شرایط مرزی حرارتی که عملیات ایمن را تعریف می کند
یک خط آبکاری کروم سخت که در دمای 55 تا 60 درجه با 250 گرم در لیتر اسید کرومیک کار می کند، به مبدل حرارتی PTFE برای گرم کردن یا سرمایش نیاز دارد. پوشش عملیاتی ایمن با چهار شرایط مرزی حرارتی تعریف می شود.
حداکثر دمای دیواردمای دیواره لوله، دمای سطح PTFE در تماس با اسید کرومیک است. نرخ تخریب به طور تصاعدی با دمای دیوار افزایش می یابد. برای عمر مفید 10 ساله، حداکثر دمای دیواره تقریباً 180 درجه برای اسید کرومیک 250 گرم در لیتر است. برای یک عمر 5 ساله، حداکثر حدود 200 درجه است.
حداکثر شار حرارتیشار حرارتی نرخ انتقال حرارت در واحد سطح سطح لوله است. شار حرارتی تفاوت دما در سراسر دیواره لوله و دمای دیواره را برای دمای فرآیند معین تعیین می کند. برای عمر کاری 10 ساله، حداکثر شار حرارتی تقریباً 1.5 W/cm² برای یک دیوار 0.8 میلی متری است. برای یک دیوار نازک تر، شار حرارتی بالاتر مجاز است.
حداکثر گرادیان دما در سراسر دیوار.گرادیان دما اختلاف دما در سراسر دیواره لوله تقسیم بر ضخامت دیواره است. گرادیان تنش حرارتی در دیوار را تعیین می کند. برای PTFE، حداکثر تنش حرارتی مجاز تقریباً 3-4 مگاپاسکال است که مربوط به گرادیان دما 80-100 درجه بر میلی متر است.
حداکثر غلظت سطحغلظت اسید در سطح لوله به دلیل تبخیر یا قطبش غلظت می تواند بیشتر از غلظت توده باشد. غلظت بالاتر سرعت تخریب را افزایش می دهد. غلظت سطح باید در 10% غلظت توده حفظ شود.
محدودیت دمای دیوار
حد دمای دیوار برای PTFE در سرویس اسید کرومیک توسط نرخ تخریب تعیین می شود. سرعت تخریب به صورت تصاعدی با افزایش دما افزایش می‌یابد و این میزان به ازای هر 10 درجه افزایش تقریباً دو برابر می‌شود.
برای عمر مفید 10 ساله و 0.3 میلی متر از دست دادن دیوار مجاز، میزان تخریب باید کمتر از 0.03 میلی متر در سال باشد. دمایی که در آن میزان تخریب برابر با 0.03 میلی متر در سال در اسید کرومیک 250 گرم در لیتر است تقریباً 180 درجه است.
برای عمر کاری 5 ساله، میزان تخریب مجاز 0.06 میلی متر در سال و دمای مربوطه تقریباً 200 درجه است.
حد دمای دیواره تحت تأثیر غلظت اسید است. در اسید کرومیک 500 گرم در لیتر، میزان تخریب بیشتر است و حد دما تقریباً 160 درجه برای یک عمر مفید 10 ساله است. در 100 گرم در لیتر اسید کرومیک، حد دما تقریباً 200 درجه است.
حد شار حرارتی
حد شار حرارتی با محدودیت دمای دیواره و مقاومت حرارتی دیواره لوله تعیین می شود. برای دمای دیوار معین، شار حرارتی مجاز به ضخامت دیواره و هدایت حرارتی PTFE بستگی دارد.
برای دیوار 0.8 میلی متری با هدایت حرارتی 0.25 W/m·K، مقاومت حرارتی دیوار 0.0032 m²·K/W است. برای محدودیت دمای دیوار 180 درجه و دمای فرآیند 60 درجه، اختلاف دمای مجاز در سراسر دیوار 120 درجه است. شار حرارتی مجاز 120 / 0.0032=37،500 W/m²=3.75 W/cm² است.
در عمل، حد شار حرارتی کمتر است زیرا مقاومت لایه جانبی فرآیند به مقاومت کل می‌افزاید و دمای دیوار بالاتر از دمای فرآیند است. برای ضریب فیلم جانبی فرآیند-1000 W/m²·K، مقاومت فیلم 0.001 m²·K/W است. مقاومت کل 0.0042 m²·K/W است. برای همان اختلاف دما 120 درجه، شار حرارتی مجاز 28600 W/m²=2.86 W/cm² است.
