Paineen valintakysymys
10 000 litran ruostumattomasta teräksestä valmistettu peittaussäiliö sisältää 15 % rikkihappoa 60 asteessa. Käytettävissä oleva kattila tuottaa höyryä 2-8 bargin paineilla. PTFE-lämmönvaihtimen läpi kulkevan paineen valinta edellyttää kilpailevien tekijöiden tasapainottamista.
Korkeampi paine tarkoittaa korkeampaa höyryn lämpötilaa, mikä lisää lämpövoimaa ja pienentää tarvittavaa pinta-alaa. Mutta korkeampi lämpötila nostaa myös PTFE-putken seinämän lämpötilaa, mikä mahdollisesti nopeuttaa kemiallista vuorovaikutusta peittaushapon kanssa. Alhaisempi paine välttää nämä huolenaiheet, mutta vaatii enemmän pinta-alaa, kuluttaa säiliön tilavuutta ja lisää pääomakustannuksia.
Optimaalinen valinta ei ole korkein käytettävissä oleva paine tai pienin mahdollinen. Se on paine, joka tuottaa vaaditun lämmitystehon pitäen samalla putken seinämän lämpötilan turvallisissa rajoissa sekä PTFE-materiaalin että prosessikemian kannalta.
Höyrynpaineen lämmönsiirtofysiikka
Kyllästetyn höyryn lämpötila on suora paineen funktio. 2 bargissa höyry tiivistyy 133 asteessa. 4 barg, 152 astetta. 6 barg, 165 astetta. Tämä lämpötila on käyttövoima, joka työntää lämpöä PTFE-putken seinämän läpi peittaushappoon.
Höyryn ja hapon välinen logaritminen lämpötilaero määrittää vaaditun pinta-alan tietylle lämpötyölle. 10 000 litran peittaussäiliö, jonka lämmitystarve on 45 kW ja höyry 3 bargilla, tarvitsee noin 10,1 neliömetriä PTFE-pinta-alaa. Sama säiliö, jossa on höyryä 6 bargilla, tarvitsee vain 7,9 neliömetriä.
Pinta-alan vähentäminen on houkuttelevaa. Pienemmät kelat maksavat vähemmän ja syrjäyttävät vähemmän säiliön tilavuutta. Mutta korkeampi höyryn lämpötila luo korkeamman putken seinämän lämpötilan happopuolelle, mikä ansaitsee tarkastelun.
Taulukko 1: PTFE-lämmönvaihtimen suorituskyky vs. höyrynpaine 10 000 litran peittaussäiliössä
| Höyryn paine (barg) | Höyrylämpötila ( aste ) | Vaadittu PTFE-ala (m²) | Putken seinämän lämpötila ( aste ) | Lämpenemisaika- (min) | Soveltuvuusluokitus |
|---|---|---|---|---|---|
| 1.0 | 120 | 15.3 | 70-75 | 85 | Konservatiivinen, iso kela |
| 2.0 | 133 | 12.1 | 78-85 | 68 | Hyvä tasapaino |
| 3.0 | 143 | 10.1 | 85-92 | 55 | Optimaalinen useimpiin peittauksiin |
| 4.0 | 152 | 9.1 | 90-98 | 48 | Hyväksyttävä hyvällä sekoituksella |
| 6.0 | 165 | 7.9 | 100-110 | 38 | Rikkihapon yläraja |
Laskelmat perustuvat 10 000 - litran säiliöön, 15 % H₂SO₄, tavoite 60 astetta, U-arvo 280 W/m²·K, kohtalainen sekoitus.
Seinän lämpötilarajoitus
PTFE itsessään sietää jatkuvaa palvelua 260 asteessa. Peittaushappo 60 asteen bulkkilämpötilassa ei voi hajottaa PTFE:tä. Rajoite ei ole materiaalin tuhoutuminen, vaan prosessikemiallinen vuorovaikutus putken seinämässä.
Happopeittauskylvyt sisältävät liuenneita metalleja, jotka saostuvat hapon jäähtyessä säiliön seinämien lähellä. PTFE-putken seinämässä 110 asteessa paikallinen kiehuminen on mahdotonta, mutta lämpötilagradientti voi aiheuttaa pitoisuusgradientteja. Kuuman seinämän pinnalla oleva rikkihappo voi väkevöidä hieman veden haihtuessa rajakerrokseen. Tämä konsentraatiovaikutus on vähäinen alle 100 asteen seinämän lämpötilassa, mutta siitä tulee mitattavissa yli 110 asteen lämpötilassa.
15 % rikkihappopeittauksessa putken seinämän lämpötila alle 100 astetta pitää pitoisuusvaikutukset mitättömänä. Tämä vastaa 3-4 bargin höyrynpaineita taulukon olosuhteissa. Suuremmat pitoisuudet tai sekahapot voivat oikeuttaa alhaisemman höyrypaineen.
Käytännön valintaohjeet
Useimmissa ruostumattoman teräksen peittaussovelluksissa, joissa käytetään rikki- tai suolahappoa kohtalaisina pitoisuuksina, 3 barg:n höyry tarjoaa parhaan tasapainon. Putken seinämä pysyy alle 95 asteen kulmassa. Vaadittu pinta-ala on hallittavissa säiliön mittojen sisällä. Lämpenemisaika-on kaupallisesti hyväksyttävä.
Peittaussäiliöissä, joissa on suuret lämpöhäviöt-eristämättömät, suuret avoimet pinta-alat, korkea poistoilmanvaihto-voivat hyötyä 4 bargin höyrystä häviöiden voittamiseksi ilman patterin kokoa. Säiliöiden, joissa on aggressiivisia happoseoksia, mukaan lukien HF, tulisi oletuksena alentaa höyryn painetta 2 barg seinävaikutusten minimoimiseksi.
Höyrynpainepäätös tulee dokumentoida käyttömenettelyissä. Paineen nostaminen suunnitteluarvojen yläpuolelle likaantuneen käämin kompensoimiseksi vaarantaa seinämän turvallisen lämpötilarajan ylittymisen. PTFE-käämi, joka tarvitsee korkeamman höyrynpaineen lämpötilan ylläpitämiseksi, on merkki siitä, että pinnan likaantuminen vaatii huomiota tai että lämpöhäviö on lisääntynyt muista syistä.
Yhteenveto
Optimaalinen höyrynpaine peittaussäiliön PTFE-lämmönvaihtimelle tasapainottaa vaaditun pinta-alan putken seinämän lämpötilaa vastaan. Tyypillisissä 10 000 -litran asennuksissa, joissa happopitoisuudet ovat kohtalaiset, 3 bargia tarjoaa parhaan yhdistelmän hallittavissa olevaa kierukan kokoa, hyväksyttävää lämpenemisaikaa ja alle 100 asteen turvallista seinän lämpötilaa.
Pienemmät paineet lisäävät kelan kokoa ja pääomakustannuksia. Korkeammat paineet pienentävät käämin kokoa, mutta työntävät seinämän lämpötilaa kohti rajoja, joissa happopitoisuuksia voi kehittyä. Valinnan tulee perustua hapon tyyppiin, pitoisuuteen, säiliön eristykseen ja vaadittavaan kuumennusaikaan.
Tekninen analyysi PTFE-lämmönvaihtimen mitoitusta ja höyrynpaineen optimointia varten on saatavilla, kun säiliön tilavuus, hapon tyyppi ja pitoisuus, tavoitekäyttölämpötila, ympäristöolosuhteet, käytettävissä oleva höyrynpainealue ja säiliön eristystiedot on toimitettu.
