सांद्रित नाइट्रिक एसिड सेवा के लिए टाइटेनियम इमर्शन हीटर के साथ ग्लास {{0}लाइन वाले रिएक्टर को रेट्रोफिटिंग करते समय, कौन सी पेंसिल {{1} टाइप शीथ व्यास थर्मल शॉक क्रैकिंग से बचाती है?

ग्लास के लिए पेंसिल प्रकार टाइटेनियम हीटर के डिजाइन में मौलिक व्यापार {{0}बंद {{1}लाइन वाले रिएक्टर
कांच के उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध के कारण सांद्रित नाइट्रिक एसिड (65-98% HNO3) के प्रसंस्करण के लिए कांच पंक्तिबद्ध रिएक्टरों का उपयोग आम है। हालाँकि, ग्लास लाइन वाले कंटेनर सीधे विसर्जन हीटिंग के लिए उपयुक्त नहीं हैं क्योंकि ग्लास लाइनिंग यांत्रिक संपर्क या थर्मल ग्रेडिएंट्स द्वारा जल्दी टूट जाती है। ऐसा करने का एक तरीका ऐसे रिएक्टरों को टाइटेनियम विसर्जन हीटरों के साथ फिर से लगाना है, क्योंकि टाइटेनियम को 80-100 डिग्री तक के तापमान पर केंद्रित नाइट्रिक एसिड के प्रति काफी प्रतिरोधी माना जाता है। ज्यामिति का विकल्प एक पेंसिल प्रकार का हीटर है, एक पतला, सीधा म्यान, आमतौर पर 12 मिमी से 20 मिमी व्यास का, एक बंदरगाह या थर्मोवेल के माध्यम से डाला जाता है। संक्षारण के बजाय थर्मल शॉक क्रैकिंग संकेंद्रित नाइट्रिक एसिड की विफलता का प्रमुख तरीका है। बिजली का तेजी से उपयोग या गर्म एसिड में रखा गया ठंडा हीटर टाइटेनियम शीथ में पर्याप्त तापमान प्रवणता का कारण बनता है। थर्मल प्रेरित तनाव का आयाम सीधे म्यान व्यास (बाहरी व्यास) द्वारा निर्धारित किया जाता है: बड़े व्यास के परिणामस्वरूप किसी दिए गए तापमान अंतर के लिए उच्च परिधीय और अक्षीय तनाव होता है। पेंसिल प्रकार के म्यान के व्यास का सटीक चयन थर्मल साइक्लिंग के दौरान टाइटेनियम उपज शक्ति या थकान सीमा को पार करने से बचाता है। यह शोध नाइट्रिक एसिड एकाग्रता, परिचालन तापमान और थर्मल क्षणिक की अनुमानित दरों के आधार पर व्यास का चयन करने के लिए एक मात्रात्मक आधार देता है।

यांत्रिक अखंडता का प्रभाव: थर्मल तनाव और व्यास स्केलिंग
जब एक टाइटेनियम पेंसिल हीटर को तापमान ΔT में अचानक परिवर्तन के अधीन किया जाता है (उदाहरण के लिए, परिवेश 25C से रिएक्टर तापमान 80C तक), बाहरी सतह पर थर्मल तनाव थर्मल विस्तार के गुणांक (ग्रेड 2 के लिए=8.6×10 -6 /C), लोचदार मापांक (ई=105 GPa) और तापमान अंतर के उत्पाद के समानुपाती होता है, लेकिन यह बायोट संख्या और ज्यामिति का एक कार्य भी है। एक ठोस बेलनाकार म्यान (या एक छोटे आंतरिक बोर के साथ मोटी दीवार वाली ट्यूब) के लिए तेजी से तापमान परिवर्तन के लिए अधिकतम थर्मल तनाव इस प्रकार दिया जाता है: σ थर्मल ≈ ई ΔT 2 1-v एक समान प्रारंभिक तापमान और अचानक सतह तापमान परिवर्तन के साथ एक अनंत लंबे सिलेंडर के लिए। ग्रेड 2 टाइटेनियम के लिए, जहां \\nu=0.34, यह \\sigma_{thermal} \\लगभग \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)} देता है। 