Однос смичног напрезања-Однос преноса топлоте у реакторима за нитрацију
Реакције нитрације коришћењем мешавине сумпорне и азотне киселине на 60 степени до 90 степени традиционално користе графитне измењиваче топлоте за отпорност на корозију. Надоградња на потопне ПФА грејаче мења карактеристике површине, посебно храпавост зида и расподелу напона на смицање, што директно утиче на коефицијент преноса топлоте. Квантитативна анализа из 14 реконструкција реактора за нитрирање показује да површине графита (Ра 1,5 до 3,0 микрона) стварају напон смицања зида од 12 до 18 Па при типичним брзинама мешалице, производећи коефицијенте преноса топлоте од 800 до 1100 В/м²·К. ПФА површине (Ра 0,4 до 1,0 микрона) смањују смицање на зиду на 5 до 8 Па под идентичним условима протока, смањујући коефицијент преноса топлоте за 35% до 50% осим ако се не предузму компензационе мере.
Генерисање турбуленције и пренос момента
Коефицијент преноса топлоте на интерфејсу чврстог-течности се скалира са турбулентним преносом момента, који је директно повезан са напоном на смицање зида. Колбурнова аналогија каже да је Нуселтов број (бездимензионални пренос топлоте) пропорционалан фактору трења (коефицијент трења коже) подигнут на једну-трећину. За дату брзину и геометрију флуида, напон смицања зида τ_в одређује фактор трења. Графитне површине веће храпавости стварају више турбуленције у близини зида кроз избочење-индуковано вртлогом, производећи τ_в од 15 Па при брзини од 1,2 м/с. ПФА површине, пошто су глатке, омогућавају развој ламинарног подслоја који потискује турбулентне вртлоге, смањујући τ_в на 6 Па при истој брзини. Рачунарско моделирање динамике флуида типичног реактора за нитрирање од 1000 литара са радним колом криве повлачења са 4 лопатице показује да коефицијент преноса топлоте на површини грејача опада са 950 В/м²·К са графитом на 520 В/м²·К са ПФА када су сви остали параметри непромењени.
Компензационе мере за ПФА Ретрофит
Смањење смичног напрезања од преласка на ПФА може се надокнадити кроз три модификације: повећана брзина мешалице, храпава завршна обрада ПФА површине или смањена густина снопа грејача. Повећање брзине мешалице са 120 о/мин на 180 о/мин подиже напон смицања зида на ПФА на 12 Па, враћајући коефицијент преноса топлоте на 850 В/м²·К. Казна је 50% већа потрошња енергије (15 кВ наспрам . 10 кВ) и потенцијални проблеми са квалитетом производа услед прекомерног смицања. Одређивање ПФА грејача са намерно храпавим површинама (Ра 1,4 до 1,8 микрона, постигнуто помоћу непријањајућих адитива за премазе) подиже напон смицања зида на 10 Па при стандардној брзини мешалице, враћајући 80% оригиналног коефицијента преноса топлоте графита. Смањење броја цеви грејача или повећање размака цеви смањује густину снопа, омогућавајући већу локалну брзину око сваке цеви за исту укупну брзину протока, повећавајући τ_в на 9 Па и враћајући 75% оригиналног коефицијента.
Напон смицања зида и интеракција запрљања
Реакције нитрације производе нуспродукте катрана и полимера који се таложе на површинама за пренос топлоте. Напон смицања зида одређује равнотежну дебљину зарастања. Графит са τ_в од 15 Па одржава чисту површину са дебљином прљавштине испод 0,1 мм, додајући 5% до 10% термичке отпорности. ПФА са τ_в од 6 Па омогућава да се прљавштина акумулира до дебљине 0,4 мм, додајући 35% до 40% термичке отпорности. Комбиновани ефекат нижег почетног коефицијента преноса топлоте и убрзаног прљања значи да ПФА накнадна опрема без компензационих мера може смањити укупан пренос топлоте за 60% до 70% у року од 500 сати рада. Подаци са терена из фабрике нитробензена показују да су измењивачи графита захтевали чишћење у интервалима од 800 сати, док су ПФА грејачи који раде на истој брзини мешалице захтевали чишћење у интервалима од 250 сати због прљања.
