De thermische randvoorwaarden die een veilige werking definiëren
Een hardverchroomde lijn die werkt bij 55-60 graden met 250 g/l chroomzuur vereist een PTFE-warmtewisselaar voor verwarming of koeling. Het veilige werkingsbereik wordt gedefinieerd door vier thermische randvoorwaarden.
Maximale wandtemperatuur.De buiswandtemperatuur is de temperatuur van het PTFE-oppervlak in contact met het chroomzuur. De afbraaksnelheid neemt exponentieel toe met de wandtemperatuur. Voor een levensduur van 10 jaar bedraagt de maximale wandtemperatuur circa 180 graden voor 250 g/L chroomzuur. Voor een levensduur van 5 jaar is het maximum ongeveer 200 graden.
Maximale warmtestroom.De warmteflux is de warmteoverdrachtssnelheid per oppervlakte-eenheid van het buisoppervlak. De warmteflux bepaalt het temperatuurverschil over de buiswand en de wandtemperatuur bij een gegeven procestemperatuur. Voor een levensduur van 10 jaar bedraagt de maximale warmtestroom ongeveer 1,5 W/cm² voor een wand van 0,8 mm. Voor een dunnere wand is een hogere warmtestroom toegestaan.
Maximale temperatuurgradiënt over de muur.De temperatuurgradiënt is het temperatuurverschil over de buiswand gedeeld door de wanddikte. De gradiënt bepaalt de thermische spanning in de muur. Voor PTFE bedraagt de maximaal toegestane thermische spanning ongeveer 3–4 MPa, wat overeenkomt met een temperatuurgradiënt van 80–100 graden/mm.
Maximale oppervlakteconcentratie.De zuurconcentratie aan het buisoppervlak kan hoger zijn dan de bulkconcentratie vanwege verdamping of concentratiepolarisatie. De hogere concentratie verhoogt de afbraaksnelheid. De oppervlakteconcentratie moet binnen 10% van de bulkconcentratie worden gehouden.
De wandtemperatuurlimiet
De wandtemperatuurlimiet voor PTFE in chroomzuurtoepassingen wordt bepaald door de afbraaksnelheid. De afbraaksnelheid neemt exponentieel toe met de temperatuur, en de snelheid verdubbelt ongeveer bij elke stijging van 10 graden.
Bij een levensduur van 10 jaar en een toelaatbaar wandverlies van 0,3 mm moet de degradatiesnelheid kleiner zijn dan 0,03 mm per jaar. De temperatuur waarbij de afbraaksnelheid gelijk is aan 0,03 mm per jaar in 250 g/L chroomzuur is ongeveer 180 graden.
Voor een levensduur van 5 jaar bedraagt de toegestane degradatiesnelheid 0,06 mm per jaar en de bijbehorende temperatuur ongeveer 200 graden.
De wandtemperatuurlimiet wordt beïnvloed door de zuurconcentratie. Bij 500 g/l chroomzuur is de afbraaksnelheid hoger en bedraagt de temperatuurlimiet ongeveer 160 graden voor een levensduur van 10 jaar. Bij 100 g/l chroomzuur is de temperatuurlimiet ongeveer 200 graden.
De warmtefluxlimiet
De warmtefluxlimiet wordt bepaald door de wandtemperatuurlimiet en de thermische weerstand van de buiswand. Voor een gegeven wandtemperatuur hangt de toegestane warmteflux af van de wanddikte en de thermische geleidbaarheid van het PTFE.
Voor een wand van 0,8 mm met een warmtegeleidingsvermogen van 0,25 W/m·K bedraagt de thermische weerstand van de wand 0,0032 m²·K/W. Bij een wandtemperatuurgrens van 180 graden en een procestemperatuur van 60 graden bedraagt het toegestane temperatuurverschil over de wand 120 graden. De toegestane warmteflux is 120 / 0.0032=37,500 W/m²=3.75 W/cm².
In de praktijk is de warmtefluxlimiet lager omdat de filmweerstand aan de proces-zijde bijdraagt aan de totale weerstand en de wandtemperatuur hoger is dan de procestemperatuur. Voor een filmcoëfficiënt aan de proceszijde- van 1.000 W/m²·K is de filmweerstand 0,001 m²·K/W. De totale weerstand bedraagt 0,0042 m²·K/W. Voor hetzelfde temperatuurverschil van 120 graden is de toegestane warmteflux 28.600 W/m²=2.86 W/cm².