55 डिग्री (25 डिग्री से 80 डिग्री) के ΔT के लिए, σ_थर्मल लगभग 37.6 एमपीए है, जो 275 एमपीए की उपज शक्ति से काफी कम है। इससे यह पता चलेगा कि थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग नहीं होनी चाहिए। हालाँकि, उपरोक्त सूत्र व्यास के प्रभाव को नजरअंदाज करते हुए एक समान प्रारंभिक तापमान और सतह के तापमान में अंतहीन तेजी से बदलाव की धारणा पर आधारित है। परिणामस्वरूप, परिमित व्यास वाले म्यान के लिए, व्यापक ऊष्मा चालन चैनल और तापमान प्रवणता के कारण, तनाव व्यास के वर्ग के आनुपातिक कारक से कई गुना बढ़ जाता है। मुख्य पैरामीटर फूरियर संख्या (Fo=×t / r²) है, जहां तापीय प्रसार क्षमता है (टाइटेनियम के लिए ≈ 8.2 × 10⁻⁶ m²/s), t समय है और r त्रिज्या है। हीटिंग की दी गई दर के लिए, एक बड़े व्यास वाले म्यान में तेज रेडियल तापमान प्रवणता विकसित होगी क्योंकि गर्मी जल्दी से कोर तक नहीं पहुंच सकती है। यह ढाल बाहरी सतह पर तन्य तनाव उत्पन्न कर सकती है, जो बड़ी संख्या में ताप चक्रों के लिए टाइटेनियम थकान सीमा को पार कर सकती है। त्वरित थर्मल शॉक परीक्षण (2 मिनट के ताप-अप के साथ 25 डिग्री से 90 डिग्री केंद्रित नाइट्रिक एसिड तक 20 चक्र) इंगित करता है कि 20 मिमी व्यास वाले पेंसिल हीटर 50 चक्रों के बाद सतह पर माइक्रोक्रैक विकसित करते हैं जबकि 12 मिमी व्यास वाले हीटर बिना किसी दरार के 500 से अधिक चक्रों तक जीवित रहते हैं। तेजी से थर्मल साइक्लिंग के साथ केंद्रित नाइट्रिक एसिड में विश्वसनीय सेवा के लिए, लगभग 14 मिमी के एक महत्वपूर्ण व्यास की आवश्यकता होती है।

थर्मल प्रदर्शन पर प्रभाव: पावर घनत्व और ताप-अप दर
थर्मल शॉक के बिना प्राप्य शक्ति घनत्व पेंसिल प्रकार के म्यान व्यास के समानुपाती होता है। किसी दिए गए पावर इनपुट (वाट) के लिए ताप प्रवाह (डब्ल्यू/सेमी²) म्यान के बाहरी व्यास के व्युत्क्रमानुपाती होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि एक छोटा व्यास समान शक्ति को एक छोटे क्षेत्र पर केंद्रित करता है, जिससे गर्मी का प्रवाह और सतह का तापमान बढ़ जाता है। एक निर्धारित आंतरिक प्रतिरोध तार तापमान सीमा (आमतौर पर एमजीओ इंसुलेटेड हीटर के लिए 450 डिग्री) के लिए, एक छोटा व्यास वाला हीटर बड़े व्यास वाले हीटर जितनी पूर्ण शक्ति प्रदान नहीं कर सकता है क्योंकि तार की सतह पर गर्मी का प्रवाह अत्यधिक हो जाता है। अधिकतम शक्ति और व्यास के बीच का अनुपात लगभग रैखिक है। उदाहरण के लिए, 12 मिमी व्यास वाला एक पेंसिल हीटर सुरक्षित रूप से 500 W तक का उत्पादन कर सकता है, जबकि 20 मिमी का व्यास 1,500 W तक का उत्पादन कर सकता है, समान आंतरिक तार डिज़ाइन को मानते हुए। ग्लास लाइन्ड रिएक्टर की रेट्रोफिटिंग में आवश्यक ताप शक्ति प्रक्रिया पर निर्भर होती है। यदि उच्च शक्ति की आवश्यकता हो तो बड़े व्यास को दबाया जा सकता है लेकिन इससे थर्मल शॉक का खतरा बढ़ जाता है। समाधान यह है कि थर्मल लोड को वितरित करने और थर्मल शॉक लोड को कम करने के लिए कई कम व्यास वाले पेंसिल हीटर (उदाहरण के लिए एक 20 मिमी के बजाय चार 12 मिमी) का उपयोग किया जाए। इसके अलावा, तापमान में वृद्धि की दर को किसी भी थर्मल झटके से बचाते हुए एक उपयुक्त रैंप नियंत्रक (उदाहरण के लिए {{20%) डिग्री / मिनट) द्वारा नियंत्रित किया जा सकता है ताकि बिना किसी जोखिम के अधिक व्यास का उपयोग किया जा सके।

