Quali sono i rischi di incrostazione a basse velocità di flusso in uno scambiatore in PTFE e come possono essere gestiti?

Se la portata viene ridotta a passo d'uomo, la caduta di pressione sarà bassa, ma consentirà anche ai materiali sospesi di depositarsi e ai biofilm di crescere sulle superfici del tubo in PTFE. Uno scambiatore in PTFE che sia idraulicamente sufficiente può diventare un sistema soggetto a incrostazioni-se la velocità scende troppo bassa per condizioni di flusso auto-pulenti.

Meccanismi di incrostazione in condizioni di basso flusso
I meccanismi di incrostazione sono molto diversi in uno scambiatore in PTFE a bassa velocità di flusso rispetto alle normali condizioni operative. Quando la velocità lato tubo si riduce al di sotto di circa 0,5 m/s l'energia del flusso non è più sufficiente a mantenere trascinate le particelle in sospensione.

A questo punto le particelle solide iniziano a depositarsi per gravità. La velocità di sedimentazione è determinata dalla dimensione delle particelle, dalla densità e dalla viscosità del fluido. Le particelle più pesanti o più grandi si depositeranno prima nelle zone a bassa energia come il fondo dei tubi o le zone stazionarie.

La crescita microbica può verificarsi anche se i nutrienti sono disponibili nel fluido di processo. Alla fine, i batteri si attaccheranno alle superfici e costruiranno biofilm. Questi biofilm formano uno strato isolante che diminuisce l'efficienza del trasferimento di calore e influisce sulla resistenza idraulica.

Il PTFE ha una bassa energia superficiale e presenta naturalmente una minore adesione rispetto alle superfici metalliche. Tuttavia, il PTFE non previene la formazione di incrostazioni nei casi in cui le forze idrodinamiche non sono sufficienti a prevenire la deposizione.

L'impatto netto è una graduale perdita di prestazione termica e un lento aumento della caduta di pressione dovuto al bloccaggio delle superfici interne.

Comportamento auto-pulente e soglia-della velocità di flusso
La velocità del flusso è la caratteristica principale che determina il pericolo di incrostazioni negli scambiatori di calore. Al di sopra di un valore critico, le forze di taglio sulla parete inibiscono la deposizione di particelle e rimuovono continuamente gli strati di incrostazione allo stadio iniziale.

Questo effetto autopulente si perde al di sotto di circa 0,5 m/s. Questa soglia viene spesso considerata come limite inferiore pratico per un funzionamento accettabile nell'erogazione di acqua pulita. Nei fluidi carichi di impasto liquido o particolato, sono necessarie velocità minime più elevate, generalmente superiori a 1,0 m/s, per mantenere la sospensione ed evitare la sedimentazione.

Il fouling è-indipendente dal tempo e reversibile al di sopra di questi limiti, mentre è-dipendente dal tempo e più difficile da invertire al di sotto di queste soglie.

Effetti dell'incrostazione a bassa velocità
Gli effetti dell'incrostazione in condizioni di basso flusso includono:

I depositi isolanti riducono il coefficiente di trasferimento del calore

Canali di flusso più piccoli significano una maggiore caduta di pressione

Distribuzione disuguale del flusso nei fasci tubieri

Corrosione accelerata o deterioramento indotto da microbi in sistemi vulnerabili

Questi effetti sono cumulativi, portando ad una diminuzione dell'efficacia degli scambiatori e ad un aumento della frequenza di manutenzione.

Alternative progettuali e di mitigazione operativa
La gestione del rischio di bassa velocità del flusso derivante dalle incrostazioni dello scambiatore in PTFE prevede un mix di progettazione idraulica, controllo chimico e progettazione di manutenibilità.

Mantenere la velocità minima
Uno dei principali obiettivi di progettazione è mantenere una velocità sufficiente sul lato del tubo per fornire un'azione auto-pulente. Una buona regola pratica è:

Minimum tube side velocity >=0.5 m/sec (fluido pulito)

Velocità di progettazione preferita Maggiore o uguale a 1,0 m/s per un'autopulizia affidabile

Il funzionamento a lungo-termine al di sotto di questi livelli dovrebbe essere evitato nella progettazione del sistema.

Ottimizzazione del diametro del tubo
La velocità per una determinata portata è direttamente influenzata dal diametro del tubo. Per un dato flusso volumetrico, diametri dei tubi più piccoli portano a velocità più elevate, aumentando le forze di taglio delle pareti e diminuendo il potenziale di incrostazione.

Questo metodo di progettazione è spesso più efficace dell'espansione delle dimensioni del tubo poiché ciò ridurrebbe ulteriormente la velocità e aumenterebbe il rischio di deposizione.

Ricircolo e controllo del flusso
Se i vincoli del processo richiedono un flusso netto basso, è possibile aggiungere circuiti di ricircolo. Aumentando la velocità di circolazione interna mantenendo al tempo stesso una portata netta bassa, è possibile preservare una velocità sufficiente all'interno dei tubi dello scambiatore.

Questo viene spesso impiegato in processi chimici e biochimici sensibili in cui un flusso complessivo basso è inevitabile.

Gestione delle incrostazioni chimiche
Le incrostazioni biologiche e incrostanti sono spesso controllate mediante tecniche di trattamento chimico. Questi sono:

Biocidi per il controllo della crescita microbica

Anti-incrostanti per prevenire la deposizione di minerali

Tecniche di pulizia periodica in loco (CIP).

Il controllo chimico è una questione importante in molte applicazioni industriali, nonostante le scarse qualità adesive del PTFE.

Progettazione della pulibilità
Gli scambiatori dovrebbero essere costruiti per una facile pulizia meccanica o chimica. Questo è per:

Ove possibile, design di tubi diritti

Testate accessibili per ispezione e lavaggio

Compatibilità con i sistemi CIP.

Manutenibilità progettata per ridurre i tempi di inattività e ridurre al minimo l'accumulo di incrostazioni a lungo termine.

Regola delle linee guida di progettazione-di-pollice
La guida pratica ingegneristica per ridurre al minimo il rischio di incrostazioni è:

Per un comportamento autopulente ottimale-è necessaria una velocità laterale minima del tubo di circa. 1.0 m/s.

Questa soglia fornisce un margine di sicurezza che diminuisce la sensibilità al carico di particolato, alla formazione di biofilm e alla cattiva distribuzione del flusso.

Conclusione
Le condizioni di basso flusso rappresentano un grave problema di incrostazione per gli scambiatori di calore in PTFE a causa della sedimentazione delle particelle e dello sviluppo di biofilm quando la velocità è inferiore ai livelli critici. Le superfici in PTFE diminuiscono la tendenza all'adesione ma non possono compensare un taglio idrodinamico insufficiente.

La mitigazione può essere efficace se vengono prese considerazioni di progettazione proattive come la gestione della velocità, l’ottimizzazione del dimensionamento dei tubi, il trattamento chimico e la pianificazione della manutenibilità. Il miglior controllo per il rischio di incrostazioni è la progettazione tecnica, non le-qualità antiaderenti del materiale.

In fin dei conti, i migliori sistemi di scambiatori di calore sono quelli costruiti per evitare in primo luogo la formazione di incrostazioni nelle condizioni operative previste piuttosto che quelli dipendenti da misure correttive post-incrostazioni.