Fatti a portata di mano: Calore

1 agosto 2022 | Di Kapil Bathla, Eastman Chemical Co.

I fluidi per il trasferimento di calore (HTF) forniscono il riscaldamento e il raffreddamento delle apparecchiature di processo, inclusi reattori, autoclavi, colonne di distillazione, ribollitori, miscelatori ed essiccatori. La progettazione dei sistemi HTF dovrebbe prevedere un efficace sfiato del sistema, sia dell'acqua residua all'avvio che dei prodotti di degradazione durante il funzionamento.

Quando si commissionano nuovi sistemi HTF (Figura 1), una preoccupazione primaria dovrebbero essere gli effetti dell’acqua: i nuovi sistemi possono essere vulnerabili alle pressioni eccessive derivanti dall’acqua residua. I test di pressione idrostatica (controlli delle perdite) condotti sul sistema durante la produzione o in loco dopo la manutenzione possono essere una tipica fonte d'acqua. La completa rimozione dell'acqua può essere ostacolata da trappole e variazioni di elevazione delle tubazioni. I migliori progetti di sistema prevedono installazioni di tubazioni con pendenze verso scarichi a basso punto posizionati strategicamente. Dopo che l'acqua è stata scaricata, ma prima del riempimento, il sistema può essere ulteriormente asciugato spurgando aria calda e secca (o N2) attraverso i circuiti del sistema fino a quando il punto di rugiada del gas in uscita raggiunge da –34 a –40°C, indicando che l'umidità è stata adeguatamente asciugata . Una particolare attenzione al processo di asciugatura ridurrà significativamente il tempo necessario per raggiungere le elevate temperature operative previste all'avvio.

FIGURA 1. I sistemi di fluidi per il trasferimento di calore devono essere ventilati per eliminare l'acqua residua all'avvio e i prodotti di degradazione del fluido durante il funzionamento

Prima della circolazione, assicurarsi che il livello del liquido freddo dell'HTF nel sistema sia adeguato. Ciò è generalmente indicato dallo strumento del livello del liquido del serbatoio di espansione (Figura 1). Successivamente, riscaldare lentamente il liquido facendolo circolare in tutti i circuiti delle tubazioni, presupponendo che il contenuto di acqua possa essere eccessivo. La valvola A è chiusa e le valvole B e C sono aperte. L'HTF circola attraverso il serbatoio di espansione e si riscalda fino a poco sopra i 100°C. Questa temperatura costringe l'umidità a evaporare nello spazio del vapore del serbatoio di espansione. La valvola E è aperta e l'ingresso di gas inerte spazza i vapori d'acqua dallo spazio del vapore a valle verso un serbatoio di raccolta o un sistema di torcia. Il processo continua finché i sintomi dell'umidità, tra cui la cavitazione della pompa, la portata irregolare sul lato di scarico della pompa e i rumori di tintinnio, colpi e ribollimento nel serbatoio di espansione e nel tubo, scompaiono.

Una volta ritenuto che l'HTF sia adeguatamente essiccato, il fluido dovrebbe essere in grado di continuare a riscaldarsi fino a temperature operative più elevate. L'allineamento tipico delle valvole durante il normale funzionamento prevede che le valvole A e B siano aperte e le valvole C ed E siano chiuse. Questo posizionamento della valvola consente una temperatura più bassa nel serbatoio di espansione (comunemente circa il 25% del volume del sistema), dove il tasso di degradazione termica è trascurabile.

Durante il funzionamento, l'HTF si deteriora a velocità crescenti man mano che le temperature operative si avvicinano al massimo operativo di massa per l'HTF specifico, alterando la condizione e la composizione dell'HTF. La degradazione termica porta alla formazione sia di composti altobollenti, che aumentano la viscosità del fluido e la potenziale formazione di solidi che aumentano i rischi di coke o depositi di incrostazioni, sia di composti bassobollenti che diminuiscono la viscosità del fluido e che hanno punti di ebollizione inferiori all'intervallo di ebollizione dell'HTF. Inoltre, l’aumento del contenuto bassobollente può portare ad un abbassamento del punto di infiammabilità di 45°C o più.

Le caldaie basse possono essere gestite mediante lo sfiato sistematico di routine. È meglio ventilare i sistemi solo quando la concentrazione di corpi a bassa caldaia supera i limiti raccomandati in base all'analisi del campione del fluido.

La stessa procedura viene seguita quando si mette in servizio un nuovo sistema, tranne che sono necessarie temperature più elevate. Per molti HTF organici, la procedura di sfiato viene condotta a temperature del fluido prossime a 180-200°C. Questo intervallo di temperature supporta il flashing nella fase vapore e la separazione dei bassobollenti dal fluido termovettore per la rimozione senza incorrere in una perdita significativa dei componenti HTF. Con la valvola A chiusa e le valvole B e C aperte, tutto il fluido fluisce attraverso il vaso di espansione. Questo processo innalza la temperatura del fluido nel vaso di espansione e aumenta le pressioni parziali dei prodotti di degradazione bassobollenti. Ciò consente ai corpi a bassa caldaia di passare rapidamente nella fase vapore, dove la loro rimozione è supportata dall'apertura della valvola E. Il gas inerte può essere utilizzato per spazzare in modo efficiente tali vapori attraverso la superficie del liquido e fuori dalla linea di sfiato, dove possono essere condensati e raccolti per lo smaltimento.