Sebuah loji kimia mengendalikan tangki proses 2,500-liter yang tingginya 2,200 mm dan diameter 1,200 mm. Pemanas rendaman PTFE dipasang secara menegak di sepanjang dinding tangki. Pemanas gagal selepas hanya tujuh bulan diservis, dengan lepuh tertumpu pada sepertiga bahagian atas bahagian yang dipanaskan. Tangki itu tidak mempunyai pengadukan mekanikal-ia bergantung pada perolakan semula jadi untuk mengedarkan haba. Stratifikasi haba yang dibangunkan dalam tangki tinggi mencipta lapisan panas di bahagian atas dan lapisan sejuk di bahagian bawah, dan bahagian atas pemanas beroperasi dalam lapisan panas.
Stratifikasi terma berlaku apabila cecair membentuk lapisan stabil suhu berbeza. Lapisan tidak bercampur kerana cecair yang lebih panas dan kurang tumpat kekal di atas cecair yang lebih sejuk dan lebih tumpat. Dalam tangki tinggi dengan peredaran yang lemah, stratifikasi boleh menjadi teruk.
Mengapa Tangki Tinggi Berstratif
Stratifikasi didorong oleh daya apungan. Apabila pemanas rendaman PTFE memanaskan bendalir berhampiran dinding tangki, bendalir yang dipanaskan naik. Dalam tangki pendek, bendalir yang meningkat mencapai permukaan dengan cepat dan merebak, bercampur dengan pukal. Dalam tangki yang tinggi, bendalir yang meningkat membentuk lapisan yang stabil di bahagian atas. Lapisan semakin dalam apabila lebih banyak cecair yang dipanaskan terkumpul.
Perbezaan suhu antara lapisan atas dan bawah boleh mencapai 15–25 darjah dalam tangki tinggi tanpa pengadukan. Lapisan atas lebih panas dan kurang padat. Lapisan bawah lebih sejuk dan padat. Antara muka antara lapisan adalah sempadan yang stabil yang menentang pencampuran.
| Ketinggian Tangki | Nisbah Ketinggian-ke-Diameter | Percampuran Perolakan Semulajadi | Atas-hingga-Bawah ΔT | Risiko Stratifikasi |
|---|---|---|---|---|
| <1,000 mm | <1:1 | bagus | 3–6 darjah | rendah |
| 1,000–1,500 mm | 1:1 hingga 1.5:1 | Sederhana | 6–12 darjah | Sederhana |
| 1,500–2,000 mm | 1.5:1 hingga 2:1 | miskin | 12–18 darjah | tinggi |
| >2,000 mm | >2:1 | sangat miskin | 18–25 darjah | Sangat tinggi |
Ketinggian tangki dan risiko stratifikasi dalam tangki proses
Mengapa Stratifikasi Memendekkan Hayat Pemanas PTFE
Pemanas beroperasi dalam persekitaran berstrata. Bahagian bawah pemanas berada dalam cecair yang lebih sejuk dan padat. Bahagian atas berada dalam cecair yang lebih panas dan kurang tumpat. Bahagian atas beroperasi pada suhu yang lebih tinggi daripada bahagian bawah.
Suhu yang lebih tinggi mempercepatkan setiap mekanisme degradasi. Peresapan, pengoksidaan, dan pemendapan skala semuanya meningkat dengan suhu. Bahagian atas pemanas merosot lebih cepat daripada bahagian bawah. Lepuh tertumpu di bahagian atas.
Stratifikasi juga mengurangkan daya penggerak untuk pemindahan haba. Bendalir di bahagian atas tangki sudah hangat, jadi perbezaan suhu antara pemanas dan bendalir adalah lebih kecil. Pemanas mesti berjalan lebih panas untuk menyampaikan haba yang sama, yang mempercepatkan degradasi lagi.
Mengapa Perolakan Semulajadi Tidak Dapat Mengatasi Stratifikasi
Perolakan semula jadi didorong oleh perbezaan ketumpatan antara cecair yang dipanaskan dan cecair yang lebih sejuk. Dalam tangki yang tinggi, perbezaan ketumpatan tidak cukup besar untuk mengatasi lapisan yang stabil. Bendalir yang dipanaskan naik dan kekal di bahagian atas. Ia tidak bercampur dengan cecair yang lebih sejuk di bawah.
Stratifikasi menjadi lebih stabil apabila perbezaan suhu meningkat. Perbezaan 15 darjah antara lapisan atas dan bawah menghasilkan perbezaan ketumpatan yang menahan pencampuran. Lapisan kekal stabil sehingga pergolakan mekanikal atau gangguan memecahkannya.
Mencegah Stratifikasi dalam Tangki Tinggi
Pencegahan yang paling berkesan ialah pergolakan mekanikal. Pam edaran, eductor, atau paip sparge boleh memecahkan lapisan stabil dan mencampurkan tangki. Pergolakan mestilah mencukupi untuk menghidupkan isipadu tangki dalam masa yang munasabah. Kadar pusing ganti 2–4 kali sejam adalah memadai untuk kebanyakan tangki proses.
Pemanas dengan ketumpatan watt yang lebih rendah mengurangkan perbezaan suhu antara pemanas dan bendalir. Suhu permukaan yang lebih rendah mengurangkan stratifikasi-didorong keapungan dan melambatkan degradasi bahagian pemanas atas.
Pemanas berbilang yang diedarkan pada ketinggian berbeza dalam tangki memberikan pemanasan yang lebih seragam dan mengurangkan kecerunan suhu. Pemanas di bahagian bawah memanaskan cecair yang lebih sejuk, dan pemanas di bahagian atas mengekalkan cecair yang lebih panas. Hasilnya ialah profil suhu yang lebih seragam.
| Langkah Pencegahan | Kesan ke atas Stratifikasi | Perlaksanaan | kos |
|---|---|---|---|
| Pergolakan mekanikal | Memecahkan lapisan | Pam, eductor, atau sparge | Sederhana |
| Ketumpatan watt yang lebih rendah | Mengurangkan daya apungan | Reka bentuk pemanas | Sederhana |
| Pemanas berbilang pada ketinggian yang berbeza | Pemanasan seragam | Susun atur pemanas | Lebih tinggi |
| Penebat tangki | Mengurangkan kehilangan haba | Penebat | Sederhana |
Langkah-langkah pencegahan untuk stratifikasi haba dalam tangki proses tinggi
Apabila Stratifikasi Menunjukkan Masalah Reka Bentuk
Tangki tinggi yang berstrata walaupun pengadukan mekanikal menunjukkan bahawa pengadukan tidak mencapai isipadu tangki penuh atau susun atur pemanas tidak sesuai dengan geometri tangki. Konfigurasi pemanas rendaman PTFE tersuai dengan berbilang pemanas pada ketinggian yang berbeza, ketumpatan watt yang lebih rendah dan susun atur{1}}aliran yang dioptimumkan menangani punca stratifikasi. Proses spesifikasi memerlukan dimensi tangki, kaedah pengadukan, keperluan keseragaman suhu, dan watt yang diperlukan. Untuk kemudahan dengan tangki proses tinggi, pendekatan khusus-aplikasi ini mengurangkan stratifikasi dan memanjangkan hayat perkhidmatan pemanas.