Опције дизајна накнадне опреме према приоритетном исходу
| Приоритет и ограничења накнадне уградње | Препоручена ПФА конфигурација | Постигнути коефицијент преноса топлоте (В/м²·К) | Напон смицања зида (Па) | Пројектовани интервал чишћења |
|---|---|---|---|---|
| Максимално повећајте пренос топлоте, прихватите модификације мешача | Стандардна глатка ПФА, брзина мешалице +50% | 850 до 950 | 12 до 14 | 400 до 500 сати |
| Минимизирајте промене мешалице, прихватите грубу завршну обраду | ПФА са текстуром (Ра 1,5µм), стандардна брзина | 750 до 850 | 10 до 12 | 350 до 450 сати |
| Баланс трошкова и перформанси | ПФА са текстуром, брзина мешалице +25% | 900 до 1000 | 13 до 15 | 500 до 650 сати |
| Нису дозвољене модификације, минималне перформансе | Стандардна глатка ПФА, постојећа мешалица | 500 до 600 | 5 до 7 | 200 до 300 сати |
| Максимална отпорност на прљање, често чишћење ОК | Стандардни глатки ПФА са повећањем прскалице | 650 до 750 | 8 до 10 са прскалицом | 250 до 350 сати |
Тип радног кола и подешавања позиционирања
Промена типа радног кола може да поврати смицање на зиду без повећања брзине ротације. Ретрофит јама са 4- лопатица са кривом повлачења радног кола у турбину са лопатицама са 6 лопатица (угао од 45 степени) повећава турбуленцију у близини зида за 40% при истом обртају у минути због различитих образаца протока. Мерења на терену са истих 120 о/мин показују да се напон смицања зида на ПФА повећава са 6 Па на 9 Па, подижући коефицијент преноса топлоте са 520 на 720 В/м²·К. Померање радног кола ближе снопу грејача (са размака пречника 0,5× до пречника 0,3×) такође повећава локалну брзину. Међутим, близина радног кола мора бити избалансирана у односу на потенцијална механичка оштећења; ПФА грејачи толеришу зазоре радног кола од најмање 50 мм, док графитни измењивачи могу да издрже зазоре од 25 мм због веће крутости.
ПФА дебљина зида и пренос напона на смицање
Дебљина зида ПФА не утиче директно на смицање зида, што је динамички параметар флуида. Међутим, дебљи ПФА зидови (2,5 мм наспрам. 1.5 мм) смањују дозвољени коефицијент преноса топлоте за дати напон на смицање зида јер топлотна отпорност полимера доприноси укупној отпорности. При смичућем напрезању зида од 10 Па који ствара коефицијент спољашњег филма од 800 В/м²·К, зид од 1,5 мм ПФА додаје топлотну отпорност од 0,008 м²·К/В, смањујући укупни коефицијент на 720 В/м²·К. Зид од 2,5 мм додаје 0,013 м²·К/В, смањујући укупни коефицијент на 680 В/м²·К. За апликације за накнадну уградњу где је поврат топлоте критичан, наведите минималну дебљину зида ПФА у складу са хемијском отпорношћу и механичком издржљивошћу, обично 1,8 мм до 2,0 мм за сервис нитрирања, а не 2,5 мм који се може користити за агресивну мешовиту киселинску заштиту од корозије.
Смернице за спецификације за накнадну уградњу услуге нитрирања
Приликом накнадног уградње графитних измењивача топлоте са ПФА имерзионим грејачима у нитрационим реакторима, инжењери морају да израчунају смичући напон зида у постојећој конфигурацији користећи рачунарску динамику флуида или да упореде са потрошњом снаге мешалице. Циљајте на смицање зида након{1}}ретроградње од најмање 10 Па за глатки ПФА или 8 Па за текстурирани ПФА да бисте одржали прихватљив пренос топлоте и отпорност на загађивање. Ако постојећа мешалица не може да постигне ове вредности без прекорачења вредности снаге мотора или стварања проблема са квалитетом производа, наведите хибридни приступ: задржите део површине графита за пренос топлоте док користите ПФА за заштиту од корозије на површинама са нижим -топлотним-током. За већину апликација за нитрирање, комбинација текстурисаног ПФА (Ра 1,4 до 1,6 микрона) и повећања брзине мешалице од 25% до 35% обезбеђује најбољу равнотежу цене, перформанси и поузданости. Када тражите понуде, наведите постојеће податке о типу мешалице, брзини, повлачењу снаге и вискозности каде како бисте омогућили добављачу да израчуна очекивани напон смицања зида и коефицијент преноса топлоте за њихову специфичну геометрију грејача. Захтевајте од добављача да изврши рачунарско моделирање динамике флуида уместо да се ослања на генеричку корелацију, пошто сложена геометрија снопова грејача и унутрашњих делова реактора значајно утиче на локалну дистрибуцију напона на смицање. За објекте који не могу да модификују мешалице, размислите о додавању рециркулацијске петље са екстерним измењивачем топлоте уместо да се ослањате само на уроњене ПФА грејаче, елиминишући ограничење напона на смицање зида у потпуности по цену додатне капиталне опреме.
