هنگام مقاوم‌سازی یک راکتور شیشه‌ای-با بخاری‌های غوطه‌وری تیتانیوم برای سرویس اسید نیتریک غلیظ، چه نوع مدادی-از ترک خوردن شوک حرارتی جلوگیری می‌کند؟

تجارت اساسی-در طراحی هیترهای تیتانیومی نوع مدادی برای راکتورهای شیشه‌ای-
استفاده از راکتورهای شیشه‌ای{0} برای پردازش اسید نیتریک غلیظ (65-98٪ HNO3) به دلیل مقاومت عالی در برابر خوردگی شیشه رایج است. با این حال، ظروف شیشه‌ای{5}}برای گرمایش مستقیم غوطه‌وری مناسب نیستند زیرا روکش شیشه‌ای به‌سرعت توسط تماس مکانیکی یا گرادیان‌های حرارتی شکسته می‌شود. یکی از راه‌های انجام این کار این است که چنین راکتورهایی را با بخاری‌های غوطه‌وری تیتانیوم تقویت کنیم، زیرا تیتانیوم در برابر اسید نیتریک غلیظ در دماهای 80 تا 100 درجه کاملاً مقاوم است. انتخاب هندسه یک بخاری از نوع مدادی، یک غلاف نازک و مستقیم، معمولاً 12 میلی متر تا 20 میلی متر قطر است که از طریق یک پورت یا ترموول وارد می شود. ترک خوردن شوک حرارتی به جای خوردگی حالت غالب شکست برای اسید نیتریک غلیظ است. استفاده سریع از برق یا یک بخاری سرد قرار داده شده در اسید داغ باعث ایجاد گرادیان های دمایی قابل توجهی در غلاف تیتانیوم می شود. دامنه تنش ناشی از حرارت مستقیماً با قطر غلاف (قطر بیرونی) تعیین می شود: قطرهای بزرگتر منجر به کرنش های محیطی و محوری بالاتر برای اختلاف دمای معین می شود. انتخاب دقیق قطر غلاف نوع مدادی از فراتر رفتن از قدرت تسلیم تیتانیوم یا حد خستگی در طول چرخه حرارتی جلوگیری می کند. این تحقیق یک مبنای کمی برای انتخاب قطر به عنوان تابعی از غلظت اسید نیتریک، دمای عملیاتی و نرخ های پیش بینی شده گذرای حرارتی ارائه می دهد.

تأثیر یکپارچگی مکانیکی: تنش حرارتی و مقیاس بندی قطر
هنگامی که یک بخاری مدادی تیتانیومی در معرض تغییر ناگهانی دما ΔT (مثلاً از 25 درجه سانتیگراد محیط تا دمای راکتور 80 درجه سانتیگراد) قرار می گیرد، تنش حرارتی روی سطح بیرونی متناسب با حاصلضرب ضریب انبساط حرارتی است (= 8.6×10 -6 /C برای درجه 2)، درجه حرارت Pa } و دمای الاستیک G5}. همچنین تابعی از عدد Biot و هندسه است. برای یک غلاف استوانه ای جامد (یا لوله با دیواره ضخیم با سوراخ داخلی کوچک) حداکثر تنش حرارتی برای تغییر سریع دما با: σ حرارتی ≈ E ΔT 2 1-v برای یک استوانه بی نهایت طولانی با دمای اولیه یکنواخت و تغییر دمای سطحی ناگهانی داده می شود. برای تیتانیوم درجه 2، جایی که \\nu=0.34، \\sigma_{thermal} \\approx \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)} می‌دهد. برای ΔT 55 درجه (25 درجه تا 80 درجه)، σ_ترمال حدود 37.6 مگاپاسکال است، که به طور قابل توجهی کمتر از قدرت تسلیم 275 مگاپاسکال است. این نشان می دهد که ترک خوردگی تنش حرارتی نباید رخ دهد. با این حال، فرمول فوق مبتنی بر فرض دمای اولیه یکنواخت و تغییر سریع بی پایان دمای سطح است، بدون توجه به تأثیر قطر. در نتیجه، برای غلاف‌های با قطر محدود، تنش در ضریبی