عند التعديل التحديثي لمفاعل -مبطن بالزجاج مع سخانات غاطسة من التيتانيوم لخدمة حمض النيتريك المركز، ما هو قطر غلاف نوع القلم الرصاص الذي يتجنب التشقق الناتج عن الصدمة الحرارية؟

المقايضة الأساسية-في تصميم سخانات التيتانيوم من النوع القلمي للمفاعلات المبطنة بالزجاج-
يعد استخدام المفاعلات المبطنة بالزجاج أمرًا شائعًا لمعالجة حمض النيتريك المركز (65–98% HNO3) نظرًا لمقاومة الزجاج الممتازة للتآكل. ومع ذلك، فإن الحاويات المبطنة بالزجاج - ليست مناسبة للتسخين بالغمر المباشر نظرًا لأن البطانة الزجاجية تتكسر بسرعة عن طريق التلامس الميكانيكي أو التدرجات الحرارية. إحدى الطرق للقيام بذلك هي تحديث هذه المفاعلات بسخانات غاطسة من التيتانيوم، حيث من المعروف أن التيتانيوم مقاوم تمامًا لحمض النيتريك المركز عند درجات حرارة تصل إلى 80-100 درجة. اختيار الشكل الهندسي هو سخان من النوع القلمي، وهو عبارة عن غمد رفيع ومستقيم، يتراوح قطره عادةً من 12 مم إلى 20 مم، ويتم إدخاله من خلال منفذ أو بئر حراري. يعد التكسير بالصدمة الحرارية بدلاً من التآكل هو النمط السائد لفشل حمض النيتريك المركز. يؤدي التطبيق السريع للطاقة أو السخان البارد الموجود في الحمض الساخن إلى حدوث تدرجات كبيرة في درجة الحرارة في غلاف التيتانيوم. يتم تحديد سعة الضغط المستحث حرارياً بشكل مباشر من خلال قطر الغمد (القطر الخارجي): الأقطار الأكبر تؤدي إلى سلالات محيطية ومحورية أعلى لفرق درجة حرارة معين. يؤدي الاختيار الدقيق لقطر غمد نوع القلم الرصاص إلى تجنب تجاوز قوة إنتاج التيتانيوم أو حد الكلال أثناء التدوير الحراري. يعطي هذا البحث أساسًا كميًا لاختيار القطر كدالة لتركيز حمض النيتريك ودرجة الحرارة التشغيلية والمعدلات المتوقعة للانتقال الحراري.

تأثير التكامل الميكانيكي: الإجهاد الحراري وقياس القطر
عندما يتعرض سخان قلم التيتانيوم لتغير مفاجئ في درجة الحرارة ΔT (على سبيل المثال، من درجة الحرارة المحيطة 25 درجة مئوية إلى درجة حرارة المفاعل 80 درجة مئوية)، يتناسب الضغط الحراري على السطح الخارجي مع منتج معامل التمدد الحراري (=8.6×10 -6 /C للصف 2)، ومعامل المرونة ( E=105 GPa ) وفرق درجة الحرارة، ولكنه أيضًا دالة لعدد Biot والهندسة . بالنسبة لغمد أسطواني صلب (أو أنبوب سميك الجدران مع تجويف داخلي صغير) يتم إعطاء الحد الأقصى للإجهاد الحراري للتغير السريع في درجة الحرارة بواسطة: σ Thermal ≈ E ΔT 2 1-v لأسطوانة طويلة لا متناهية مع درجة حرارة أولية موحدة وتغير مفاجئ في درجة حرارة السطح. بالنسبة للتيتانيوم من الدرجة الثانية، حيث \\nu=0.34، فإن هذا يعطي \\sigma_{thermal} \\approx \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)}. بالنسبة إلى ΔT بقيمة 55 درجة (25 درجة إلى 80 درجة)، تبلغ σ_thermal حوالي 37.6 ميجا باسكال، وهو أقل بكثير من قوة الخضوع البالغة 275 ميجا باسكال. وهذا من شأنه أن