Při dodatečné montáži skleněného-reaktoru s titanovými ponornými ohřívači pro provoz s koncentrovanou kyselinou dusičnou, jaký průměr pláště-tužky zabraňuje praskání tepelným šokem?

Základní kompromis-při návrhu titanových ohřívačů tužkového typu pro skleněné-reaktory
Použití skleněných-reaktorů je běžné pro zpracování koncentrované kyseliny dusičné (65–98 % HNO3) díky vynikající odolnosti skla proti korozi. Skleněné-nádoby však nejsou vhodné pro přímý ponorný ohřev, protože skleněné obložení se rychle rozbije mechanickým kontaktem nebo tepelnými gradienty. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, je dovybavit takové reaktory titanovými ponornými ohřívači, protože je známo, že titan je poměrně odolný vůči koncentrované kyselině dusičné při teplotách do 80–100 stupňů. Volbou geometrie je ohřívač tužkového typu, tenký, rovný plášť, obvykle o průměru 12 mm až 20 mm, vložený přes port nebo teploměrnou jímku. Převládajícím způsobem selhání koncentrované kyseliny dusičné je spíše praskání tepelným šokem než koroze. Rychlá aplikace proudu nebo studený ohřívač umístěný do horké kyseliny způsobuje značné teplotní gradienty v titanovém plášti. Amplituda tepelně indukovaného napětí je přímo určena průměrem pláště (vnějším průměrem): větší průměry vedou k vyšším obvodovým a axiálním deformacím pro daný teplotní rozdíl. Přesná volba průměru pláště tužkového typu zabraňuje překročení meze kluzu nebo meze únavy titanu během tepelného cyklování. Tento výzkum poskytuje kvantitativní základ pro výběr průměru jako funkce koncentrace kyseliny dusičné, provozní teploty a projektovaných rychlostí tepelných přechodů.

Vliv mechanické integrity: Tepelné napětí a škálování průměru
Když je titanový tužkový ohřívač vystaven náhlé změně teploty ΔT (např. z okolních 25 C na teplotu reaktoru 80 C), tepelné namáhání na vnějším povrchu je úměrné součinu koeficientu tepelné roztažnosti (=8.6×10 -6 /C pro stupeň 2), modulu pružnosti (E {{5} t teplotního rozdílu a geometrie, ale funkce je také rozdíl teplot a geometrie) Pro pevný válcový plášť (nebo silnostěnnou trubku s malým vnitřním otvorem) je maximální tepelné napětí pro rychlou změnu teploty dáno vztahem: σ tepelné ≈ E ΔT 2 1-v pro nekonečně dlouhý válec s rovnoměrnou počáteční teplotou a náhlou změnou povrchové teploty. Pro titan 2. třídy, kde \\nu=0.34, to dává \\sigma_{termální} \\cca \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)}. Pro ΔT 55 stupňů (25 stupňů až 80 stupňů) je σ_thermal kolem 37,6 MPa, což je výrazně pod mezí kluzu 275 MPa. To by naznačovalo, že by nemělo docházet k praskání tepelným pnutím. Výše uvedený vzorec je však založen na předpokladu jednotné počáteční teploty a nekonečně rychlé změny povrchové teploty, přičemž se ignoruje vliv průměru. Výsledkem je, že u pouzder s konečným průměrem se napětí násobí faktorem úměrným druhé mocnině průměru v důsledku širšího kanálu vedení tepla a teplotních gradientů. Hlavním parametrem je Fourierovo číslo (Fo=×t / r²), kde je tepelná difuzivita (≈ 8,2 × 10⁻⁶ m²/s pro titan), t je čas a r je poloměr. Pro danou rychlost ohřevu vyvine plášť s větším průměrem strmější radiální teplotní gradient, protože teplo se nemůže rychle dostat do jádra. Tento gradient může vyvolat tahová napětí na vnějším povrchu, která mohou překonat mez únavy titanu pro velký počet tepelných cyklů. Zrychlené testování tepelného šoku (20 cyklů od 25 stupňů do 90 stupňů koncentrované kyseliny dusičné s 2minutovým zahřátím) ukazuje, že tužkové ohřívače o průměru 20 mm vytvářejí povrchové mikrotrhliny po 50 cyklech, zatímco ohřívače o průměru 12 mm přežijí více než 500 cyklů bez praskání. Pro spolehlivý provoz v koncentrované kyselině dusičné s rychlým tepelným cyklem je zapotřebí kritický průměr asi 14 mm.