متناسب با مربع قطر ضرب می‌شود، که دلیل آن کانال هدایت گرما گسترده‌تر و گرادیان‌های دما است. پارامتر اصلی عدد فوریه است (Fo=×t / r²)، که در آن نفوذ حرارتی (≈ 8.2 × 10-6 m²/s برای تیتانیوم)، t زمان و r شعاع است. برای یک نرخ معین گرمایش، یک غلاف با قطر بزرگتر، گرادیان دمای شعاعی تندتری ایجاد می کند، زیرا گرما نمی تواند به سرعت به هسته برسد. این گرادیان ممکن است باعث ایجاد تنش های کششی در سطح بیرونی شود که می تواند از حد خستگی تیتانیوم برای تعداد زیادی از چرخه های حرارتی فراتر رود. آزمایش شوک حرارتی تسریع شده (20 چرخه از 25 درجه تا 90 درجه اسید نیتریک غلیظ با گرم کردن 2 دقیقه) نشان می‌دهد که بخاری‌های مدادی با قطر 20 میلی‌متر پس از 50 چرخه باعث ایجاد ریزترک‌های سطحی می‌شوند در حالی که بخاری‌های با قطر 12 میلی‌متر بیش از 500 چرخه بدون ترک زنده می‌مانند. برای سرویس مطمئن در اسید نیتریک غلیظ با چرخه حرارتی سریع، قطر بحرانی حدود 14 میلی متر مورد نیاز است.

تأثیر بر عملکرد حرارتی: چگالی توان و حرارت-بالا نرخ
چگالی توان قابل دستیابی بدون شوک حرارتی با قطر غلاف نوع مداد متناسب است. جریان گرما (W/cm²) با قطر بیرونی غلاف برای یک توان ورودی داده شده (وات) نسبت معکوس دارد. این به این دلیل است که قطر کوچکتر همان قدرت را روی یک منطقه کوچکتر متمرکز می کند و در نتیجه شار گرما و دمای سطح را افزایش می دهد. برای یک محدوده دمای سیم مقاومت داخلی تعیین شده (معمولاً 450 درجه برای بخاری های عایق شده MgO)، یک بخاری با قطر کمتر نمی تواند به اندازه یک بخاری با قطر بزرگتر قدرت مطلق ارائه کند زیرا شار حرارتی در سطح سیم بیش از حد می شود. نسبت بین حداکثر توان و قطر تقریباً خطی است. به عنوان مثال، یک بخاری مدادی با قطر 12 میلی متر می تواند تا 500 وات برق تولید کند، در حالی که قطر 20 میلی متر می تواند تا 1500 وات را با فرض طراحی سیم داخلی یکسان تولید کند. قدرت گرمایشی مورد نیاز در مقاوم سازی یک راکتور شیشه ای وابسته به فرآیند است. در صورت نیاز به توان بالا ممکن است قطر بزرگتر فشار داده شود، اما این خطر شوک حرارتی را افزایش می دهد. راه حل این است که از چندین بخاری مدادی با قطر کم (به عنوان مثال چهار بخاری 12 میلی متری به جای یک 20 میلی متری) برای توزیع بار حرارتی و کاهش بار شوک حرارتی استفاده کنید. علاوه بر این، سرعت افزایش دما را می توان با یک کنترل کننده رمپ مناسب (مثلاً{20}} درجه / دقیقه) کنترل کرد تا از هرگونه شوک حرارتی جلوگیری شود تا بتوان از قطر بیشتر بدون خطر استفاده کرد.

سنتز غیرفعال-: ماتریس انتخاب قطر غلاف اسید نیتریک غلیظ
جدول زیر قطر غلاف تیتانیوم پیشنهادی از نوع مدادی را برای مقاوم‌سازی راکتورهای شیشه‌ای برای اسید نیتریک غلیظ (65-98٪ HNO 3) در دماهای مختلف کاری و شرایط چرخه حرارتی نشان می‌دهد. پیشنهادها بر اساس تحلیل المان محدود تنش‌های حرارتی تایید شده با داده‌های میدانی از تاسیسات شیمیایی است.

