Jakie jest ryzyko zanieczyszczania przy niskich prędkościach przepływu w wymienniku PTFE i jak można nim zarządzać?

Jeśli natężenie przepływu zostanie zredukowane do pełzającego, spadek ciśnienia będzie niewielki, ale umożliwi to również osiadanie zawieszonych materiałów i wzrost biofilmu na powierzchniach rurek PTFE. Wymiennik PTFE, który jest wystarczający pod względem hydraulicznym, może stać się systemem-podatnym na zanieczyszczenia, jeśli prędkość spadnie zbyt nisko, aby zapewnić warunki przepływu-samooczyszczającego się.

Mechanizmy zanieczyszczania w warunkach niskiego przepływu
Mechanizmy zanieczyszczania są znacznie odmienne w przypadku zanieczyszczającego wymiennika PTFE o niskiej prędkości przepływu niż w normalnych warunkach pracy. Gdy prędkość po stronie rury spadnie poniżej około 0,5 m/s, energia przepływu nie jest już wystarczająca do utrzymania zawieszonych cząstek.

W tym momencie cząstki stałe zaczynają osiadać pod wpływem grawitacji. Szybkość osiadania zależy od wielkości cząstek, gęstości i lepkości płynu. Cięższe lub większe cząstki osadzają się najpierw w strefach o niskiej energii, takich jak dna rur lub strefy stacjonarne.

Rozwój drobnoustrojów może również nastąpić, jeśli w płynie procesowym dostępne są składniki odżywcze. Ostatecznie bakterie przylgną do powierzchni i utworzą biofilm. Te biofilmy tworzą warstwę izolacyjną, która zmniejsza efektywność wymiany ciepła i wpływa na opór hydrauliczny.

PTFE ma niską energię powierzchniową i naturalnie wykazuje mniejszą przyczepność niż powierzchnie metalowe. Jednakże PTFE nie zapobiega zanieczyszczeniu w przypadkach, gdy siły hydrodynamiczne nie są wystarczające, aby zapobiec osadzaniu się.

Efektem netto jest stopniowa utrata wydajności cieplnej i powolny wzrost spadku ciśnienia w wyniku blokowania powierzchni wewnętrznych.

Zachowanie-samooczyszczania i próg-przepływu
Prędkość przepływu jest główną cechą decydującą o niebezpieczeństwie zanieczyszczania wymienników ciepła. Powyżej wartości krytycznej siły ścinające działające na ścianę hamują osadzanie się cząstek i w sposób ciągły usuwają warstwy zanieczyszczeń na wczesnym etapie.

Ten efekt samooczyszczania zanika poniżej około 0,5 m/s. Próg ten jest często traktowany jako praktyczna dolna granica dopuszczalnej pracy przy dostarczaniu czystej wody. W płynach zawierających zawiesinę lub cząstki stałe wymagane są wyższe prędkości minimalne, zwykle przekraczające 1,0 m/s, aby utrzymać zawiesinę i uniknąć sedymentacji.

Zanieczyszczanie jest-niezależne od czasu i odwracalne powyżej tych wartości granicznych, natomiast zależne od czasu-i trudniejsze do odwrócenia poniżej tych progów.

Skutki zanieczyszczeń przy niskiej prędkości
Skutki zanieczyszczenia w warunkach niskiego przepływu obejmują:

Osady izolacyjne zmniejszają współczynnik przenikania ciepła

Mniejsze kanały przepływowe oznaczają większy spadek ciśnienia

Nierówny rozkład przepływu w wiązkach rur

Przyspieszona korozja lub pogorszenie stanu wrażliwych systemów na skutek działania drobnoustrojów

Efekty te kumulują się, prowadząc do zmniejszenia efektywności wymienników i zwiększenia częstotliwości konserwacji.

Projektowe i operacyjne alternatywy łagodzące
Zarządzanie ryzykiem przy niskiej prędkości przepływu w przypadku zanieczyszczania wymiennika PTFE obejmuje połączenie konstrukcji hydraulicznej, kontroli chemicznej i projektu łatwości konserwacji.

