Suuruse määramise küsimus
Titaani söövitusvann sisaldab 10% HF-i ja 15% HNO3 55-kraadise töötemperatuuri juures. Vanni maht on 4500 liitrit. Kuumutamine ümbritseva keskkonna temperatuurist 20 kraadi peab lõppema 90 minuti jooksul. Saadaval kütteaineks on 3 barg küllastunud auru.
Protsessiinseneri ees seisev küsimus: milline PTFE soojusvaheti pindala tagab selle jõudluse? Alamõõt tähendab, et vann ei saavuta kunagi vajaliku aja jooksul temperatuuri. Liigne suurus raiskab kapitali ja kulutab paagi liigset mahtu. Õige vastus tuleb metoodilisest soojuskoormuse arvutamisest.
Kuumutus-üleskoormus vs. töökoormus
PTFE pindala määravad kaks erinevat soojuskohustust. Kuum{1}}koormus viib vanni ümbritseva keskkonna temperatuurist töötemperatuurini määratud aja jooksul. Töökoormus hoiab stabiilse-tootmise ajal soojuskadude eest temperatuuri.
Soojenemiskoormus-arvutatakse vanni massi, erisoojuse, temperatuuri tõusu ja aja põhjal. 4500 liitri happe vesilahuse puhul, mille erisoojus on ligikaudu 3,8 kJ/kg·K ja tihedus 1100 kg/m³, on mass 4950 kg. Temperatuuri tõus 20 kraadilt 55 kraadini on 35 kraadi. Vajalik koguenergia on 4950 × 3,8 × 35=658,350 kJ. Tarnides 90 minuti jooksul, on keskmine kütte{21}}võimsus 122 kW.
Töökoormus arvestab soojuskaod paagi pinnalt, seintest ja ventilatsiooni väljalaskest. Hästi-isoleeritud 4500-liitrine paak 55-kraadise 20-kraadise õhutemperatuuri juures kaotab tavaliselt 15–25 kW, olenevalt pinnast ja õhu liikumisest. Konservatiivselt eeldades, et võimsus on 25 kW, peab PTFE soojusvaheti andma 122 kW soojenemise ajal ja 25 kW stabiilse töö ajal.
Suuruse määramisel domineerib{0}}kuumutuskoormus. Mähis peab andma 122 kW kütteperioodi lõpus, kui LMTD on väikseim-vann 55 kraadi lähedal, aur 143 kraadi juures, delta T ligikaudu 88 kraadi.
Tabel 1: PTFE soojusvaheti suuruse parameetrid titaani söövitusvanni jaoks
| Parameeter | Väärtus | Üksus |
|---|---|---|
| Vanni maht | 4,500 | L |
| Vanni mass | 4,950 | kg |
| Esialgne temperatuur | 20 | kraadi |
| Sihttemperatuur | 55 | kraadi |
| Nõutav kütmisaeg- | 90 | min |
| Kütte{0}}kohustus | 122 | kW |
| Töökohustus | 25 | kW |
| Auru küllastustemperatuur (3 barg) | 143 | kraadi |
| LMTD kütte-lõpus | 88 | kraadi |
| Kujundus U-väärtus (õhukeseseinaline-PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Arvutatud pindala | 5.0 | m² |
| Soovitatav ala 15% varuga | 5.8 | m² |
Arvutamisel kasutatakse Q=U × A × LMTD. U-väärtus arvestab PTFE seina juhtivust ja piirkihi takistust mõõdukal segamisel.
HF materjalide ühilduvuse tegur
Titaanist söövitusvannid sisaldavad HF-i, mis välistab metallilised soojusvaheti materjalid. Titaan lahustub HF-is. Roostevaba teras korrodeerub kiiresti. Materjalipiirangud sunnivad valima fluoropolümeeri.
PTFE on HF{0}}HNO₃ segudes keemiliselt inertne kõigil kontsentratsioonidel ja temperatuuridel kuni 260 kraadi. PTFE suuruse arvutamisel järgitakse samu soojusülekande võrrandeid nagu mis tahes materjali puhul. Erinevus on U-väärtuses, mis õhukese-PTFE-torude puhul on ligikaudu 280 W/m²·K võrreldes 800–1200-ga puhta roostevaba terase puhul.
Madalam U-väärtus tähendab, et PTFE vajab sama soojusvõimsuse jaoks proportsionaalselt rohkem pinda. See on materiaalne kompromiss-: suurem pooli jalajälg vastutasuks püsiva kõrgsagedusliku ühilduvuse eest. Arvutatud 5,8 ruutmeetrit võib hüpoteetilise HF-kindla metalli puhul olla 3,5-4,5 ruutmeetrit, kuid sellist metalli pole olemas.
Arvutatud ala konfiguratsioon
5,8-ruutmeetrine pindala tähendab torude spetsiifilisi konfiguratsioone. Kasutades 10 mm läbimõõduga PTFE torusid, annab iga lineaarmeeter 0,0314 m² pinda. Vajalik toru kogupikkus on 5,8 / 0.0314=185 meetrit.
See pikkus on korraldatud mitme{0}}käigu ruudustikuna. 10-toru-laius ja 19{7}}toru-sügavus 1 meetri pikkuste torude abil annab 190 meetrit kogupikkuse ja 5,97 m² pindala, mis on peaaegu arvutatud vajadus. Võre võtab enda alla umbes 1,0 × 0,5 meetrit paagi põrandapinda, mis on vastuvõetav 4500-liitrise paagi jaoks.
Auru jaotamine mitmele torukäigule nõuab õige suurusega päiseid. Kondensaadi eemaldamine iga käigu madalaimast punktist hoiab ära üleujutuse, mis vähendab efektiivset pinda. Need hüdraulilise disaini üksikasjad on sama olulised kui soojusarvutused.
Kokkuvõte
PTFE-soojusvaheti pindala titaani söövitusvanni kuumutamisel määratakse kuumutamise-võimsuse järgi, mis tavaliselt ületab töövõimsust 3-5 korda. Arvutamisel kasutatakse standardseid soojusülekande võrrandeid õhukese seinaga PTFE-torudele omaste U-väärtustega.
Saadud ala 15% ohutusvaruga muudetakse praktiliseks toruvõrgu konfiguratsiooniks, mis mahub protsessipaaki. HF keemiline ühilduvus on PTFE materjali valikule omane ja ei nõua täiendavaid konstruktsioonivarusid.
Titaani söövitamise operatsioonide puhul, mis nõuavad PTFE soojusvaheti suuruse määramist, on tehniline analüüs saadaval pärast vanni mahu, happekontsentratsioonide, alg- ja sihttemperatuuride, nõutava kuumenemisaja,{0}}soovitamisaja, saadaoleva aururõhu ja paagi mõõtmete esitamist.