يشير إلى أنه لا ينبغي أن يحدث تكسير الإجهاد الحراري. ومع ذلك، فإن الصيغة المذكورة أعلاه تعتمد على افتراض درجة حرارة أولية موحدة وتغير سريع لا نهاية له في درجة حرارة السطح، متجاهلة تأثير القطر. ونتيجة لذلك، بالنسبة للأغماد ذات القطر المحدود، يتم مضاعفة الضغط بعامل يتناسب مع مربع القطر، وذلك بسبب قناة التوصيل الحراري الأوسع وتدرجات درجة الحرارة. المعلمة الرئيسية هي رقم فورييه (Fo=×t / r²)، حيث يكون الانتشار الحراري (≈ 8.2 × 10⁻⁶ m²/s للتيتانيوم)، t هو الوقت وr هو نصف القطر. بالنسبة لمعدل معين من التسخين، فإن الغلاف ذو القطر الأكبر سوف يطور تدرجًا أكثر انحدارًا في درجة الحرارة الشعاعية نظرًا لأن الحرارة لا يمكن أن تصل إلى القلب بسرعة. قد يؤدي هذا التدرج إلى ضغوط الشد على السطح الخارجي، والتي يمكن أن تتجاوز حد إجهاد التيتانيوم لعدد كبير من الدورات الحرارية. يشير اختبار الصدمة الحرارية المتسارعة (20 دورة من 25 درجة إلى 90 درجة من حمض النيتريك المركز مع تسخين لمدة دقيقتين) إلى أن السخانات ذات القطر الرصاصي بقطر 20 مم تُحدث شقوقًا صغيرة على السطح بعد 50 دورة، في حين أن السخانات بقطر 12 مم تظل على قيد الحياة لأكثر من 500 دورة بدون أي تشقق. للحصول على خدمة موثوقة في حمض النيتريك المركز مع التدوير الحراري السريع، هناك حاجة إلى قطر حرج يبلغ حوالي 14 مم.

التأثير على الأداء الحراري: كثافة الطاقة ومعدل الحرارة-الارتفاع
تتناسب كثافة الطاقة التي يمكن تحقيقها بدون صدمة حرارية مع قطر غمد قلم الرصاص. يتناسب تدفق الحرارة (W/cm²) عكسيًا مع القطر الخارجي للغلاف لمدخل طاقة معين (واط). وذلك لأن القطر الأصغر يركز نفس القوة على مساحة أصغر، وبالتالي يزيد من التدفق الحراري ودرجة حرارة السطح. بالنسبة إلى حد درجة حرارة سلك المقاومة الداخلية المحدد (عادةً 450 درجة للسخانات المعزولة بأكسيد المغنيسيوم)، لا يمكن للسخان ذو القطر الأصغر أن يوفر قدرًا مطلقًا من الطاقة مثل السخان ذو القطر الأكبر لأن تدفق الحرارة على سطح السلك يصبح مفرطًا. النسبة بين الطاقة القصوى والقطر خطية تقريبًا. على سبيل المثال، يمكن لسخان قلم رصاص بقطر 12 مم أن ينتج بأمان ما يصل إلى 500 واط، في حين أن قطر 20 مم يمكن أن يوفر ما يصل إلى 1500 واط، بافتراض نفس تصميم السلك الداخلي. تعتمد طاقة التسخين المطلوبة على العملية في التعديل التحديثي للمفاعل المبطن بالزجاج. يمكن الضغط على قطر أكبر إذا كانت هناك حاجة إلى طاقة عالية ولكن هذا يزيد من خطر الصدمة الحرارية. الحل هو استخدام عدة سخانات قلم رصاص ذات قطر منخفض (على سبيل المثال، أربعة 12 مم بدلاً من 20 مم) لتوزيع الحمل الحراري وخفض حمل الصدمة الحرارية. علاوة على ذلك، يمكن التحكم في معدل زيادة درجة الحرارة عن طريق جهاز التحكم المناسب في المنحدر (على سبيل المثال . 5 درجة / دقيقة) لتجنب أي صدمة حرارية بحيث يمكن استخدام قطر أكبر دون أي مخاطر.