حد عملی شار حرارتی برای سرویس اسید کرومیک تقریباً 1.5-2.0 وات بر سانتی متر مربع است که حاشیه ای برای عدم قطعیت در ضریب فیلم و محاسبه دمای دیوار فراهم می کند.
حد تنش حرارتی
تنش حرارتی در دیواره لوله با گرادیان دما در سراسر دیوار، ضریب انبساط حرارتی و مدول الاستیسیته متناسب است. برای PTFE، ضریب انبساط حرارتی تقریباً 12 × 10-5 / درجه است و مدول در 60 درجه تقریباً 400 مگاپاسکال است.
برای یک گرادیان دمایی 100 درجه بر میلی‌متر (که مربوط به اختلاف دمای 80 درجه در یک دیوار 0.8 میلی‌متری است)، تنش حرارتی تقریباً 4.8 مگاپاسکال است. این بالاتر از تنش حرارتی مجاز 3-4 مگاپاسکال است، به این معنی که گرادیان باید به 60-80 درجه بر میلی‌متر کاهش یابد.
حد تنش حرارتی به‌ویژه در اتصالات-به-لوله، جایی که غلظت تنش بالاترین است، مهم است. طراحی اتصال باید انبساط حرارتی را بدون اعمال فشار اضافی بر دیواره لوله در خود جای دهد.
حد غلظت سطحی
غلظت اسید در سطح لوله به دلیل تبخیر یا قطبش غلظت می تواند بیشتر از غلظت توده باشد. غلظت بالاتر سرعت تخریب را افزایش می دهد.
تبخیر زمانی رخ می دهد که دمای دیواره لوله بالاتر از نقطه جوش اسید باشد. در دمای 60 درجه و فشار اتمسفر، نقطه جوش 250 گرم در لیتر اسید کرومیک تقریباً 105 درجه است. دمای دیواره لوله زیر نقطه جوش است، بنابراین تبخیر در این مورد نگران کننده نیست.
قطبش غلظت زمانی اتفاق می‌افتد که اسید در سطح لوله سریع‌تر از آن چیزی که می‌توان آن را با انتشار از توده دوباره پر کرد، مصرف می‌شود. این یک نگرانی در فرآیندهای الکتروشیمیایی است، جایی که اسید کرومیک در کاتد کاهش می یابد. سطح لوله مبدل حرارتی یک الکترود نیست، بنابراین قطبش غلظت نگران کننده نیست.
غلظت سطحی معمولاً در محدوده 5 درصد غلظت توده در سرویس اسید کرومیک است. حاشیه 10 درصد برای توضیح عدم قطعیت کافی است.
کمی کردن پاکت عملیاتی ایمن
جدول زیر پاکت عملکرد ایمن برای یک مبدل حرارتی PTFE در سرویس اسید کرومیک در غلظت‌ها و دماهای مختلف را خلاصه می‌کند.
| غلظت اسید کرومیک | حداکثر دمای دیوار (عمر 10 ساله) | حداکثر دمای دیوار (عمر 5 ساله) | حداکثر شار حرارتی (0.8 میلی متر دیوار) | حداکثر شار حرارتی (دیواره 0.5 میلی متر) |
|---|---|---|---|---|
| 100 g/L | 200 درجه | 220 درجه | 2.5 وات بر سانتی متر مربع | 3.5 وات بر سانتی متر مربع |
| 250 g/L | 180 درجه | 200 درجه | 2.0 وات بر سانتی متر مربع | 3.0 وات بر سانتی متر مربع |
| 400 g/L | 165 درجه | 185 درجه | 1.7 وات بر سانتی متر مربع | 2.5 وات بر سانتی متر مربع |
| 500 g/L | 155 درجه | 175 درجه | 1.5 وات بر سانتی متر مربع | 2.2 وات بر سانتی متر مربع |
| 600 g/L | 145 درجه | 165 درجه | 1.3 وات بر سانتی متر مربع | 2.0 وات بر سانتی متر مربع |
حداکثر مقادیر دمای دیوار 0.3 میلی متر از دست دادن دیوار مجاز و نرخ تخریب را فرض می کند که به ازای هر 10 درجه افزایش دو برابر می شود. حداکثر مقادیر شار حرارتی دمای فرآیند 60 درجه و ضریب فیلم جانبی فرآیند 1000 W/m²·K را در نظر می گیرند.
ویژگی های طراحی که شرایط مرزی ایمن را حفظ می کند
چندین ویژگی طراحی، شرایط مرزی حرارتی را در پوشش ایمن حفظ می کنند.