Utrzymanie minimalnej prędkości
Jednym z głównych celów projektu jest utrzymanie wystarczającej prędkości po stronie rury, aby zapewnić działanie samooczyszczające. Dobrą zasadą jest:

Minimum tube side velocity >=0.5 m/s (czysty płyn)

Preferowana prędkość projektowa Większa lub równa 1,0 m/s dla niezawodnego-samooczyszczania

Projektując system, należy unikać długotrwałej-pracy poniżej tych poziomów.

Optymalizacja średnicy rury
Średnica rury ma bezpośredni wpływ na prędkość dla danego natężenia przepływu. Dla danego przepływu objętościowego mniejsze średnice rur prowadzą do wyższych prędkości, zwiększając siły ścinające ścian i zmniejszając potencjał zanieczyszczenia.

Ta metoda projektowania jest często skuteczniejsza niż zwiększanie rozmiaru rury, ponieważ powoduje to dalsze zmniejszenie prędkości i zwiększenie ryzyka osadzania się.

Recyrkulacja i kontrola przepływu
Jeżeli ograniczenia procesu wymagają niskiego przepływu netto, można dodać pętle recyrkulacyjne. Zwiększając współczynniki cyrkulacji wewnętrznej przy jednoczesnym utrzymaniu niskiej przepustowości netto, można zachować wystarczającą prędkość w rurach wymiennika.

Jest to często stosowane w wrażliwych procesach chemicznych i biochemicznych, gdzie nieunikniony jest niski ogólny przepływ.

Zarządzanie zanieczyszczeniami chemicznymi
Zanieczyszczenia biologiczne i osady są często kontrolowane za pomocą technik obróbki chemicznej. Są to:

Biocydy do kontroli wzrostu drobnoustrojów

Anty{0}}skalanty zapobiegające osadzaniu się minerałów

Techniki okresowego czyszczenia na miejscu (CIP).

Kontrola chemiczna jest ważną kwestią w wielu zastosowaniach przemysłowych, pomimo niskich właściwości adhezyjnych PTFE.

Projekt czyszczenia
Wymienniki powinny być skonstruowane tak, aby można było je łatwo czyścić mechanicznie lub chemicznie. To jest dla:

Tam, gdzie to możliwe, konstrukcje z prostymi rurami

Przystawki dostępne do kontroli i płukania

Kompatybilność z systemami CIP.

Łatwość konserwacji zaprojektowana w celu skrócenia przestojów i zminimalizowania długoterminowego gromadzenia się zanieczyszczeń.

Wytyczne projektowe-Kciukowa zasada
Praktyczny przewodnik inżynieryjny dotyczący minimalizacji ryzyka zanieczyszczania to:

Aby zapewnić optymalne-samooczyszczanie, wymagana jest minimalna prędkość boczna rury wynosząca. 1.0 m/s.

Próg ten zapewnia margines bezpieczeństwa, który zmniejsza wrażliwość na obciążenie cząstkami stałymi, tworzenie się biofilmu i nieprawidłową dystrybucję przepływu.

Wniosek
Niski przepływ jest głównym problemem w przypadku wymienników ciepła PTFE z powodu osadzania się cząstek i tworzenia biofilmu, gdy prędkość jest niższa od poziomu krytycznego. Powierzchnie PTFE zmniejszają tendencję do przylegania, ale nie mogą kompensować niewystarczającego ścinania hydrodynamicznego.

Łagodzenie może być skuteczne, jeśli zostaną uwzględnione proaktywne kwestie projektowe, takie jak zarządzanie prędkością, optymalizacja rozmiaru rur, obróbka chemiczna i planowanie łatwości konserwacji. Najlepszą kontrolą ryzyka zabrudzeń jest projekt techniczny, a nie-nieprzywierające właściwości materiału.

Ostatecznie najlepsze systemy wymienników ciepła to takie, które są zbudowane tak, aby przede wszystkim zapobiegać zabrudzeniom w przewidywanych warunkach pracy, a nie te, które są zależne od-środków zaradczych po zabrudzeniu.