-تخليق المقايضة: مصفوفة اختيار قطر غمد حمض النيتريك المركز
يوضح الجدول أدناه قطر غمد التيتانيوم المقترح لنوع القلم الرصاص من أجل التعديل التحديثي في ​​المفاعلات المبطنة بالزجاج- لحمض النيتريك المركز (65-98% HNO 3) عند درجات حرارة تشغيل مختلفة وظروف تدوير حراري. وتستند الاقتراحات إلى تحليل العناصر المحدودة للضغوط الحرارية التي تم التحقق من صحتها من خلال البيانات الميدانية من المنشآت الكيميائية.

درجة حرارة التشغيل وشدة الدورات الحرارية القطر الموصى به للقلم الرصاص-النوع غمد (درجة 2 Ti) الحد الأقصى. تسخين آمن-معدل أعلى (درجة / دقيقة) الحد الأقصى. الطاقة القابلة للتحقيق لكل سخان (عند 2.5 وات/سم2) الأساس المنطقي للهندسة
65% HNO₃، 60 درجة، دورة حرارية متقطعة (مرة واحدة يوميًا، منحدر ينظم بواسطة PLC) 16 مم - 18 مم 8 درجات / دقيقة 1200 - 1600 واط حموضة ودرجة حرارة متوسطة. القطر الأكبر مقبول إذا تم التحكم في المنحدر. حجم منفذ المفاعل المبطن بالزجاج- يناسب بشكل متكرر 16 مم.
80% HNO₃، 70 درجة، دورات متوسطة (3-5/يوم، غمر يدوي للسخان البارد في حمض ساخن) 12 مم - 14 مم 3 درجات / دقيقة (إذا تم تنظيمه) أو تسخين السخان إلى 50 درجة قبل الإدخال 600 - 900 وات تشير قوة الحمض الأعلى إلى خطر أكبر للتشقق الناتج عن التآكل الناتج عن الإجهاد. انخفاض التدرج الحراري مع قطر أصغر. يوصى بالتسخين المسبق.
98% HNO3، 85 درجة، دورات عديدة (التشغيل على دفعات، يبرد السخان إلى البيئة المحيطة بين الدفعات، إدخال سريع) 10 مم إلى 12 مم غير مناسب للإدخال المباشر. استخدم ثيرموويل أو سخن إلى 70 درجة . 400 – 600 وات. حمض النيتريك المركز بالقرب من الغليان. خطر الصدمة الحرارية العالية. القطر الصغير المطلوب القطر. فكر في ثيرموويل التيتانيوم (أنبوب نهاية مغلق) مع سخان خرطوشة قابل للاستبدال حتى لا تضطر إلى دورة التيتانيوم نفسه حراريًا.
أي تركيز، تشغيل مستمر (لا يقل السخان أبدًا عن 50 درجة، بدون دورة حرارية) بدء التشغيل الأولي فقط حتى 20 مم 2 درجة / دقيقة (بدء التشغيل الأولي فقط) ما يصل إلى 1800 واط تحدث صدمة حرارية فقط أثناء بدء التشغيل. بمجرد الوصول إلى درجة الحرارة، لا يتم فرض الإجهاد الدوري عن طريق التشغيل المستقر. إذا كان بدء التشغيل-بطيئًا، فسيتم السماح بأقطار أكبر.
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 درجة ΔT في الدقيقة) 14 مم - 16 مم 5 درجات / دقيقة 1000 - 1400 وات منحدر يمكن التحكم فيه يقلل من الصدمات الحرارية بغض النظر عن القطر ضمن الحدود العملية. هذه هي التقنية المفضلة للتركيب للتعديلات التحديثية.
