Pitanje veličine
Titanijumska kupka za nagrizanje sadrži 10% HF i 15% HNO₃ na radnoj temperaturi od 55 stepeni. Zapremina kupatila je 4.500 litara. Zagrijavanje od 20 stepeni okoline mora biti završeno u roku od 90 minuta. Dostupni medij za grijanje je zasićena para od 3 bara.
Pitanje sa kojim se suočava procesni inženjer: koja površina PTFE izmenjivača toplote daje ove performanse? Smanjenje veličine znači da kada nikada ne dostigne temperaturu u potrebnom vremenu. Predimenzioniranje troši kapital i troši preveliku zapreminu rezervoara. Tačan odgovor dolazi iz metodičkog proračuna toplotnog opterećenja.
Opterećenje{0}}zagrijavanjem u odnosu na radno opterećenje
Dvije različite toplinske dužnosti određuju površinu PTFE. Opterećenje{1}}grijanjem dovodi kupku sa ambijentalne na radnu temperaturu unutar određenog vremena. Radno opterećenje održava temperaturu protiv gubitaka topline tokom proizvodnje u stacionarnom- stanju.
Zagrijavanje{0}}opterećenje se izračunava iz mase kupke, specifične topline, porasta temperature i vremena. Za 4.500 litara vodenog rastvora kiseline sa specifičnom toplotom približno 3,8 kJ/kg·K i gustinom 1.100 kg/m³, masa je 4.950 kg. Porast temperature od 20 stepeni do 55 stepeni je 35 stepeni. Ukupna potrebna energija je 4,950 × 3,8 × 35=658, 350 kJ. Isporučeno u trajanju od 90 minuta, prosječna snaga{21}}grijanja je 122 kW.
Radno opterećenje uzima u obzir gubitke toplote sa površine rezervoara, zidova i ventilacionog odvoda. Dobro{1}}izolovani rezervoar od 4.500-litara na 55 stepeni u ambijentu od 20 stepeni obično gubi 15-25 kW u zavisnosti od površine i kretanja vazduha. Konzervativno uz pretpostavku od 25 kW, PTFE izmjenjivač topline mora isporučiti 122 kW tokom zagrijavanja i 25 kW tokom stabilnog rada.
Opterećenje{0}}grijanjem dominira dimenzioniranjem. Zavojnica mora isporučiti 122 kW na kraju -perioda zagrijavanja kada je LMTD najmanja-kupka blizu 55 stepeni, para na 143 stepena, delta T približno 88 stepeni.
Tabela 1: Parametri dimenzioniranja PTFE izmjenjivača topline za kadu za nagrizanje titanijuma
| Parametar | Vrijednost | Jedinica |
|---|---|---|
| Volumen kupatila | 4,500 | L |
| Masa za kupanje | 4,950 | kg |
| Početna temperatura | 20 | stepen |
| Ciljna temperatura | 55 | stepen |
| Potrebno vrijeme{0}}zagrijavanja | 90 | min |
| Dužnost zagrijavanja{0} | 122 | kW |
| Operativna dužnost | 25 | kW |
| Temperatura zasićenja parom (3 bara) | 143 | stepen |
| LMTD na kraju zagrijavanja{0}} | 88 | stepen |
| Dizajn U{0}}vrijednosti (tanki-PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Izračunata površina | 5.0 | m² |
| Preporučena površina sa 15% marže | 5.8 | m² |
Izračunavanje koristi Q=U × A × LMTD. U-vrijednost uzima u obzir provodljivost PTFE zida i otpore graničnog sloja pri umjerenom miješanju.
Faktor kompatibilnosti HF materijala
Titanijumske kupke za jetkanje sadrže HF, što eliminiše metalne materijale izmjenjivača topline iz razmatranja. Titan se rastvara u HF. Nerđajući čelik brzo korodira. Ograničenje materijala dovodi do odabira fluoropolimera.
PTFE je hemijski inertan u smešama HF-HNO₃ pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stepeni. Proračun veličine za PTFE slijedi iste jednačine za prijenos topline kao i za bilo koji materijal. Razlika je u U-vrijednosti, koja za tankozidne PTFE cijevi- iznosi približno 280 W/m²·K u poređenju sa 800-1.200 za čisti nehrđajući čelik.
Niža U-vrijednost znači da PTFE zahtijeva proporcionalno veću površinu za isti toplinski rad. Ovo je materijalni kompromis-: veći otisak zavojnice u zamjenu za trajnu HF kompatibilnost. Izračunatih 5,8 kvadratnih metara može biti 3,5-4,5 kvadratnih metara za hipotetički metal otporan na VF, ali takav metal ne postoji.
Konfiguracija za izračunato područje
Površina od 5,8 kvadratnih metara pretvara se u specifične konfiguracije cijevi. Koristeći 10 mm OD PTFE cijevi, svaki linearni metar pruža 0,0314 m² površine. Ukupna potrebna dužina cijevi je 5,8 / 0.0314=185 metara.
Ova dužina je uređena kao više{0}}prolazna mreža. Mreža 10-cijev-široka i 19{7}}cijev-duboka koja koristi cijevi dužine 1 metar daje ukupnu dužinu od 190 metara i 5,97 m² površine - blizu izračunatim zahtjevima. Mreža zauzima približno 1,0 × 0,5 metara površine poda rezervoara, što je prihvatljivo za rezervoar od 4500 litara.
Distribucija pare na više prolaza cijevi zahtijeva zaglavlje odgovarajuće veličine. Uklanjanje kondenzata sa najniže tačke svakog prolaza sprečava plavljenje koje smanjuje efektivnu površinu. Ovi detalji hidrauličkog dizajna su kritični kao i termički proračun.
Rezime
Površina PTFE izmjenjivača topline za grijanje kupke s nagrizanjem titanijuma određena je opterećenjem-zagrijavanjem, koje tipično premašuje radni rad za faktor 3-5. Proračun koristi standardne jednačine prijenosa topline sa U-vrijednostima specifičnim za tankoslojne PTFE cijevi.
Rezultirajuća površina, sa sigurnosnom marginom od 15%, pretvara se u praktičnu konfiguraciju mreže cijevi koja se uklapa u procesni rezervoar. HF hemijska kompatibilnost je svojstvena odabiru PTFE materijala i ne zahtijeva dodatne dizajnerske dozvole.
Za operacije jetkanja titanijuma koje zahtijevaju dimenzioniranje PTFE izmjenjivača topline, inženjerska analiza je dostupna nakon podnošenja zapremine kupke, koncentracije kiseline, početne i ciljne temperature, potrebnog{0}}vremena zagrijavanja, dostupnog pritiska pare i dimenzija rezervoara.
