เครื่องหมุนลูกบอล (เตียงบรรจุ) ทำงานอย่างไรในท่อ PTFE สำหรับบริการที่มีคราบสกปรกสูง-

เครื่องปั่นแบบมาตรฐานมักจะอุดตันด้วยสารละลายหรือของเหลวที่เปรอะเปื้อนอย่างหนัก ท่อบรรจุด้วยฐานทรงกลมขนาดเล็กที่สามารถเคลื่อนย้ายได้ซึ่งมีโหมดการทำความสะอาดตัวเอง- พร้อมการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนและการขจัดตะกรันด้วยกลไก

การเปรอะเปื้อนของท่อแลกเปลี่ยนความร้อน – ปัญหา
พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนมีแนวโน้มที่จะเกิดคราบสกปรกในการใช้งานทางเคมี เภสัชกรรม และกระบวนการทางชีวภาพหลายชนิด การเปรอะเปื้อนคือการสะสมของสารต่างๆ เช่น เกลือ สารตกค้างอินทรีย์ ผลพลอยได้จากการเกิดปฏิกิริยาพอลิเมอไรเซชัน หรือฟิล์มชีวภาพ ความต้านทานความร้อนเพิ่มขึ้นอย่างมากเมื่อเกิดชั้นที่เปรอะเปื้อน และจำเป็นต้องปิดระบบทำความสะอาดบ่อยครั้ง วิธีการเสริมแบบทั่วไป เช่น เทปบิดหรือขดลวด แม้จะมีประโยชน์สำหรับของเหลวที่สะอาด แต่ก็มีแนวโน้มที่จะทำให้ปัญหารุนแรงขึ้น เนื่องจากทำให้เกิดรอยแยกสำหรับการสะสมตัวเพื่อเกาะติดและแพร่ขยาย

สำหรับท่อ PTFE ซึ่งได้รับการเลือกให้ทนทานต่อการกัดกร่อนและความเฉื่อยของสารเคมี การเปรอะเปื้อนอาจทำได้ยากเป็นพิเศษ เนื่องจากพื้นผิวที่ไม่ชอบน้ำและมีแรงเสียดทานต่ำ-ของ PTFE จะลดลง แต่ไม่ได้ป้องกันการยึดเกาะ สำหรับบริการที่มีการเปรอะเปื้อนสูง จำเป็นต้องมีโซลูชันการทำความสะอาดตัวเอง-เชิงรุกมากขึ้น

วิธีการทำงานของลูกบอลที่บรรจุไว้
เครื่องสั่นลูกบอลคือเตียงที่อัดแน่นไปด้วยทรงกลมเล็กๆ ที่หลวมๆ บรรจุอยู่ในท่อ โดยปกติแล้วลูกบอลจะถูกสร้างขึ้นจาก PTFE เองหรือด้วยวัสดุเซรามิก เช่น อลูมินาหรือเซอร์โคเนีย ซึ่งเข้ากันได้ทางเคมีอย่างสมบูรณ์กับของไหลในกระบวนการ โดยทั่วไปเส้นผ่านศูนย์กลางจะอยู่ที่ 3–8 มม. ซึ่งออกแบบมาเพื่อสร้างเตียงโดยมีเปอร์เซ็นต์ช่องว่างประมาณ 35–40% เตียงถูกบรรจุไว้อย่างหลวมๆ (ลูกบอลไม่ได้ถูกหลอมหรือติดกาวเข้าด้วยกัน) และยึดไว้ในท่อโดยใช้ตะแกรงหรือที่ปิดปลายแบบมีรู

ของไหลในกระบวนการไหลผ่านท่อ และถูกบังคับให้สานผ่านช่องว่างระหว่างหน้าอันคดเคี้ยวระหว่างลูกบอล ซึ่งส่งผลให้เกิดความเร็วในท้องถิ่นที่สูงมากและความปั่นป่วนที่รุนแรง โดยมีอัตราการไหลทั่วโลกต่ำ ที่สำคัญกว่านั้นคือลูกบอลไม่ได้อยู่นิ่ง พวกมันถูกกระแทกและหมุนโดยการเคลื่อนที่ของของไหล และบางครั้งก็ชนเข้ากับผนังด้านในของท่อ PTFE การกระแทกนั้นใช้พลังงานต่ำและกำจัดสิ่งสะสมที่เริ่มก่อตัวเพื่อรักษาผนังให้สะอาด

