ボール タービュレーター (充填層) は、汚れの多いサービスの場合、PTFE チューブ内でどのように動作しますか?{0}}

標準的なタービュレーターは、スラリーやその他の汚れの多い液体で詰まる傾向があります。チューブには小さな可動球のベッドが充填されており、熱伝達の強化と機械的なスケール除去を備えたセルフクリーニング モードを提供します。-

熱交換器チューブの汚れ – 問題
多くの化学、製薬、バイオプロセス用途では、伝熱面が汚れやすい。ファウリングとは、塩、有機残留物、重合副産物、生物膜などの物質の堆積です。汚れ層の形成により熱抵抗が大幅に増加するため、頻繁に洗浄の停止が必要になります。ツイストテープやワイヤーコイルなどの従来の増強方法は、きれいな液体には役立ちますが、堆積物が付着して増殖する隙間ができるため、問題を悪化させる傾向があります。

耐食性と化学的不活性性を考慮して選択された PTFE チューブの場合、PTFE の疎水性の低摩擦表面により付着は減少しますが、防止されないため、汚れは特に発生しにくくなります。{0}汚れのひどいサービスの場合は、より積極的な自己洗浄ソリューションが必要です。-

ボールが詰まったベッドの仕組み
ボール タービュレーターは、チューブを満たす小さな緩い球が詰まったベッドです。通常、ボールは PTFE 自体、またはプロセス流体と化学的に完全に適合するアルミナやジルコニアなどのセラミック材料で形成されます。直径は通常 3 ～ 8 mm で、約 35 ～ 40% の空隙率のベッドを生成するように設計されています。ベッドはゆるく詰められており（ボールは融合または接着されていません）、スクリーンまたは穴あきエンドキャップによってチューブ内に保持されます。

プロセス流体はチューブを通って流れ、ボール間の曲がりくねった隙間を通って押し込まれます。その結果、低いグローバル流量で非常に高い局所速度と強い乱流が発生します。さらに重要なのは、ボール自体が静止していないということです。これらは流体の動きによって押し合い、回転し、場合によっては PTFE チューブの内壁にぶつかります。打撃は低エネルギーで、蓄積し始める堆積物を物理的に除去し、壁をきれいに保ちます。

ボールタービュレーターを備えた充填床 PTFE チューブ設計では、熱伝達プロセスは 2 段階になります。まず、無秩序な流路は、静的なインサートよりもはるかに効率的に断熱層を破壊します。第二に、回転ボールへの絶え間ない壁接触により、追加の直接伝導経路と運動量伝達が提供され、それによって熱伝達係数が大幅に向上します。

性能特性 熱伝達と圧力損失
ボール タービュレーターの熱伝達係数は非常に高く、同じ流れの状況では空のチューブの熱伝達係数の 2 ～ 4 倍になることがよくあります。ヌッセルト数の増加は、しっかりとねじったテープインサートの増加に匹敵しますが、継続的に壁を清掃するという重要な追加の利点もあります。

圧力降下は大きなトレードオフです。{0}}充填層は大きな流動抵抗を引き起こします。圧力低下は、ボールの直径、充填密度、流速に応じて、通常、空のチューブの場合の 5 ～ 15 倍になります。したがって、この技術は汚れがプラントの可用性に対する主な制約となるサービスにのみ使用されます。このような状況では、予定外の洗浄停止がなくなり、メンテナンスの手間が減り、長い運転期間にわたって安定した熱性能が得られるため、ポンピング エネルギーの追加は正当化されます。

粘性ポリマースラリーの加熱、結晶化溶液からの熱回収、細胞破片含有量の高い生物学的ブロスの処理などの特殊な用途において、チューブの洗浄を行わずに何か月も稼働できる利点により、エネルギー消費量の増加が相殺されます。ボールタービュレータは、圧力損失が低く、より簡単なアップグレードの方が安価であるため、クリーンな流体サービスではほとんど使用されません。

流動抵抗と層保持力
ボールは流れによって押し出されるのではなく、チューブ内に留まらなければなりません。流速が低い場合、床は軽く詰め込まれており、局所的な以外は動きません。しかし、速度が増加すると、ボールにかかる抗力によってベッド全体が膨張して流動化し始めたり、ボールが流れの中に浮遊した流動床のように作用したりすることがあります。

