Come funzionano i turbolatori a sfera (letti impaccati) nei tubi in PTFE per servizi ad alta-fouling?

I turbolatori standard tendono a intasarsi con fanghi o altri liquidi fortemente incrostanti. Il tubo è riempito con un letto di piccole sfere mobili che offre una modalità auto-pulente, con miglioramento del trasferimento di calore e decalcificazione meccanica.

Incrostazione dei tubi degli scambiatori di calore: il problema
Le superfici di trasferimento del calore sono soggette a incrostazioni in molte applicazioni chimiche, farmaceutiche e di bioprocessing. Il fouling è il deposito di sostanze quali sali, residui organici, sottoprodotti della polimerizzazione o pellicole biologiche. La resistenza termica aumenta significativamente con la formazione di uno strato di incrostazioni e spesso sono necessarie interruzioni per la pulizia. I metodi di aumento convenzionali come nastri attorcigliati o bobine di filo, sebbene utili per i fluidi puliti, tendono ad aggravare il problema perché creano fessure dove i depositi possono attaccarsi e proliferare.

Per i tubi in PTFE, che sono stati selezionati per la resistenza alla corrosione e l'inerzia chimica, la formazione di incrostazioni può essere particolarmente difficile perché la superficie idrofobica a basso-attrito del PTFE diminuisce, ma non impedisce, l'adesione. Per i servizi altamente inquinati, è necessaria una soluzione più aggressiva e autopulente.

Come funziona un letto pieno di palline
Un turbolatore a sfera è un letto pieno di piccole sfere sciolte che riempiono il tubo. Solitamente le sfere sono costituite dallo stesso PTFE o da materiali ceramici come allumina o zirconio, che sono completamente compatibili chimicamente con il fluido di processo. I diametri sono solitamente 3–8 mm, progettati per produrre un letto con una percentuale di vuoti di circa il 35–40%. Il letto è imballato in modo lasco (le sfere non sono fuse o incollate insieme) e trattenuto nel tubo da schermi o tappi terminali perforati.

Il fluido di processo scorre attraverso il tubo ed è costretto ad insinuarsi nei tortuosi spazi interstiziali tra le sfere. Ciò si traduce in velocità locali molto elevate e forte turbolenza, a basse portate globali. Ancora più importante, le palle stesse non sono a riposo. Vengono spinti e ruotati dal movimento del fluido e occasionalmente urtano la parete interna del tubo in PTFE. I colpi sono a bassa energia e rimuovono fisicamente qualsiasi deposito che inizia a formarsi mantenendo pulito il muro.

In un design con tubo in PTFE a letto impaccato con turbolatore a sfera, il processo di trasferimento del calore è duplice. Innanzitutto il percorso caotico del flusso distrugge lo strato di barriera termica in modo molto più efficiente di qualsiasi inserto statico. In secondo luogo, il contatto incessante della parete con le sfere rotanti fornisce un percorso conduttivo diretto aggiuntivo e un trasferimento di momento, migliorando così sostanzialmente il coefficiente di trasferimento di calore.

Caratteristiche prestazionali Trasferimento di calore rispetto alla perdita di pressione
I turbolatori a sfera possono avere coefficienti di trasferimento termico molto elevati, spesso da 2 a 4 volte quelli di un tubo vuoto per le stesse circostanze di flusso. L'aumento del numero di Nusselt è paragonabile a quello di un inserto di nastro strettamente attorcigliato ma con l'importante vantaggio aggiuntivo di una continua pulizia della parete.

La caduta di pressione è un importante compromesso-. Il letto impaccato provoca una grande resistenza al flusso. Le diminuzioni di pressione sono tipicamente da 5 a 15 volte quelle di un tubo vuoto a seconda del diametro della sfera, della densità dell'impaccamento e della velocità del flusso. Pertanto la tecnica viene utilizzata solo per quei servizi in cui il fouling rappresenta il principale vincolo sulla disponibilità dell'impianto. In tali circostanze, l’energia di pompaggio aggiuntiva è giustificata dall’eliminazione di arresti non programmati per la pulizia, dalla riduzione della manodopera di manutenzione e da prestazioni termiche costanti su lunghi periodi.

Il vantaggio di mesi di funzionamento senza pulizia dei tubi in applicazioni specializzate come il riscaldamento di fanghi polimerici viscosi o il recupero di calore da soluzioni cristallizzanti o la lavorazione di brodi biologici contenenti un elevato contenuto di detriti cellulari compensa il maggiore consumo di energia. I turbolatori a sfera vengono utilizzati raramente nel servizio con fluidi puliti poiché gli aggiornamenti più semplici con perdite di carico inferiori sono più economici.

Resistenza alla fluidificazione e ritenzione del letto
Le palline devono rimanere nel tubo e non essere espulse dal flusso. A basse velocità di flusso il letto è leggermente impaccato e non si muove se non localmente. Ma quando la velocità aumenta, la forza di trascinamento sulle sfere può far espandere l'intero letto e iniziare a fluidificarsi, o agire come un letto fluidizzato con le sfere sospese nel flusso.