Vliv na tepelný výkon: hustota výkonu a teplota-zvýšení rychlosti
Hustota výkonu dosažitelná bez tepelného šoku je úměrná průměru pouzdra typu tužky. Tepelný tok (W/cm²) je nepřímo úměrný vnějšímu průměru pláště pro daný příkon (watty). Je to proto, že menší průměr soustředí stejný výkon na menší plochu, čímž se zvýší tepelný tok a teplota povrchu. Pro nastavený limit teploty vnitřního odporu drátu (obvykle 450 stupňů pro ohřívače s izolací MgO) nemůže ohřívač s menším průměrem dodat tolik absolutního výkonu jako ohřívač s větším průměrem, protože tepelný tok na povrchu drátu je nadměrný. Poměr mezi maximálním výkonem a průměrem je téměř lineární. Například tužkové topné těleso o průměru 12 mm může bezpečně produkovat až 500 W, zatímco průměr 20 mm může dodat až 1 500 W za předpokladu stejné konstrukce vnitřního drátu. Potřebný topný výkon je závislý na procesu při dodatečném vybavení reaktoru vyloženého sklem. Větší průměr může být lisován, pokud je vyžadován vysoký výkon, ale to zvyšuje riziko tepelného šoku. Řešením je použít několik tužkových ohřívačů s malým průměrem (např. čtyři 12 mm místo jednoho 20 mm) pro rozložení tepelné zátěže a snížení zátěže tepelným šokem. Kromě toho může být rychlost nárůstu teploty řízena vhodným regulátorem rampy (např. . 5 stupňů/minuta), který zabraňuje jakémukoli tepelnému šoku, takže lze bez jakéhokoli rizika použít větší průměr.

Trade{0}}syntéza: Matrice pro výběr průměru pláště koncentrované kyseliny dusičné
Níže uvedená tabulka ukazuje navrhovaný průměr titanového pláště tužkového typu pro dodatečnou montáž do skleněných -reaktorů pro koncentrovanou kyselinu dusičnou (65–98 % HNO 3) při různých provozních teplotách a podmínkách tepelných cyklů. Návrhy jsou založeny na analýze konečných prvků tepelných napětí ověřené terénními daty z chemických zařízení.