ในการออกแบบท่อ PTFE แบบเบดบรรจุพร้อมเครื่องปั่นทรงกลม กระบวนการถ่ายเทความร้อนเป็นสองเท่า ขั้นแรก เส้นทางการไหลที่วุ่นวายจะรบกวนชั้นกั้นความร้อนอย่างมีประสิทธิภาพมากกว่าส่วนแทรกแบบคงที่ใดๆ ประการที่สอง การสัมผัสผนังอย่างต่อเนื่องกับลูกบอลที่กำลังหมุนทำให้เกิดเส้นทางนำไฟฟ้าโดยตรงและการถ่ายเทโมเมนตัมเพิ่มเติม ดังนั้นจึงช่วยเพิ่มค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้อย่างมาก

คุณลักษณะด้านประสิทธิภาพ การถ่ายเทความร้อนและการสูญเสียแรงดัน
เครื่องหมุนกังหันสามารถมีค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนได้สูงมาก ซึ่งมักจะเป็น 2 ถึง 4 เท่าของค่าสัมประสิทธิ์ของท่อเปล่าในสถานการณ์การไหลเดียวกัน การเพิ่มหมายเลข Nusselt เทียบได้กับการใช้เทปพันเกลียวแน่น แต่มีประโยชน์เพิ่มเติมที่สำคัญคือการทำความสะอาดผนังอย่างต่อเนื่อง

แรงกดดันที่ลดลงถือเป็นการแลกเปลี่ยนที่สำคัญ- เตียงบรรจุทำให้เกิดความต้านทานการไหลมาก โดยทั่วไปความดันที่ลดลงจะอยู่ที่ 5 ถึง 15 เท่าของท่อเปล่า ขึ้นอยู่กับเส้นผ่านศูนย์กลางของลูกบอล ความหนาแน่นของการอัดตัว และความเร็วการไหล ดังนั้นเทคนิคนี้จึงใช้สำหรับบริการที่การเปรอะเปื้อนเป็นข้อจำกัดหลักต่อความพร้อมของโรงงานเท่านั้น ในสถานการณ์เช่นนี้ พลังงานในการสูบที่เพิ่มขึ้นจะสมเหตุสมผลโดยการยกเลิกการปิดระบบทำความสะอาดที่ไม่ได้กำหนดไว้ ลดแรงงานในการบำรุงรักษา และประสิทธิภาพการระบายความร้อนที่สม่ำเสมอตลอดระยะเวลาการทำงานที่ยาวนาน

ประโยชน์ของการทำงานหลายเดือนโดยไม่ต้องทำความสะอาดท่อในการใช้งานเฉพาะทาง เช่น การทำความร้อนสารละลายโพลีเมอร์ที่มีความหนืด หรือการนำความร้อนกลับมาจากสารละลายที่ตกผลึก หรือการแปรรูปน้ำซุปชีวภาพที่มีปริมาณเศษเซลล์สูง จะช่วยชดเชยการใช้พลังงานที่สูงขึ้น เครื่องปั่นกังหันลูกบอลไม่ค่อยถูกนำมาใช้ในการบริการของเหลวที่สะอาด เนื่องจากการอัพเกรดที่ง่ายกว่าโดยมีแรงดันตกที่ลดลงจะมีราคาถูกกว่า

ความต้านทานของฟลูอิไดเซชันและการกักเก็บเบด
ลูกบอลจะต้องอยู่ในท่อ ไม่ถูกกระแสน้ำผลักออก ที่ความเร็วการไหลต่ำ เตียงจะถูกอัดแน่นเบาๆ และไม่เคลื่อนที่นอกเหนือจากในพื้นที่ แต่เมื่อความเร็วเพิ่มขึ้น แรงดึงบนลูกบอลอาจทำให้ทั้งเบดขยายตัวและเริ่มฟลูอิไดซ์เบด หรือทำตัวเหมือนฟลูอิดไดซ์เบดโดยที่ลูกบอลลอยอยู่ในการไหล

