Voor een PFA (perfluoralkoxy) mantelverwarmer die wordt gebruikt om 160 graden te handhaven in een 70% zwavelzuuroplossing bij een druk van 2 bar, wat is de maximaal toegestane wanddikte om thermische degradatie van het polymeer op het grensvlak van de weerstandsdraad te voorkomen?
Laat een bericht achter
PFA (perfluoralkoxy) mantelverwarmers moeten ontworpen zijn voor 70% zwavelzuur bij 160 graden en een druk van 2 bar, zodat de temperatuur op het grensvlak met de weerstandsdraad onder de continue bedrijfstemperatuur van het polymeer van 260 graden blijft. De temperatuurdaling over de PFA-wand wordt gegeven door de vergelijking ΔT=(q × t) / k, waarbij q de warmteflux (W/m²), t de wanddikte (m) is en k de thermische geleidbaarheid van PFA (0,25 W/m·K). Voor een typische vermogensdichtheid van 8 W/cm2 (80.000 W/m2) en een bulkzuurtemperatuur van 160 graden, de hoogst toegestane wanddikte om de draadtemperatuur te garanderen<260°C is 0.31 mm. If the walls are made thicker, the wire interface would be above 260°C, at which point the polymer will soften and degrade
Thermisch afbraakmechanisme van PFA-omhulsels
De door de weerstandsdraad gegenereerde warmte moet door de PFA-wand naar het zuur geleiden. T_wire=T_acid + ΔT is de temperatuur op het grensvlak van de draad. PFA begint te verzachten bij 260 graden en begint af te breken boven 300 graden. Voor betrouwbaarheid op lange termijn mag de draadinterfacetemperatuur niet hoger zijn dan 260 graden. De warmteflux q wordt uitgedrukt in vermogensdichtheid (W/cm2) en is een functie van het vermogen en de oppervlakte van de verwarmer.
Draadtemperatuur versus wanddikte kwantitatief
Bij 160 graden, vermogensdichtheid van 8 W/cm² (80.000 W/m²) voor 70% H₂SO₄:
Wanddikte (mm) ΔT over PFA (graad) Draadtemperatuur (graad) PFA Conditie 0.15 48 208 Veilig 0.20 64 224 Veilig 0.25 80 240 Veilig 0.31 100 260 Maximaal toelaatbare 0.35 112 272 Degradatie begint 0.40 128 288 Verzachting 0.50 160 320Ernstige achteruitgang van
Maximaal toegestane wanddikte bij verschillende vermogensdichtheden
De volgende tabel toont de maximaal toegestane wanddikte voor PFA-mantelverwarmers in 70% H2SO4 bij 160 graden als functie van de vermogensdichtheid.
Vermogensdichtheid (W/cm2) ΔT per mm dikte (graad/mm)Max. wanddikte voor T_wire<260°C (mm) 5 20 0.5
6 24 0.42 7 28 0.36 8 32 0.31 9 36 0.28 10 40 0.25 12 48 0.21
Technische overwegingen 1.
De wanddikte moet ook bestand zijn tegen de interne druk van 2 bar (als de verwarmer een buis is) en lasten kunnen dragen en de vereiste mechanische sterkte geven. Voor drukken hoger dan 1 bar wordt een minimale wanddikte van 0,3 mm aanbevolen, ongeacht thermische berekeningen. Voor deze toepassing (2 bar) is een wanddikte van 0,3 – 0,35 mm een compromis tussen thermische en mechanische eisen. Als de muren dikker zijn, moet de vermogensdichtheid worden verlaagd of moet er een warmteverspreider worden toegevoegd.
Andere methoden
Als de noodzakelijke wanddikte voor mechanische integriteit de thermische limiet overschrijdt, kan het ontwerp worden gewijzigd door:
Verlaging van de vermogensdichtheid (verwarmer met langere of grotere diameter)
Gebruik van een meer thermisch geleidend materiaal (PEEK heeft k=0.32 W/m·K, een beetje beter)
Metalen warmteverspreider in de PFA-mantel plaatsen
Gebruik van een polymeer met een hogere temperatuur (er is niets beschikbaar voor deze chemische omgeving boven 260 graden)
Een goed geïnformeerde specificatie
Om het draadcontact onder de 260 graden te houden, is de maximale wanddikte van een PFA-mantelverwarmer met een vermogensdichtheid van 8 W/cm2 in 70% zwavelzuur bij 160 graden en 2 bar druk 0,31 mm. Om de mechanische betrouwbaarheid te garanderen, moet ofwel een versterkende laag worden gebruikt, ofwel de vermogensdichtheid worden teruggebracht tot 6 W/cm², wat een wanddikte van 0,42 mm mogelijk maakt. De ingenieur controleert de wanddikte en vermogensdichtheid om warmtedegradatie van de PFA op het grensvlak met de weerstandsdraad te voorkomen.