الهندسة خارج نطاق التسخين المسبق للقطر، والآبار الحرارية، وأجهزة التحكم في المنحدرات
تعمل ثلاث طرق هندسية بشكل جيد في القضاء على التشقق الناتج عن الإجهاد الحراري بشكل مستقل عن قطر غمد التيتانيوم. أولاً، يتم تسخين سخان القلم الرصاص مسبقًا إلى درجة حرارة 30 درجة من درجة حرارة المفاعل قبل الإدخال بحيث تكون ΔT أقل من 30 درجة ويكون الضغط الحراري أقل من 20 ميجا باسكال. يمكن تحقيق ذلك عن طريق وضع المدفأة في فرن صغير مُسخن مسبقًا أو عن طريق توفير طاقة متواضعة (10٪ من القيمة المقدرة) قبل الغمر الكامل. ثانيًا، مع - بئر حراري مغلق من التيتانيوم (سمك الجدار من 1.0 إلى 1.5 مم، وقطر من 18 إلى 25 مم) مثبت بشكل دائم في المفاعل، ومع إدخال سخان خرطوشة قابل للاستبدال بعد وصول درجة حرارة البئر الحراري. يتعرض البئر الحراري للصدمة الحرارية مرة واحدة فقط (التسخين الأولي للمفاعل) وبعد ذلك يتم استبدال سخان الخرطوشة دون مفاجأة التيتانيوم. تشير الأدلة الميدانية إلى أن تركيبات الآبار الحرارية قادرة على الخدمة لمدة 10+ سنة في حمض النيتريك بنسبة 98% عند 90 درجة. ثالثًا، يتم التخلص من التدرجات الحرارية الشعاعية عندما يتم إنشاء الحرارة ودخولها إلى الغلاف، وذلك من خلال استخدام وحدة تحكم مبرمجة في المنحدر تقيد معدل زيادة درجة حرارة المدفأة إلى 3-5 درجة / دقيقة. بالنسبة للسخان الرصاصي الذي يبلغ قطره 20 مم، يؤدي معدل الانحدار بمقدار 3 درجات مئوية/دقيقة إلى اختلاف في درجة الحرارة بين السطح الخارجي والداخلي أقل من 15 درجة مئوية ويكون الضغط الحراري حوالي 10 ميجا باسكال، وهو أقل بكثير من حد الكلال.

الخلاصة: يتم تجنب الصدمة الحرارية بالقطر<14 mm and Controlled Ramp
لقد أثبت استخدام -غلاف من النوع الرصاصي يبلغ قطره 14 مم أو أقل أنه وسيلة موثوقة لتجنب التشقق الناتج عن الصدمة الحرارية عند إعادة تجهيز مفاعل -مبطن بالزجاج مزود بسخانات غاطسة من التيتانيوم لخدمة حمض النيتريك المركز، بشرط أن يكون معدل التسخين-محدودًا بـ 5 درجات في الدقيقة أو يتم تسخين السخان مسبقًا قبل إدخاله. لا يمكن استخدام القطر الأكبر (16-20 ملم) إلا بمعدلات انحدار بطيئة جدًا (أقل من أو تساوي 3 درجات / دقيقة) أو في التشغيل المستمر بدون التدوير الحراري. العلاقة الأساسية هي أن الإجهاد الحراري للتدفئة العابرة يتناسب مع مربع القطر؛ يحتوي السخان مقاس 20 مم على إجهاد شد سطحي أكبر بنحو 2.8 مرة من السخان مقاس 12 مم وبنفس معدل التسخين-. في معظم التعديلات التحديثية، يوفر السخان الرصاصي بقطر 14 مم مع وحدة التحكم في المنحدر مزيجًا مثاليًا من المرونة في مواجهة الصدمات الحرارية، وتوصيل الطاقة (حوالي 1000 واط)، والتوافق مع منافذ المفاعل النموذجية المبطنة بالزجاج {-بوصة (1-وصلات ذات حواف NPT أو DN25). إذا كانت الطاقة المطلوبة أعلى من 1500 واط، فمن الأفضل استخدام عدة سخانات مقاس 12-14 مم جنبًا إلى جنب بدلاً من استخدام سخان واحد ذو قطر كبير. في حالة تحديد سخان غاطس من التيتانيوم لحمض النيتريك المركز، قم بتوفير تردد الدورة الحرارية المقدر والحد الأقصى لمعدل التسخين المسموح به (أو اذكر أنه سيتم استخدام وحدة التحكم في المنحدر)، وحجم منفذ المفاعل. باستخدام هذه البيانات، قد تحدد الشركة المصنعة أفضل قطر للغمد وتوصي إما بالغمر المباشر أو التخطيط الحراري للحصول على الموثوقية المثلى.