Normalmente in un tubo di uno scambiatore di calore non è auspicabile una fluidificazione completa, poiché in questo caso le sfere colpirebbero meno spesso le pareti e potrebbero essere espulse dall'estremità del tubo. Pertanto, il letto è generalmente delimitato da uno schermo di contenimento in corrispondenza del deflusso. Inoltre, la lunghezza del tubo è tale che la diminuzione complessiva della pressione attraverso il letto mantiene la velocità superficiale al di sotto della velocità minima di fluidificazione (Umf). Per le sfere in PTFE immerse in liquidi simili all'acqua-, l'Umf viene raggiunta a velocità di 0,5-1,0 m/s a seconda delle dimensioni e della densità della sfera. Per le sfere ceramiche (densità maggiore) Umf appare a velocità più elevate. UMF è appena sotto il punto in cui lavorano comunemente i progettisti, dove le palline sono in uno stato "impacchettate ma agitate": ruotano e si sfregano l'una contro l'altra e contro il muro, ma non sono sospese.

Scelta del materiale per le palline
La risposta ovvia, ovviamente, sono le sfere in PTFE per tubi in PTFE, per mantenere la stessa inerzia chimica e le stesse qualità anti-aderenti. Hanno una densità di circa 2,2 g/cm3, molto superiore a quella dell'acqua o dei solventi organici, e quindi rimangono sedimentati nel tubo. Le sfere in PTFE sono così morbide che non danneggiano la parete del tubo anche dopo milioni di collisioni.

Le sfere in ceramica (ad es. . 99.5% di allumina, densità ~3,9 g/cm3) vengono utilizzate laddove è richiesto un peso maggiore della sfera per aumentare la forza di impatto per depositi tenaci o laddove la temperatura del processo supera il limite di 110 gradi del PTFE (le ceramiche funzionano fino a 300 gradi). La ceramica è anche più resistente e garantisce un'azione pulente più vigorosa. Bisogna però fare attenzione che la sostanza ceramica non abrada la parete del tubo in PTFE per lunghi periodi di tempo. In pratica, è consueto l'uso di sfere in PTFE per la maggior parte dei servizi chimici e di sfere in ceramica per alte temperature o incrostazioni particolarmente tenaci.

Progettare per la pratica
Nella progettazione di un letto impaccato con turbolatore a sfere per un tubo in PTFE, vengono ottimizzati i seguenti parametri:

Diametro della sfera: 3-5 mm per tubi piccoli (ID 10-20 mm); 6-8 mm per tubi più grandi (diametro interno 25-40 mm). Le sfere più piccole hanno più punti di contatto con la parete ma hanno una maggiore caduta di pressione.

Lunghezza del letto: tipicamente 10-30 diametri di tubo. Letti più lunghi significano un maggiore trasferimento di calore ma la perdita di pressione aumenta di conseguenza.

Frazione di vuoto: ~ 0,35-0,40 per sfere omogenee in impaccamento casuale. Questo può essere modificato mescolando palline di dimensioni diverse, ma viene fatto raramente.

Metodo di ritenzione: dischi perforati in PTFE o PFA su entrambe le estremità, diametro del foro inferiore al diametro della sfera. Il disco di ingresso impedisce l'espulsione delle sfere a causa dei picchi di flusso.

L'azione sgrassante è particolarmente efficace nell'eliminare depositi di incrostazioni molli, gelatinose o cristalline. I turbolatori a sfera non sono altrettanto efficaci per i prodotti duri, cotti-su coca cola o incrostati, perché i colpi a bassa-energia non possono rimuovere i depositi strettamente aderenti. Tali casi richiedono tuttavia una pulizia chimica periodica.

Confronto di altre tecniche di miglioramento nei servizi di incrostazione
Metodo Miglioramento del trasferimento di calore Aumento della caduta di pressione Mitigazione delle incrostazioni
Tubo vuoto, liscioBad Baseline Baseline
Inserto nastro ritorto 100-150% 200-600% Nessuno (spesso peggiora)
Tubo corrugato 20–60% 30–100%Minore (diminuisce l'adesione)
Ball Turbulator (letto imballato) 100-300% 500-1500% Eccellente (pulizia continua)
Conclusione
I turbolatori a sfera rappresentano un'opzione di nicchia ma molto efficiente per migliorare il trasferimento di calore su servizi gravemente sporchi. Questi letti poco impacchettati di piccole sfere di PTFE o ceramica in tubi di PTFE vengono installati nel flusso di processo. Creando schemi di flusso complessi e turbolenti e lavando continuamente la parete del tubo con impatti delicati, mantengono pulite le superfici di trasferimento del calore e consentono lunghi periodi di funzionamento ininterrotto. L'elevata penalizzazione della caduta di pressione ne limita l'uso a situazioni in cui le incrostazioni normalmente causerebbero arresti ripetuti. Diversi metodi di miglioramento si adattano a diversi problemi operativi, tuttavia, per processi ad alto valore e con elevata incrostazione, il letto impaccato con turbolatore a sfere offre una combinazione senza precedenti di prestazioni termiche e affidabilità autopulente.