหรือการรบกวนจะทำลายชั้นเหล่านั้น
การป้องกันการแบ่งชั้นในถังสูง
การป้องกันที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือความปั่นป่วนทางกล ปั๊มหมุนเวียน ตัวขับกระแส หรือท่อกระจายสามารถทำลายชั้นที่มั่นคงและผสมถังได้ การกวนต้องเพียงพอที่จะเปลี่ยนปริมาตรถังในเวลาที่เหมาะสม อัตราการหมุนเวียน 2-4 ครั้งต่อชั่วโมงนั้นเพียงพอสำหรับถังกระบวนการส่วนใหญ่
เครื่องทำความร้อนที่มีความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่าจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างเครื่องทำความร้อนและของเหลว อุณหภูมิพื้นผิวที่ต่ำกว่าจะลดการลอยตัว-โดยการแบ่งชั้นที่ขับเคลื่อน และชะลอการเสื่อมสภาพของส่วนเครื่องทำความร้อนส่วนบน
เครื่องทำความร้อนหลายตัวกระจายอยู่ที่ความสูงต่างกันในถังให้ความร้อนสม่ำเสมอมากขึ้นและลดการไล่ระดับของอุณหภูมิ เครื่องทำความร้อนที่ด้านล่างจะทำความร้อนให้กับของเหลวทำความเย็น และเครื่องทำความร้อนที่ด้านบนจะทำหน้าที่รักษาของเหลวที่อุ่นกว่า ผลลัพธ์ที่ได้คือโปรไฟล์อุณหภูมิที่สม่ำเสมอยิ่งขึ้น
| มาตรการป้องกัน | ผลต่อการแบ่งชั้น | การนำไปปฏิบัติ | ค่าใช้จ่าย |
|---|---|---|---|
| ความปั่นป่วนทางกล | แตกเป็นชั้นๆ | ปั๊ม ตัวเหนี่ยวนำ หรือสปาร์ค | ปานกลาง |
| ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า | ช่วยลดการลอยตัว | การออกแบบเครื่องทำความร้อน | ปานกลาง |
| เครื่องทำความร้อนหลายเครื่องที่ความสูงต่างกัน | เครื่องทำความร้อนสม่ำเสมอ | เค้าโครงเครื่องทำความร้อน | สูงกว่า |
| ฉนวนถัง | ช่วยลดการสูญเสียความร้อน | ฉนวนกันความร้อน | ปานกลาง |
มาตรการป้องกันการแบ่งชั้นด้วยความร้อนในถังกระบวนการทรงสูง
เมื่อการแบ่งชั้นบ่งบอกถึงปัญหาการออกแบบ
ถังสูงที่แบ่งชั้นแม้จะมีการกวนเชิงกล บ่งชี้ว่าการกวนไม่ถึงปริมาตรเต็มถัง หรือรูปแบบเครื่องทำความร้อนไม่เหมาะกับรูปทรงของถัง การกำหนดค่าเครื่องทำความร้อนแบบแช่ PTFE แบบกำหนดเองที่มีเครื่องทำความร้อนหลายเครื่องที่ความสูงต่างกัน ความหนาแน่นของวัตต์ต่ำลง และรูปแบบการไหลที่ปรับให้เหมาะสม- จะช่วยแก้ไขสาเหตุที่แท้จริงของการแบ่งชั้น กระบวนการกำหนดคุณสมบัติต้องใช้ขนาดของถัง วิธีการกวน ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิที่สม่ำเสมอ และกำลังไฟที่ต้องการ สำหรับโรงงานที่มีถังกระบวนการทรงสูง การประยุกต์ใช้-แนวทางเฉพาะนี้ช่วยลดการแบ่งชั้นและยืดอายุการใช้งานของเครื่องทำความร้อน