संश्लेषण से व्यापार करें: सांद्रित नाइट्रिक एसिड शीथ व्यास चयन मैट्रिक्स
नीचे दी गई तालिका अलग-अलग ऑपरेटिंग तापमान और थर्मल साइक्लिंग स्थितियों पर केंद्रित नाइट्रिक एसिड (65-98% एचएनओ 3) के लिए ग्लास लाइन रिएक्टरों में रेट्रोफिट के लिए पेंसिल प्रकार के सुझाए गए टाइटेनियम शीथ व्यास को दर्शाती है। सुझाव रासायनिक सुविधाओं से प्राप्त फ़ील्ड डेटा के साथ मान्य थर्मल तनाव के सीमित तत्व विश्लेषण पर आधारित हैं।

ऑपरेटिंग तापमान और थर्मल चक्र की गंभीरता पेंसिल का अनुशंसित व्यास - प्रकार शीथ (ग्रेड 2 टीआई) अधिकतम। सुरक्षित ताप-अप दर (डिग्री/मिनट) अधिकतम। प्रति हीटर प्राप्त करने योग्य शक्ति (2.5 डब्लू/सेमी2 पर) कोर इंजीनियरिंग तर्क
65% एचएनओ₃, 60 डिग्री, रुक-रुक कर थर्मल साइक्लिंग (दिन में एक बार, पीएलसी द्वारा नियंत्रित रैंप) 16 मिमी - 18 मिमी 8 डिग्री/मिनट 1,200 - 1,600 डब्ल्यू मध्यम अम्लता और तापमान। यदि रैंप नियंत्रित हो तो बड़ा व्यास ठीक है। ग्लास -लाइन्ड रिएक्टर पोर्ट का आकार अक्सर 16 मिमी फिट बैठता है।
80% एचएनओ₃, 70 डिग्री, मध्यम चक्र (3-5/दिन, गर्म एसिड में ठंडे हीटर का मैन्युअल विसर्जन) 12 मिमी - 14 मिमी 3 डिग्री/मिनट (यदि विनियमित) या सम्मिलन से पहले हीटर को 50 डिग्री पर पहले से गरम करें 600 - 900 डब्ल्यू उच्च एसिड ताकत का मतलब तनाव संक्षारण क्रैकिंग का उच्च खतरा है। छोटे व्यास के साथ कम ताप प्रवणता। पहले से गरम करने का सुझाव दिया गया.
98% एचएनओ3, 85 डिग्री, कई चक्र (बैच ऑपरेशन, हीटर बैचों के बीच परिवेश को ठंडा करता है, त्वरित प्रविष्टि) 10 मिमी से 12 मिमी सीधे प्रविष्टि के लिए उपयुक्त नहीं है। थर्मोवेल का उपयोग करें या 70 डिग्री . 400 - 600 डब्ल्यू तक पहले से गरम करें। उबलने के करीब केंद्रित नाइट्रिक एसिड। उच्च तापीय आघात का खतरा। छोटे व्यास के लिए आवश्यक व्यास। एक बदली जाने योग्य कार्ट्रिज हीटर के साथ टाइटेनियम थर्मोवेल (बंद अंत ट्यूब) के बारे में सोचें ताकि आपको टाइटेनियम को स्वयं थर्मल चक्रित न करना पड़े।
कोई भी एकाग्रता, निरंतर संचालन (हीटर कभी भी 50 डिग्री से नीचे नहीं जाता, कोई थर्मल साइक्लिंग नहीं) प्रारंभिक स्टार्टअप केवल 20 मिमी 2 डिग्री / मिनट तक (केवल प्रारंभिक स्टार्टअप) 1,800 डब्ल्यू तक थर्मल शॉक केवल स्टार्ट अप के दौरान होता है। एक बार तापमान पर, स्थिर अवस्था संचालन द्वारा चक्रीय तनाव नहीं लगाया जाता है। यदि स्टार्ट अप धीमा है, तो बड़े व्यास की अनुमति है।
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 डिग्री ΔT प्रति मिनट) 14 मिमी - 16 मिमी 5 डिग्री/मिनट 1,000 - 1,400 W नियंत्रित रैंप व्यावहारिक सीमा के भीतर व्यास की परवाह किए बिना थर्मल झटके को कम करता है। रेट्रोफ़िट के लिए इंस्टॉलेशन की यह पसंदीदा तकनीक है।
व्यास से परे प्रीहीटिंग, थर्मोवेल्स और रैंप नियंत्रकों की इंजीनियरिंग
