Za PFA (perfluoroalkoksi) grijač plašta koji se koristi za održavanje 160 stupnjeva u 70% otopini sumporne kiseline pri tlaku od 2 bara, koja je najveća dopuštena debljina stijenke za sprječavanje toplinske degradacije polimera na sučelju otporne žice?

PFA (perfluoroalkoksi) grijači plašta u 70% sumpornoj kiselini na 160 stupnjeva i tlaku od 2 bara moraju biti konfigurirani da održavaju temperaturu na sučelju otporne žice na ili ispod kontinuirane radne temperature polimera na 260 stupnjeva. Pad temperature stijenke PFA dan je s ΔT=(q × t) / k, gdje je q protok topline (W/m²), t debljina stijenke (m), a k toplinska vodljivost PFA (0,25 W/m·K). Za tipičnu gustoću snage od 8 W/cm2 (80 000 W/m2) i temperaturu masene kiseline od 160 stupnjeva, najveća dopuštena debljina stijenke za održavanje temperature žice ispod 260 stupnjeva je 0,31 mm. Deblje stijenke rezultirale bi kontaktom žice iznad 260 stupnjeva te omekšavanjem i propadanjem polimera.

Mehanizam toplinske razgradnje PFA plašta

Toplina koju stvara otporna žica mora se prenijeti kroz PFA stijenku na kiselinu. Temperatura na sučelju žice T_wire=T_acid + ΔT. PFA počinje omekšavati oko 260 stupnjeva i raspada se iznad 300 stupnjeva. Kako bi se postigla dugoročna-pouzdanost, temperatura sučelja žica ne bi smjela prelaziti 260 stupnjeva. Toplinski tok q dobiva se iz gustoće snage (W/cm2) koja ovisi o nazivnoj snazi ​​grijača i površini.

Debljina stijenke i kvantitativna temperatura žice

Za 70% H2SO4 na 160C (8W/cm2=80,000 W/m2):

Debljina stijenke (mm) ΔT preko PFA (stupnjevi) Temperatura žice (stupnjevi) PFA stanje 0.15 48 208 Sigurno 0.20 64 224 Sigurno 0.25 80 240 Sigurno 0.31 100 260 Maksimalno dopušteno 0.35 112 272 Počinje degradacija 0.40 128 288 Omekšavanje 0.50 160 320Veliko pogoršanje
Najveća dopuštena debljina stijenke za različite gustoće snage

Sljedeća tablica prikazuje maksimalnu dopuštenu debljinu stijenke za PFA grijač plašta u 70% H 2 SO 4 pri 160 stupnjeva u odnosu na gustoću snage.

Gustoća snage (W/cm²) ΔT po mm debljine (stupnjevi /mm) Maksimalna debljina stijenke za T_žicu<260°C (mm) 5 20 0.50
6 24 0.42 7 28 0.36 8 32 0.31 9 36 0.28 10 40 0.25 12 48 0.21
Inženjerska razmatranja

Debljina stijenke mora biti dovoljna da izdrži unutarnji tlak od 2 bara (ako je grijač cijev) i opterećenja pri rukovanju. Za temperature veće od 1 bara, preporuča se minimalna stijenka od 0,3 mm neovisno o toplinskim proračunima. Za ovu primjenu (2 bara) debljina stijenke od 0,3–0,35 mm predstavlja ravnotežu između toplinskih i mehaničkih zahtjeva. Ako su stijenke deblje, tada će se gustoća snage morati smanjiti ili dodati raspršivač topline.

Alternativni izbori

Ako debljina stijenke potrebna za mehaničku cjelovitost premašuje toplinsku granicu, dizajn se može prilagoditi:

Smanjenje gustoće snage (grijač dužeg ili većeg promjera)

Koristite toplinski vodljiviju tvar (PEEK ima k=0.32 W/mK, malo bolje)

Umetanje metalnog raspršivača topline u PFA plašt

Koristite polimer više temperature (nijedan nije dostupan iznad 260 stupnjeva za ovo kemijsko okruženje)

Poznavane pojedinosti

Kao primjer, za grijač PFA plašta u 70% sumpornoj kiselini na 160 stupnjeva, s tlakom od 2 bara i gustoćom snage 8 W/cm2, navedite maksimalnu debljinu stijenke od 0,31 mm kako bi se održao kontakt žice ispod 260 stupnjeva. Ako je potrebna mehanička pouzdanost, nanesite sloj za pojačanje ili smanjite gustoću snage na 6 W/cm² i zid može biti 0,42 mm. Inženjer kontrolira debljinu stijenke i gustoću snage kako bi se izbjegla toplinska degradacija PFA na sučelju s otpornom žicom.