Pitanje veličine
Kupka za jetkanje titana sadrži 10% HF i 15% HNO₃ na radnoj temperaturi od 55 stupnjeva. Zapremina kupke je 4.500 litara. Zagrijavanje od sobne temperature od 20 stupnjeva mora biti završeno unutar 90 minuta. Dostupni ogrjevni medij je zasićena para od 3 bara.
Pitanje s kojim se suočava inženjer procesa: koja površina PTFE izmjenjivača topline daje ovu izvedbu? Premala veličina znači da kupka nikad ne postigne temperaturu unutar potrebnog vremena. Predimenzioniranje troši kapital i troši prekomjeran volumen spremnika. Točan odgovor dolazi iz metodičnog izračuna toplinskog opterećenja.
Opterećenje-grijanjem u odnosu na radno opterećenje
Dva različita toplinska opterećenja određuju PTFE površinu. Opterećenje topline dovodi kadu s sobne na radnu temperaturu unutar navedenog vremena. Radno opterećenje održava temperaturu protiv gubitaka topline tijekom-proizvodnje u stabilnom stanju.
Opterećenje topline- izračunava se iz mase kupke, specifične topline, porasta temperature i vremena. Za 4500 litara vodene otopine kiseline specifične topline približno 3,8 kJ/kg·K i gustoće 1100 kg/m³, masa je 4950 kg. Porast temperature od 20 stupnjeva do 55 stupnjeva je 35 stupnjeva. Ukupna potrebna energija je 4,950 × 3,8 × 35=658,350 kJ. Isporučeno tijekom 90 minuta, prosječna snaga grijanja je 122 kW.
Radno opterećenje računa za gubitke topline s površine spremnika, stijenki i ispuha ventilacije. Dobro-izolirani spremnik od 4500- litara na 55 stupnjeva u ambijentu od 20 stupnjeva obično gubi 15-25 kW ovisno o površini i kretanju zraka. Uz konzervativnu pretpostavku od 25 kW, PTFE izmjenjivač topline mora isporučiti 122 kW tijekom zagrijavanja i 25 kW tijekom stabilnog rada.
Toplinsko-opterećenje dominira dimenzioniranjem. Zavojnica mora isporučiti 122 kW na kraju razdoblja zagrijavanja-kada je LMTD najmanji-kupka blizu 55 stupnjeva, para na 143 stupnja, delta T približno 88 stupnjeva.
Tablica 1: Parametri dimenzioniranja PTFE izmjenjivača topline za kupku za jetkanje titana
| Parametar | Vrijednost | Jedinica |
|---|---|---|
| Volumen kupke | 4,500 | L |
| Masa za kupanje | 4,950 | kg |
| Početna temperatura | 20 | stupanj |
| Ciljana temperatura | 55 | stupanj |
| Potrebno vrijeme-zagrijavanja | 90 | min |
| Zagrijavanje- | 122 | kW |
| Radna dužnost | 25 | kW |
| Temperatura zasićenja pare (3 barg) | 143 | stupanj |
| LMTD na kraju zagrijavanja- | 88 | stupanj |
| Dizajn U-vrijednosti (tanki-zidni PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Izračunata površina | 5.0 | m² |
| Preporučeno područje s marginom od 15%. | 5.8 | m² |
Izračun koristi Q=U × A × LMTD. U-vrijednost uzima u obzir vodljivost PTFE stijenke i otpore graničnog sloja pri umjerenom miješanju.
Faktor kompatibilnosti HF materijala
Kupke za jetkanje titana sadrže HF, što eliminira metalne materijale izmjenjivača topline iz razmatranja. Titan se otapa u HF. Nehrđajući čelik brzo korodira. Ograničenje materijala tjera na odabir fluoropolimera.
PTFE je kemijski inertan u smjesama HF-HNO₃ pri svim koncentracijama i temperaturama do 260 stupnjeva. Izračun veličine za PTFE slijedi iste jednadžbe prijenosa topline kao i za bilo koji materijal. Razlika je U-vrijednost, koja za tankostjedne PTFE cijevi iznosi približno 280 W/m²·K u usporedbi s 800-1200 za čisti nehrđajući čelik.
Niža U-vrijednost znači da PTFE zahtijeva proporcionalno veću površinu za isti toplinski učinak. Ovo je materijalni kompromis-: veći otisak zavojnice u zamjenu za trajnu HF kompatibilnost. Izračunatih 5,8 kvadratnih metara moglo bi biti 3,5-4,5 kvadratnih metara za hipotetski metal otporan na HF, ali takav metal ne postoji.
Konfiguracija za izračunato područje
Površina od 5,8 četvornih metara pretvara se u specifične konfiguracije cijevi. Korištenjem PTFE cijevi promjera 10 mm, svaki linearni metar daje 0,0314 m² površine. Ukupna potrebna duljina cijevi je 5,8 / 0.0314=185 metara.
Ova je duljina raspoređena kao-mreža s više prolaza. 10-cijevi-širine i 19-cijevi-dubine rešetka koja koristi cijevi duge 1 metar daje 190 metara ukupne duljine i 5,97 m² površine - blizu izračunatog zahtjeva. Rešetka zauzima približno 1,0 × 0,5 metara površine poda spremnika, što je prihvatljivo za spremnik od 4500 litara.
Distribucija pare u više prolaza cijevi zahtijeva pravilno dimenzionirane kolektore. Uklanjanje kondenzata s najniže točke svakog prolaza sprječava poplavu koja smanjuje efektivnu površinu. Ovi detalji hidrauličkog dizajna jednako su kritični kao i toplinski proračun.
Sažetak
Površina PTFE izmjenjivača topline za grijanje kade za jetkanje titana određena je opterećenjem-zagrijavanjem, koje obično premašuje radni učinak za faktor 3-5. Izračun koristi standardne jednadžbe prijenosa topline s U-vrijednostima specifičnim za PTFE cijevi tankih stijenki.
Rezultirajuća površina, sa sigurnosnom marginom od 15%, pretvara se u praktičnu konfiguraciju rešetke cijevi koja se uklapa u procesni spremnik. HF kemijska kompatibilnost svojstvena je odabiru PTFE materijala i ne zahtijeva dodatna dopuštenja dizajna.
Za operacije jetkanja titana koje zahtijevaju dimenzioniranje PTFE izmjenjivača topline, inženjerska analiza dostupna je nakon podnošenja volumena kupke, koncentracije kiseline, početne i ciljane temperature, potrebnog vremena zagrijavanja, dostupnog tlaka pare i dimenzija spremnika.