De praktische warmtefluxlimiet voor chroomzuurgebruik bedraagt ongeveer 1,5–2,0 W/cm², wat een marge biedt voor onzekerheid in de filmcoëfficiënt en de berekening van de wandtemperatuur.
De thermische spanningslimiet
De thermische spanning in de buiswand is evenredig met de temperatuurgradiënt over de wand, de thermische uitzettingscoëfficiënt en de elasticiteitsmodulus. Voor PTFE bedraagt de thermische uitzettingscoëfficiënt ongeveer 12 × 10⁻⁵/graad, en de modulus bij 60 graden bedraagt ongeveer 400 MPa.
Voor een temperatuurgradiënt van 100 graden/mm (wat overeenkomt met een temperatuurverschil van 80 graden over een wand van 0,8 mm), bedraagt de thermische spanning ongeveer 4,8 MPa. Dit ligt boven de toegestane thermische spanning van 3–4 MPa, wat betekent dat de helling moet worden teruggebracht tot 60–80 graden/mm.
De thermische spanningslimiet is vooral belangrijk bij de buis-met- buisplaatverbindingen, waar de spanningsconcentratie het hoogst is. Het verbindingsontwerp moet de thermische uitzetting opvangen zonder extra spanning op de buiswand op te leggen.
De oppervlakteconcentratielimiet
De zuurconcentratie aan het buisoppervlak kan hoger zijn dan de bulkconcentratie vanwege verdamping of concentratiepolarisatie. De hogere concentratie verhoogt de afbraaksnelheid.
Verdamping vindt plaats wanneer de temperatuur van de buiswand boven het kookpunt van het zuur ligt. Bij 60 graden en atmosferische druk is het kookpunt van 250 g/l chroomzuur ongeveer 105 graden. De temperatuur van de buiswand ligt onder het kookpunt, dus verdamping is in dit geval geen probleem.
Concentratiepolarisatie treedt op wanneer het zuur sneller aan het buisoppervlak wordt verbruikt dan het kan worden aangevuld door diffusie vanuit de bulk. Dit is een probleem bij elektrochemische processen, waarbij het chroomzuur aan de kathode wordt gereduceerd. Het buisoppervlak van de warmtewisselaar is geen elektrode, dus concentratiepolarisatie is geen probleem.
De oppervlakteconcentratie ligt doorgaans binnen 5% van de bulkconcentratie bij chroomzuurgebruik. De marge van 10% is voldoende om rekening te houden met de onzekerheid.
Kwantificering van het veilige bedrijfsbereik
De volgende tabel vat het veilige werkingsbereik samen voor een PTFE-warmtewisselaar in chroomzuurgebruik bij verschillende concentraties en temperaturen.
| Chroomzuurconcentratie | Maximale wandtemperatuur (levensduur 10 jaar) | Maximale wandtemperatuur (levensduur 5 jaar) | Maximale warmtestroom (0,8 mm wand) | Maximale warmtestroom (0,5 mm wand) |
|---|---|---|---|---|
| 100 g/L | 200 graden | 220 graden | 2,5 W/cm² | 3,5 W/cm² |
| 250 g/L | 180 graden | 200 graden | 2,0 W/cm² | 3,0 W/cm² |
| 400 g/L | 165 graden | 185 graden | 1,7 W/cm² | 2,5 W/cm² |
| 500 g/L | 155 graden | 175 graden | 1,5 W/cm² | 2,2 W/cm² |
| 600 g/L | 145 graden | 165 graden | 1,3 W/cm² | 2,0 W/cm² |
Bij de maximale wandtemperatuurwaarden wordt uitgegaan van een toelaatbaar wandverlies van 0,3 mm en een degradatiesnelheid die verdubbelt bij elke stijging van 10 graden. Bij de maximale warmtefluxwaarden wordt uitgegaan van een procestemperatuur van 60 graden en een filmcoëfficiënt aan de proceszijde- van 1.000 W/m²·K.
Ontwerpkenmerken die veilige randvoorwaarden handhaven
Verschillende ontwerpkenmerken zorgen ervoor dat de thermische randvoorwaarden binnen de veilige envelop blijven.