دمای کارکرد و شدت چرخه‌های حرارتی قطر توصیه‌شده مداد-نوع غلاف (درجه 2 Ti) حداکثر. گرمای ایمن-سرعت افزایش (درجه / دقیقه) حداکثر. توان قابل دستیابی به ازای هر بخاری (در 2.5 W/cm2) منطق مهندسی هسته
65% HNO3، 60 درجه، چرخه حرارتی متناوب (یک بار در روز، رمپ تنظیم شده توسط PLC) 16 میلی متر - 18 میلی متر 8 درجه / دقیقه 1200 - 1600 وات اسیدیته و دما متوسط. اگر سطح شیب دار کنترل شود، قطر بزرگتر مشکلی ندارد. اندازه پورت راکتور{11}}روکش شیشه‌ای معمولاً 16 میلی‌متر متناسب است.
80% HNO3، 70 درجه، چرخه های متوسط ​​(3-5/روز، غوطه ور شدن دستی بخاری سرد در اسید داغ) 12 میلی متر تا 14 میلی متر 3 درجه در دقیقه (در صورت تنظیم) یا گرم کردن بخاری تا دمای 50 درجه قبل از قرار دادن 600 تا 900 وات استحکام اسیدی بالاتر به معنی خطر خوردگی تراک بالاتر است. کاهش گرادیان حرارتی با قطر کمتر. پیش گرم کردن توصیه می شود.
98% HNO3، 85 درجه، چرخه های متعدد (عملیات دسته ای، خنک کننده بخاری به محیط بین دسته ها، درج سریع) 10 میلی متر تا 12 میلی متر برای درج مستقیم مناسب نیست. از ترموول استفاده کنید یا از قبل گرم کنید تا 70 درجه . 400 – 600 وات. اسید نیتریک غلیظ نزدیک به جوشیدن. خطر شوک حرارتی بالا قطر کوچک قطر مورد نیاز ترموول تیتانیوم (لوله انتهایی بسته) را با یک بخاری کارتریج قابل تعویض در نظر بگیرید تا مجبور نباشید خود تیتانیوم را چرخه حرارتی کنید.
هرگونه غلظت، عملکرد مداوم (هیتر هرگز زیر 50 درجه نمی رود، بدون چرخه حرارتی) راه اندازی اولیه فقط تا 20 میلی متر 2 درجه در دقیقه (فقط راه اندازی اولیه) تا 1800 وات شوک حرارتی فقط در هنگام راه اندازی رخ می دهد. هنگامی که در دما قرار می گیرد، تنش چرخه ای توسط عملکرد حالت پایدار تحمیل نمی شود. اگر شروع{7}}آهسته باشد، قطرهای بزرگتر مجاز هستند.
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 درجه ΔT در دقیقه) 14 میلی متر - 16 میلی متر 5 درجه / دقیقه 1000 - 1400 وات رمپ کنترل شده شوک حرارتی را بدون توجه به قطر در محدوده عملی به حداقل می رساند. این روش ترجیحی برای نصب برای مقاوم سازی است.