熱交換器チューブでは完全な流動化は通常望ましくありません。完全な流動化が起こると、ボールが壁に当たる頻度が減り、チューブの端から吹き飛ばされる可能性があるからです。したがって、床は一般に、流出部で保持スクリーンによって境界が定められる。さらに、チューブの長さは、床全体の圧力低下によって表面速度が最小流動速度 (Umf) 未満に保たれるような長さになっています。水-中の PTFE ボールの場合、ボールのサイズと密度に応じて、Umf は 0.5 ～ 1.0 m/s の速度で達成されます。セラミックボール（密度が高い）の場合、Umf はより高い速度で現れます。 Umf はデザイナーが通常作業する場所のすぐ下にあり、ボールは「詰まっているが撹拌されている」状態、つまり回転し、お互いや壁にこすり合っていますが、浮遊しているわけではありません。

ボールの素材の選択
もちろん、明らかな答えは、同じ化学的不活性性と非粘着性を維持するための PTFE チューブ用の PTFE ボールです。-密度は約 2.2 g/cm3 で、水や有機溶媒よりもはるかに高いため、チューブ内に留まります。 PTFE ボールは非常に柔らかいため、何百万回の衝突の後でもチューブの壁を損傷することはありません。

セラミック ボール (例: . 99.5% アルミナ、密度 ~3.9 g/cm3) は、硬い堆積物の衝撃力を高めるためにより高いボール重量が必要な場合、またはプロセス温度が PTFE の 110 度の制限を超える場合 (セラミックは 300 度まで動作します) に使用されます。セラミックはまた、より靭性が高く、より強力な洗浄作用を提供します。ただし、セラミック物質が長期間にわたって PTFE チューブの壁を摩耗させないように注意する必要があります。実際には、ほとんどの化学薬品には PTFE ボールが使用され、高温または特に粘り強い汚れにはセラミック ボールが使用されます。

実践のためのデザイン
PTFE チューブ用のボール タービュレーター充填ベッドの設計では、次のパラメーターが最適化されます。

ボール直径: 小さなチューブの場合は 3 ～ 5 mm (内径 10 ～ 20 mm)。大きなチューブの場合は 6 ～ 8 mm (内径 25 ～ 40 mm)。ボールが小さいほど壁との接触点が多くなりますが、圧力損失が大きくなります。

ベッドの長さ: 通常、チューブの直径は 10 ～ 30 です。ベッドが長いほど熱の伝達が多くなりますが、それに応じて圧力損失も増加します。

空隙率: ランダム最密充填の均質な球の場合、~ 0.35-0.40。これは、異なるサイズのボールを混合することで調整できますが、実際に行われることはほとんどありません。

保持方法: 両端に PTFE または PFA の穴あきディスク、穴の直径はボールの直径より小さい。入力ディスクは、流れのサージによるボールの排出を防ぎます。

精練作用は、柔らかいゼラチン状または結晶質の付着物の除去に特に効果的です。ボールタービュレーターは、低エネルギーの打撃ではしっかりと付着した堆積物を取り除くことができないため、硬く焼き付けられたコークスやスケールに対してはそれほど効果的ではありません。-ただし、そのような場合には定期的な化学洗浄が必要です。

ファウリングサービスにおける他の強化技術の比較
方法 熱伝達の強化 圧力損失の増加 汚れの軽減
空のパイプ、smoothBad ベースライン ベースライン
ツイストテープインサート 100-150% 200-600% なし (悪化することが多い)
コルゲートチューブ 20～60％ 30～100％ 軽微（粘着力低下）
ボール タービュレーター (充填層) 100-300% 500-1500% 優れた (継続的な洗浄)
結論
ボール タービュレーターはニッチですが、汚れがひどいサービスでの熱伝達を改善するための非常に効率的なオプションです。 PTFE チューブ内に小さな PTFE またはセラミック ボールを緩く詰めたこれらのベッドは、プロセスの流れに設置されます。複雑な乱流パターンを確立し、穏やかな衝撃によってチューブ壁を継続的に洗浄することにより、伝熱面を清潔に保ち、長期間の中断のない動作を可能にします。圧力降下のペナルティが大きいため、汚れによって通常はシャットダウンが繰り返されるような状況での使用が制限されます。さまざまな改善方法がさまざまな運用上の問題に適合しますが、汚れが多く、価値の高いプロセスの場合、ボール タービュレータ充填ベッドは、熱性能とセルフクリーニングの信頼性の比類のない組み合わせを実現します。-