Groter oppervlak.Een groter oppervlak vermindert de warmtestroom bij een gegeven warmtebelasting, waardoor de wandtemperatuur en de thermische spanning afnemen.
Dunnere buiswand.Een dunnere wand vermindert de thermische weerstand en de wandtemperatuur bij dezelfde warmtestroom. De dunnere wand vermindert echter ook het toelaatbare wandverlies en de levensduur.
Hogere processtroomsnelheid.Een hogere stroomsnelheid verhoogt de filmcoëfficiënt aan de proces{0}}zijde en verlaagt de wandtemperatuur.
Hogere stroomsnelheid aan de servicezijde-.Een hogere vloeistofsnelheid verhoogt de filmcoëfficiënt aan de servicezijde- en verlaagt de wandtemperatuur.
Stroomverdelingskop.Een stroomverdeelkop zorgt voor een uniforme stroom over de buizenbundel, waardoor plaatselijke hotspots worden voorkomen.
Temperatuurbewaking.Met temperatuursensoren aan de inlaat en uitlaat van de warmtewisselaar kan de wandtemperatuur worden geschat en kunnen de bedrijfsomstandigheden worden aangepast.
Specificatieparameters voor chroomzuurservice
Apparatuuringenieurs die een PTFE-warmtewisselaar voor chroomzuurgebruik specificeren, moeten de volgende parameters bij de leverancier bevestigen.
Chroomzuurconcentratie.Geef de maximale concentratie en het verwachte bereik op.
Bedrijfstemperatuur.Geef de maximale bedrijfstemperatuur en het verwachte temperatuurprofiel op.
Warmtebelasting en oppervlakte.Geef de warmtebelasting en het benodigde oppervlak op.
Warmtestroom.Specificeer de maximaal toegestane warmteflux op basis van de wandtemperatuurlimiet.
Wanddikte van de buis.Specificeer de buiswanddikte op basis van de warmtestroom en de vereiste levensduur.
Materiaal buis.Specificeer het buismateriaal op basis van de wandtemperatuur en de afbraaksnelheid.
Stroomsnelheid.Specificeer de stroomsnelheden aan de proces--zijde en de service-zijde.
Temperatuurbewaking.Specificeer de temperatuursensoren en de bewakingsmethode voor het volgen van de wandtemperatuur.
Eis aan levensduur.Geef de verwachte levensduur en het vervangingsschema op.
Het afstemmen van thermische randvoorwaarden op levensduurvereisten
De thermische randvoorwaarden die de veilige werking van PTFE-warmtewisselaars bij chroomzuurgebruik definiëren, zijn de wandtemperatuur, de warmteflux, de temperatuurgradiënt en de oppervlakteconcentratie. Deze omstandigheden bepalen de degradatiesnelheid en de levensduur.
De wandtemperatuur moet gedurende een levensduur van 10 jaar onder de 180 graden worden gehouden en gedurende een levensduur van 5 jaar onder de 200 graden. De warmtestroom moet onder de 2,0 W/cm² worden gehouden voor een muur van 0,8 mm en onder de 3,0 W/cm² voor een muur van 0,5 mm. De temperatuurgradiënt moet onder de 80 graden/mm worden gehouden om de thermische spanning te beperken.
Voor chroomzuurservicefaciliteiten die de opties voor PTFE-warmtewisselaars evalueren, moeten de thermische randvoorwaarden worden gespecificeerd in de aanbestedingsdocumenten en worden geverifieerd bij de inbedrijfstelling. De door de fabrikant geleverde standaardconfiguratie is mogelijk geoptimaliseerd voor compactheid in plaats van voor levensduur, en de daaruit voortvloeiende randvoorwaarden kunnen de veilige grenzen overschrijden.
Apparatuuringenieurs en inkoopspecialisten die de specificaties van PTFE-warmtewisselaars voor chroomzuur of ander oxiderend zuur evalueren, kunnen een ontwerpbeoordeling aanvragen met betrekking tot de zuurconcentratie, bedrijfstemperatuur, warmteflux, buiswanddikte, stroomsnelheid en temperatuurbewaking om te bevestigen dat de unit is afgestemd op de werkelijke gebruiksomstandigheden en levensduurvereisten van de faciliteit.