โดยปกติแล้วการทำให้ของเหลวโดยสมบูรณ์เป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ในท่อแลกเปลี่ยนความร้อน เนื่องจากลูกบอลจะกระแทกผนังน้อยลงและสามารถเป่าออกจากปลายท่อได้ ดังนั้น โดยทั่วไปเตียงจึงถูกกั้นด้วยฉากกั้นที่ทางไหลออก นอกจากนี้ ความยาวของท่อทำให้ความดันโดยรวมลดลงทั่วทั้งเบดทำให้ความเร็วพื้นผิวต่ำกว่าความเร็วฟลูอิเดเซชันขั้นต่ำ (Umf) สำหรับลูกบอล PTFE ในน้ำ-เช่นของเหลว Umf จะได้รับที่ความเร็ว 0.5-1.0 ม./วินาที ขึ้นอยู่กับขนาดและความหนาแน่นของลูกบอล สำหรับลูกบอลเซรามิก (ความหนาแน่นมากขึ้น) Umf จะปรากฏที่ความเร็วสูงกว่า Umf อยู่ด้านล่างซึ่งเป็นที่ที่นักออกแบบมักทำงาน โดยที่ลูกบอลอยู่ในสถานะ "แน่นแต่กระสับกระส่าย" หมุนและถูกันและกับผนัง แต่ไม่ได้แขวนไว้

การเลือกใช้วัสดุสำหรับลูกบอล
คำตอบที่ชัดเจนคือลูกบอล PTFE สำหรับท่อ PTFE เพื่อรักษาความเฉื่อยทางเคมีและคุณสมบัติไม่{0}}ติดกันเหมือนเดิม มีความหนาแน่นประมาณ 2.2 ก./ซม.3 ซึ่งสูงกว่าน้ำหรือตัวทำละลายอินทรีย์มาก และยังคงอยู่ในหลอด ลูกบอล PTFE นิ่มมากจนไม่ทำให้ผนังท่อเสียหายแม้ว่าจะชนกันนับล้านครั้งก็ตาม

ลูกบอลเซรามิก (เช่น. 99.5% อลูมินา ความหนาแน่น ~3.9 ก./ซม.3) ถูกนำมาใช้ในกรณีที่ต้องมีน้ำหนักลูกบอลสูงกว่าเพื่อเพิ่มแรงกระแทกสำหรับการสะสมตัวที่เหนียว หรือในกรณีที่อุณหภูมิกระบวนการเกินขีดจำกัด 110 องศาของ PTFE (เซรามิกทำงานได้สูงถึง 300 องศา ) เซรามิกยังมีความทนทานมากกว่า ทำให้ทำความสะอาดได้แรงกว่า แต่ต้องระมัดระวังด้วยว่าสารเซรามิกจะไม่กัดกร่อนผนังท่อ PTFE เป็นเวลานาน ในทางปฏิบัติ การใช้ลูกบอล PTFE สำหรับบริการทางเคมีส่วนใหญ่ และใช้ลูกบอลเซรามิกสำหรับอุณหภูมิสูงหรือการเปรอะเปื้อนที่เหนียวเหนอะหนะเป็นเรื่องปกติ

การออกแบบเพื่อการปฏิบัติ
ในการออกแบบเตียงบรรจุเครื่องปั่นลูกบอลสำหรับท่อ PTFE พารามิเตอร์ต่อไปนี้จะได้รับการปรับปรุงให้เหมาะสม:

เส้นผ่านศูนย์กลางลูกบอล: 3-5 มม. สำหรับท่อขนาดเล็ก (ID 10-20 มม.) 6-8 มม. สำหรับท่อขนาดใหญ่ (ID 25-40 มม.) ลูกบอลขนาดเล็กจะมีจุดสัมผัสกับผนังมากกว่า แต่มีแรงดันตกคร่อมมากกว่า