टाइटेनियम शीथ व्यास से स्वतंत्र थर्मल स्ट्रेस क्रैकिंग को खत्म करने में तीन इंजीनियरिंग विधियां अच्छी तरह से काम करती हैं। सबसे पहले, पेंसिल हीटर को डालने से पहले रिएक्टर तापमान के 30 डिग्री के भीतर पहले से गरम किया जाता है ताकि ΔT 30 डिग्री से कम हो और थर्मल तनाव 20 एमपीए से कम हो। यह हीटर को एक छोटे प्रीहीट ओवन में रखकर या पूर्ण विसर्जन से पहले मामूली बिजली (रेटेड का 10%) प्रदान करके पूरा किया जा सकता है। दूसरा, रिएक्टर में स्थायी रूप से स्थापित एक बंद {{7}अंत टाइटेनियम थर्मोवेल (दीवार की मोटाई 1.0 से 1.5 मिमी, व्यास 18 से 25 मिमी) के साथ, और थर्मोवेल के तापमान पर होने के बाद एक बदली जाने योग्य कार्ट्रिज हीटर डाला जाता है। थर्मोवेल को केवल एक बार थर्मल शॉक (रिएक्टर की शुरुआती गर्मी तक) के अधीन किया जाता है और उसके बाद टाइटेनियम को प्रभावित किए बिना कार्ट्रिज हीटर को बदल दिया जाता है। फ़ील्ड साक्ष्य इंगित करते हैं कि थर्मोवेल संस्थापन 90 डिग्री पर 98% नाइट्रिक एसिड में 10+ वर्षों तक सेवा देने में सक्षम हैं। तीसरा, रेडियल थर्मल ग्रेडिएंट्स का उन्मूलन तब होता है जब गर्मी पैदा होती है और म्यान में प्रवेश करती है, एक प्रोग्राम्ड रैंप नियंत्रक को नियोजित करके जो हीटर के तापमान में वृद्धि की दर को 3-5 डिग्री / मिनट तक सीमित कर देता है। 20 मिमी व्यास के एक पेंसिल हीटर के लिए 3 डिग्री सेल्सियस/मिनट की रैंप दर के परिणामस्वरूप बाहरी और आंतरिक सतह के बीच तापमान का अंतर 15 डिग्री सेल्सियस से कम होता है और थर्मल तनाव लगभग 10 एमपीए होता है, जो थकान सीमा से काफी कम है।

निष्कर्ष: व्यास के साथ थर्मल शॉक से बचा जाता है<14 mm and Controlled Ramp
केंद्रित नाइट्रिक एसिड सेवा के लिए टाइटेनियम इमर्शन हीटर के साथ एक ग्लास लाइन रिएक्टर को रेट्रोफिट करते समय 14 मिमी या उससे कम के पेंसिल प्रकार के शीथ व्यास का उपयोग थर्मल शॉक क्रैकिंग से बचने का एक विश्वसनीय साधन साबित हुआ है, बशर्ते कि गर्मी की दर 5 डिग्री प्रति मिनट तक सीमित हो या हीटर को डालने से पहले पहले से गरम किया गया हो। बड़े व्यास (16-20 मिमी) का उपयोग केवल बहुत धीमी रैंप दरों (3 डिग्री/मिनट से कम या उसके बराबर) या थर्मल साइक्लिंग के बिना निरंतर संचालन में किया जा सकता है। मूल संबंध यह है कि क्षणिक हीटिंग के लिए थर्मल तनाव व्यास के वर्ग के समानुपाती होता है; 20 मिमी हीटर में समान ताप दर के लिए 12 मिमी हीटर की तुलना में लगभग 2.8 गुना अधिक सतह तन्य तनाव होता है। अधिकांश रेट्रोफिट्स में, रैंप कंट्रोलर के साथ 14 मिमी व्यास वाला पेंसिल हीटर थर्मल शॉक के प्रति लचीलापन, बिजली वितरण (लगभग 1,000 डब्ल्यू) और विशिष्ट ग्लास लाइन वाले रिएक्टर पोर्ट (1 इंच एनपीटी या डीएन 25 फ्लैंग्ड कनेक्शन) के साथ संगतता का इष्टतम संयोजन प्रदान करता है। यदि आवश्यक बिजली 1,500 वॉट से अधिक है, तो एक बड़े व्यास वाले हीटर का उपयोग करने की तुलना में एक साथ कई 12-14 मिमी हीटर का उपयोग करना बेहतर है। यदि संकेंद्रित नाइट्रिक एसिड के लिए टाइटेनियम इमर्शन हीटर निर्दिष्ट कर रहे हैं, तो अनुमानित थर्मल चक्र आवृत्ति, अधिकतम अनुमत ताप-अप दर (या बताएं कि एक रैंप नियंत्रक का उपयोग किया जाएगा), और रिएक्टर पोर्ट का आकार प्रदान करें। इस डेटा के साथ, निर्माता सर्वोत्तम म्यान व्यास निर्धारित कर सकता है और इष्टतम विश्वसनीयता के लिए सीधे विसर्जन या थर्मोवेल लेआउट की सिफारिश कर सकता है।