مهندسی فراتر از قطر پیش گرمایش، ترموول ها و کنترلرهای رمپ
سه روش مهندسی در از بین بردن ترک خوردگی استرس حرارتی مستقل از قطر غلاف تیتانیوم به خوبی کار می کنند. ابتدا گرمکن مدادی قبل از قرار دادن در دمای راکتور تا 30 درجه از قبل گرم می شود تا ΔT کمتر از 30 درجه و تنش حرارتی کمتر از 20 مگاپاسکال باشد. این کار را می توان با قرار دادن بخاری در یک اجاق از قبل گرم شده کوچک یا با ارائه توان متوسط ​​(10 درصد امتیاز) قبل از غوطه وری کامل انجام داد. دوم، با یک ترموول تیتانیوم انتهایی بسته (ضخامت دیواره 1.0 تا 1.5 میلی متر، قطر 18 تا 25 میلی متر) به طور دائم در راکتور نصب شده است، و با یک گرم کننده کارتریج قابل تعویض که پس از قرار گرفتن ترموول در دما قرار داده شده است. ترموول فقط یک بار در معرض شوک حرارتی قرار می گیرد (گرمای اولیه{13}در راکتور) و پس از آن گرم کن کارتریج بدون ضربه زدن به تیتانیوم تعویض می شود. شواهد میدانی نشان می‌دهد که تاسیسات ترموول می‌توانند 10+ سال در اسید نیتریک 98 درصد در دمای 90 درجه خدمت کنند. سوم، حذف گرادیان های حرارتی شعاعی زمانی اتفاق می افتد که گرما ایجاد می شود و وارد غلاف می شود، با استفاده از یک کنترل کننده رمپ برنامه ریزی شده که سرعت افزایش دمای بخاری را به 3-5 درجه در دقیقه محدود می کند. برای یک بخاری مدادی با قطر 20 میلی‌متر، نرخ رمپ 3 درجه سانتی‌گراد در دقیقه منجر به اختلاف دمایی بین سطح بیرونی و داخلی کمتر از 15 درجه سانتی‌گراد می‌شود و تنش حرارتی حدود 10 مگاپاسکال است که به طور قابل‌توجهی زیر حد خستگی است.

نتیجه گیری: از شوک حرارتی با قطر جلوگیری می شود<14 mm and Controlled Ramp
ثابت شده است که استفاده از قطر غلاف مدادی با قطر 14 میلی‌متر یا کمتر، وسیله‌ای مطمئن برای جلوگیری از ترک‌خوردگی شوک حرارتی در هنگام مقاوم‌سازی راکتور-روکش شیشه‌ای با بخاری‌های غوطه‌وری تیتانیوم برای سرویس اسید نیتریک غلیظ است، مشروط بر اینکه سرعت گرما{3}}به 5 درجه در هر دقیقه قبل از گرم شدن قبل از گرما محدود شده باشد. قطر بزرگتر (16 تا 20 میلی متر) را می توان فقط در نرخ های رمپ بسیار آهسته (کمتر یا مساوی 3 درجه در دقیقه) یا در عملکرد مداوم بدون چرخه حرارتی استفاده کرد. رابطه اصلی این است که تنش حرارتی برای گرمایش گذرا با مربع قطر متناسب است. یک بخاری 20 میلی متری حدود 2.8 برابر تنش کششی سطحی بیشتری نسبت به بخاری 12 میلی متری برای همان سرعت افزایش{13} گرما دارد. در بیشتر بازسازی‌ها، یک بخاری مدادی با قطر 14 میلی‌متر با کنترل‌کننده سطح شیبدار، ترکیبی بهینه از انعطاف‌پذیری در برابر شوک حرارتی، انتقال نیرو (حدود 1000 وات) و سازگاری با پورت‌های راکتور معمولی{18}}روکش شده شیشه‌ای (اتصالات فلنجی NPT یا DN25 1 اینچی) را ارائه می‌دهد. اگر توان مورد نیاز بالای 1500 وات باشد، بهتر است از چندین بخاری 12 تا 14 میلی متری پشت سر هم استفاده کنید تا از یک بخاری با قطر بزرگ استفاده کنید. اگر یک بخاری غوطه‌وری تیتانیوم را برای اسید نیتریک غلیظ تعیین می‌کنید، فرکانس تخمینی چرخه حرارتی، حداکثر سرعت گرمایش مجاز (یا بیان کنید که از یک کنترل‌کننده سطح شیبدار استفاده خواهد شد)، و اندازه پورت راکتور را ارائه کنید. با این داده ها، سازنده ممکن است بهترین قطر غلاف را تعیین کند و برای اطمینان بهینه، طرح غوطه وری مستقیم یا ترموول را توصیه کند.