Mitoituskysymys
Titaanisyövytyskylpy sisältää 10 % HF:a ja 15 % HNO3:a 55 asteen käyttölämpötilassa. Kylvyn tilavuus on 4500 litraa. Lämmityksen ympäristön 20 astetta on oltava valmis 90 minuutissa. Käytettävissä oleva lämmitysväliaine on 3 barg kylläistä höyryä.
Prosessinsinöörin edessä oleva kysymys: mikä PTFE-lämmönvaihtimen pinta-ala tarjoaa tämän suorituskyvyn? Alimitoitus tarkoittaa, että kylpy ei koskaan saavuta lämpötilaa vaaditussa ajassa. Ylimitoitus tuhlaa pääomaa ja kuluttaa liikaa säiliötilavuutta. Oikea vastaus tulee metodisesta lämpökuormituslaskelmasta.
Lämpö-Yläkuorma vs. käyttökuorma
Kaksi erillistä lämpötehtävää määrää PTFE:n pinta-alan. Lämpö-kuormitus nostaa kylvyn ympäristön lämpötilasta käyttölämpötilaan määritetyn ajan kuluessa. Käyttökuorma ylläpitää lämpötilaa lämpöhäviöitä vastaan vakaan-tilan tuotannon aikana.
Lämpö-kuorma lasketaan kylvyn massasta, ominaislämmöstä, lämpötilan noususta ja ajasta. 4 500 litralle hapon vesiliuosta, jonka ominaislämpö on noin 3,8 kJ/kg·K ja tiheys 1 100 kg/m³, massa on 4 950 kg. Lämpötilan nousu 20 astetta 55 asteeseen on 35 astetta. Tarvittava kokonaisenergia on 4 950 × 3,8 × 35=658, 350 kJ. 90 minuutin aikana toimitettuna keskimääräinen{21}}lämmitysteho on 122 kW.
Käyttökuormitus vastaa lämpöhäviöitä säiliön pinnasta, seinistä ja ilmanvaihdosta. Hyvin-eristetty 4 500-litran säiliö 55 asteessa 20 asteen lämpötilassa menettää tyypillisesti 15-25 kW pinta-alasta ja ilman liikkeestä riippuen. Konservatiivisesti olettaen 25 kW, PTFE-lämmönvaihtimen tulee tuottaa 122 kW lämmityksen aikana ja 25 kW tasaisen käytön aikana.
Lämpö{0}}kuorma hallitsee mitoitusta. Patterin on toimitettava 122 kW lämmitysjakson lopussa, kun LMTD on pienin-kylpy lähellä 55 astetta, höyry 143 astetta, delta T noin 88 astetta.
Taulukko 1: PTFE-lämmönvaihtimen mitoitusparametrit titaanietsauskylvylle
| Parametri | Arvo | Yksikkö |
|---|---|---|
| Kylvyn tilavuus | 4,500 | L |
| Kylpymassa | 4,950 | kg |
| Alkulämpötila | 20 | tutkinnon |
| Tavoitelämpötila | 55 | tutkinnon |
| Vaadittu lämpenemisaika- | 90 | min |
| Lämmitys{0}} | 122 | kW |
| Käyttövelvollisuus | 25 | kW |
| Höyrykyllästyslämpötila (3 barg) | 143 | tutkinnon |
| LMTD lämmityksen lopussa- | 88 | tutkinnon |
| Suunnittelun U-arvo (ohutseinämäinen-PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Laskettu pinta-ala | 5.0 | m² |
| Suositeltu alue 15 % marginaalilla | 5.8 | m² |
Laskennassa käytetään Q=U × A × LMTD. U--arvo ottaa huomioon PTFE-seinämän johtavuuden ja rajakerroksen resistanssin kohtalaisella sekoituksella.
HF-materiaalien yhteensopivuustekijä
Titaanisyövytyskylvyt sisältävät HF:a, mikä eliminoi metalliset lämmönvaihdinmateriaalit huomiosta. Titaani liukenee HF:ään. Ruostumaton teräs syöpyy nopeasti. Materiaalirajoitus pakottaa fluoripolymeerin valintaan.
PTFE on kemiallisesti inertti HF{0}}HNO₃-seoksissa kaikissa pitoisuuksissa ja lämpötiloissa aina 260 asteeseen asti. PTFE:n mitoituslaskelma noudattaa samoja lämmönsiirtoyhtälöitä kuin minkä tahansa materiaalin. Erona on U--arvo, joka ohutseinämäisten-PTFE-putkien kohdalla on noin 280 W/m²·K verrattuna puhtaan ruostumattoman teräksen 800-1200 arvoon.
Pienempi U--arvo tarkoittaa, että PTFE vaatii suhteellisesti enemmän pinta-alaa samaan lämpökäyttöön. Tämä on materiaalin vaihto-: suurempi kelan jalanjälki vastineeksi pysyvästä HF-yhteensopivuudesta. Laskettu 5,8 neliömetriä voisi olla 3,5-4,5 neliömetriä hypoteettiselle HF-kestävälle metallille, mutta sellaista metallia ei ole olemassa.
Lasketun alueen asetukset
5,8 neliömetrin pinta-ala tarkoittaa erityisiä putkikokoonpanoja. Kun käytetään 10 mm:n ulkohalkaisijaltaan PTFE-letkua, jokainen lineaarimetri tarjoaa 0,0314 m² pinta-alan. Vaadittu putken kokonaispituus on 5,8 / 0.0314=185 metriä.
Tämä pituus on järjestetty usean{0}}kierroksen ruudukoksi. 10-putken-leveä ja 19{7}}putken-syvä verkko, jossa käytetään 1 metrin pituisia putkia, tarjoaa 190 metrin kokonaispituuden ja 5,97 m² pinta-alan, mikä on lähellä laskettua vaatimusta. Ristikko vie noin 1,0 × 0,5 metriä säiliön lattiapinta-alaa, mikä on hyväksyttävä 4 500 litran säiliölle.
Höyryn jakelu useisiin putken läpikulkuihin vaatii oikean kokoiset jaot. Lauhteenpoisto jokaisen läpikulun alimmasta kohdasta estää tulvia, jotka pienentävät tehollista pinta-alaa. Nämä hydraulisen suunnittelun yksityiskohdat ovat yhtä tärkeitä kuin lämpölaskenta.
Yhteenveto
PTFE-lämmönvaihtimen pinta-ala titaanin etsauskylvyn lämmitykseen määräytyy lämpö-lämpöteholla, joka tyypillisesti ylittää käyttömäärän kertoimella 3-5. Laskennassa käytetään tavallisia lämmönsiirtoyhtälöitä ohutseinämäisille PTFE-letkuille ominaisilla U--arvoilla.
Tuloksena oleva alue 15 %:n turvamarginaalilla muuntuu käytännölliseksi putkiverkkokokoonpanoksi, joka sopii prosessisäiliön sisään. HF-kemiallinen yhteensopivuus on luonnostaan PTFE-materiaalin valinnassa, eikä se vaadi ylimääräisiä suunnitteluvaroja.
PTFE-lämmönvaihtimen mitoitusta vaativissa titaanin etsausoperaatioissa tekninen analyysi on saatavilla, kun hauteen tilavuus, happopitoisuudet, alku- ja tavoitelämpötilat, vaadittu lämpenemisaika, käytettävissä oleva höyrynpaine ja säiliön mitat on toimitettu.