Provozní teplota a závažnost tepelných cyklů Doporučený průměr tužky-Typ pouzdra (třída 2 Ti)Max. Bezpečné zahřívání-Rychlost nárůstu (stupeň/min) Max. Dosažitelný výkon na ohřívač (při 2,5 W/cm2) Základní technické odůvodnění
65 % HNO₃, 60 stupňů, přerušované tepelné cyklování (jednou denně, rampa regulovaná PLC)16 mm – 18 mm 8 stupňů/min 1 200 – 1 600 W Střední kyselost a teplota. Větší průměr v pořádku, pokud je řízen rampou. Velikost portu reaktoru-vystlaného sklem se často hodí 16 mm.
80% HNO₃, 70 stupňů, mírné cykly (3–5/den, ruční ponoření studeného ohřívače do horké kyseliny)12 mm – 14 mm 3 stupně/min (pokud je regulováno) nebo předehřejte ohřívač na 50 stupňů před vložením 600 – 900 W Vyšší pevnost kyseliny znamená vyšší nebezpečí praskání korozí pod napětím. Snížený tepelný spád s menším průměrem. Doporučeno předehřátí.
98% HNO3, 85 stupňů, četné cykly (dávkový provoz, ohřívač ochlazuje na okolní teplotu mezi dávkami, rychlé vkládání)10 mm až 12 mmNení vhodné pro přímé vkládání. Použijte teploměrnou jímku nebo předehřejte na 70 stupňů . 400 – 600 W. Koncentrovaná kyselina dusičná blízko varu. Vysoké nebezpečí tepelného šoku. Malý průměr potřebný průměr. Představte si titanovou teploměrnou jímku (trubka s uzavřeným koncem) s vyměnitelným topným tělesem, takže nemusíte tepelně cyklovat samotný titan.
Jakákoli koncentrace, nepřetržitý provoz (ohřívač nikdy neklesne pod 50 stupňů, žádné tepelné cykly) Pouze počáteční spuštění Do 20 mm 2 stupňů/min (pouze počáteční spuštění) Do 1 800 W Tepelný šok nastává pouze během spuštění. Jakmile je dosaženo teploty, cyklické namáhání není způsobeno provozem v ustáleném stavu. Pokud je start-pomalý, jsou povoleny větší průměry.
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 stupňů ΔT za minutu) 14 mm – 16 mm 5 stupňů /min 1 000 – 1 400 W Řízená rampa minimalizuje teplotní šok bez ohledu na průměr v rámci praktických limitů. Toto je preferovaná technika instalace pro dodatečné vybavení.
Inženýrství mimo průměr Předehřev, jímky a regulátory ramp
Tři technické metody fungují dobře při eliminaci praskání tepelným napětím nezávisle na průměru titanového pláště. Nejprve se tužkový ohřívač předehřeje na teplotu v rozmezí 30 stupňů od teploty reaktoru před vložením, takže AT je menší než 30 stupňů a tepelné napětí je menší než 20 MPa. Toho lze dosáhnout umístěním ohřívače do malé předehřívací trouby nebo poskytnutím mírného výkonu (10 % jmenovitého) před úplným ponořením. Za druhé, s titanovou jímkou ​​s uzavřeným koncem (tloušťka stěny 1,0 až 1,5 mm, průměr 18 až 25 mm) trvale instalovanou v reaktoru a s vyměnitelným kazetovým ohřívačem vloženým poté, co jímka dosáhne teploty. Teploměrná jímka je vystavena tepelnému šoku pouze jednou (počáteční zahřátí-reaktoru) a poté je vyměněno topné těleso, aniž by došlo k vyleknutí titanu. Praktické důkazy ukazují, že instalace teploměrných jímek jsou schopné 10+ let provozu v 98% kyselině dusičné při 90 stupních . Za třetí, k eliminaci radiálních tepelných gradientů dochází, když se teplo vytváří a vstupuje do pláště, pomocí naprogramovaného regulátoru rampy, který omezuje rychlost nárůstu teploty ohřívače na 3-5 stupňů/min. U tužkového topného tělesa o průměru 20 mm má rychlost náběhu 3 °C/min za následek teplotní rozdíl mezi vnějším a vnitřním povrchem menší než 15 °C a tepelné namáhání je asi 10 MPa, což je výrazně pod mez únavy.

Závěr: Tepelným šokům se zabrání průměrem<14 mm and Controlled Ramp
Použití tužkového-průměru pláště 14 mm nebo méně se osvědčilo jako spolehlivý prostředek k zamezení praskání při tepelném šoku při dodatečném vybavování skleněného -reaktoru titanovými ponornými ohřívači pro provoz s koncentrovanou kyselinou dusičnou, za předpokladu, že je rychlost ohřevu omezena na 5 stupňů za minutu nebo je ohřívač před vložením předehřát. Větší průměr (16–20 mm) lze použít pouze při velmi pomalých náběhových rychlostech (menších nebo rovných 3 stupňům/min) nebo v nepřetržitém provozu bez tepelných cyklů. Základním vztahem je, že tepelné namáhání pro přechodové zahřívání je úměrné druhé mocnině průměru; 20mm ohřívač má přibližně 2,8krát větší povrchové napětí v tahu než 12mm ohřívač při stejné rychlosti ohřevu-. Ve většině retrofitů poskytuje tužkové topení o průměru 14 mm s regulátorem rampy optimální kombinaci odolnosti vůči tepelným šokům, dodávky energie (asi 1 000 W) a kompatibility s typickými skleněnými -reaktorovými porty (1-palcový NPT nebo DN25 přírubové spoje). Je-li požadovaný výkon vyšší než 1 500 W, je lepší použít několik 12–14 mm topných těles v tandemu, než použít jeden ohřívač velkého průměru. Pokud specifikujete titanový ponorný ohřívač pro koncentrovanou kyselinu dusičnou, uveďte odhadovanou frekvenci tepelného cyklu, maximální povolenou rychlost ohřevu (nebo uveďte, že bude použit regulátor rampy) a velikost portu reaktoru. Na základě těchto údajů může výrobce určit nejlepší průměr pláště a doporučit buď přímé ponoření nebo uspořádání teploměrné jímky pro optimální spolehlivost.