سطح بزرگتر.سطح بزرگتر، شار حرارتی را برای یک بار حرارتی معین کاهش می دهد، که دمای دیوار و تنش حرارتی را کاهش می دهد.
دیواره لوله نازک تریک دیوار نازکتر مقاومت حرارتی و دمای دیواره را برای شار حرارتی یکسان کاهش می دهد. با این حال، دیوار نازک تر، اتلاف دیوار مجاز و عمر مفید را نیز کاهش می دهد.
سرعت جریان فرآیند بالاترسرعت جریان بالاتر، ضریب لایه جانبی فرآیند-را افزایش می‌دهد و دمای دیواره را کاهش می‌دهد.
سرویس{0}}سرعت جریان جانبی بالاتر.سرعت بالای سیال سرویس، ضریب لایه سرویس{0}}را افزایش می‌دهد و دمای دیواره را کاهش می‌دهد.
هدر توزیع جریان.هدر توزیع جریان جریان یکنواخت را در سراسر بسته لوله تضمین می کند که از ایجاد نقاط داغ موضعی جلوگیری می کند.
نظارت بر دماسنسورهای دما در ورودی و خروجی مبدل حرارتی امکان تخمین دمای دیوار و تنظیم شرایط عملیاتی را فراهم می کنند.
پارامترهای مشخصات سرویس اسید کرومیک
مهندسان تجهیزاتی که یک مبدل حرارتی PTFE را برای سرویس اسید کرومیک مشخص می‌کنند، باید پارامترهای زیر را با تامین‌کننده تأیید کنند.
غلظت اسید کرومیکحداکثر غلظت و محدوده مورد انتظار را مشخص کنید.
دمای عملیاتیحداکثر دمای عملیاتی و مشخصات دمای مورد انتظار را مشخص کنید.
بار حرارتی و مساحت سطح.بار حرارتی و سطح مورد نیاز را مشخص کنید.
شار حرارتی.حداکثر شار حرارتی مجاز را بر اساس حد دمای دیوار مشخص کنید.
ضخامت دیواره لولهضخامت دیواره لوله را بر اساس شار حرارتی و طول عمر مورد نیاز مشخص کنید.
مواد لوله.مواد لوله را بر اساس دمای دیواره و میزان تخریب مشخص کنید.
سرعت جریان.سرعت جریان{0}}طرف و سرویس{1}}روند را مشخص کنید.
نظارت بر دماسنسورهای دما و روش نظارت برای ردیابی دمای دیوار را مشخص کنید.
مورد نیاز عمر سرویسطول عمر مورد انتظار و برنامه تعویض را مشخص کنید.
تطبیق شرایط مرزی حرارتی با الزامات عمر سرویس
شرایط مرزی حرارتی که عملکرد ایمن مبدل حرارتی PTFE را در سرویس اسید کرومیک تعریف می کند، دمای دیوار، شار گرما، گرادیان دما و غلظت سطح است. این شرایط میزان تخریب و عمر مفید را تعیین می کند.
دمای دیوار باید زیر 180 درجه برای عمر کاری 10 ساله و زیر 200 درجه برای عمر کاری 5 ساله حفظ شود. شار حرارتی باید زیر 2.0 W/cm² برای دیوار 0.8 میلی متر و زیر 3.0 W/cm² برای دیوار 0.5 میلی متر باشد. گرادیان دما باید کمتر از 80 درجه بر میلی متر باشد تا تنش حرارتی محدود شود.
برای تأسیسات خدمات اسید کرومیک که گزینه‌های مبدل حرارتی PTFE را ارزیابی می‌کنند، شرایط مرزی حرارتی باید در اسناد خرید مشخص شده و در هنگام راه‌اندازی تأیید شود. پیکربندی پیش‌فرض ارائه‌شده توسط سازنده ممکن است برای فشردگی به‌جای عمر مفید بهینه‌سازی شود و شرایط مرزی حاصل ممکن است از پوشش ایمن فراتر رود.
مهندسین تجهیزات و متخصصان تدارکاتی که مشخصات مبدل حرارتی PTFE را برای اسید کرومیک یا سایر خدمات اسید اکسید کننده ارزیابی می‌کنند، می‌توانند یک بازنگری طراحی را در مورد غلظت اسید، دمای عملیاتی، شار گرما، ضخامت دیواره لوله، سرعت جریان و نظارت بر دما درخواست کنند تا تأیید کنند که دستگاه با شرایط واقعی سرویس و طول عمر مورد نیاز تاسیسات مطابقت دارد.