ความยาวเตียง: โดยทั่วไปมีเส้นผ่านศูนย์กลางท่อ 10-30 เตียงที่ยาวขึ้นหมายถึงการถ่ายเทความร้อนที่มากขึ้น แต่การสูญเสียความดันจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ

เศษส่วนที่เป็นโมฆะ: ~ 0.35-0.40 สำหรับทรงกลมที่เป็นเนื้อเดียวกันโดยบรรจุปิดแบบสุ่ม ซึ่งสามารถปรับได้โดยการผสมลูกบอลขนาดต่างๆ แต่ไม่ค่อยทำได้

วิธีการเก็บรักษา: แผ่นมีรูพรุนทำจาก PTFE หรือ PFA ที่ปลายทั้งสองข้าง มีเส้นผ่านศูนย์กลางรูน้อยกว่าเส้นผ่านศูนย์กลางลูกบอล แผ่นดิสก์อินพุตป้องกันไม่ให้ลูกบอลถูกดีดออกโดยกระแสไฟกระชาก

การดำเนินการกำจัดสิ่งสกปรกมีประสิทธิผลโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการขจัดสิ่งสะสมที่เปรอะเปื้อนแบบอ่อน แบบเจลหรือแบบผลึก เครื่องปั่นลูกบอลจะไม่มีประสิทธิภาพเท่ากับการอบแข็ง-บนโค้กหรือตะกรัน เนื่องจากการระเบิดพลังงานต่ำ-ไม่สามารถขจัดคราบที่เกาะแน่นออกได้ กรณีดังกล่าวยังต้องมีการทำความสะอาดสารเคมีเป็นระยะ

การเปรียบเทียบเทคนิคการปรับปรุงอื่น ๆ ในบริการการเปรอะเปื้อน
วิธีเพิ่มประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนเพิ่มแรงดันลดการเกิดตะกรัน
ท่อเปล่า เรียบ พื้นฐานไม่ดี
เทปพันเกลียว 100-150% 200-600% ไม่มี (มักทำให้แย่ลง)
ท่อลูกฟูก 20–60% 30–100% เล็กน้อย (ลดการยึดเกาะ)
Ball Turbulator (Packed Bed) 100-300% 500-1500%ดีเยี่ยม (ทำความสะอาดอย่างต่อเนื่อง)
บทสรุป
เครื่องปั่นลูกบอลเป็นตัวเลือกเฉพาะกลุ่มแต่มีประสิทธิภาพมากในการปรับปรุงการถ่ายเทความร้อนบนบริการที่มีการเปรอะเปื้อนอย่างรุนแรง เตียง PTFE หรือลูกบอลเซรามิกขนาดเล็กที่บรรจุอย่างหลวมๆ เหล่านี้ในท่อ PTFE ได้รับการติดตั้งในสตรีมกระบวนการ ด้วยการสร้างรูปแบบการไหลที่ซับซ้อนและปั่นป่วนและการล้างผนังท่ออย่างต่อเนื่องด้วยการกระแทกอย่างอ่อนโยน ทำให้พื้นผิวการถ่ายเทความร้อนสะอาดและเปิดใช้งานได้อย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานาน บทลงโทษแรงดันตกคร่อมขนาดใหญ่จำกัดการใช้งานเฉพาะสถานการณ์ที่ปกติแล้วการฟาวล์จะทำให้ต้องปิดเครื่องซ้ำหลายครั้ง วิธีการปรับปรุงที่แตกต่างกันจะเหมาะกับปัญหาการปฏิบัติงานที่แตกต่างกัน อย่างไรก็ตาม สำหรับกระบวนการที่มีการเปรอะเปื้อนสูงและมีมูลค่าสูง เตียงบรรจุลูกบอลปั่นหมาดจะให้ประสิทธิภาพการระบายความร้อนและ-ความน่าเชื่อถือในการทำความสะอาดตัวเองที่ไม่มีใครเทียบได้