จะลดความหนาแน่นของวัตต์ของปลอก PFA ได้อย่างถูกต้องเมื่อใช้งานที่อุณหภูมิสูงกว่า 140 องศาในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นได้อย่างไร

กรดซัลฟิวริกเข้มข้น (H2SO4) ที่อุณหภูมิสูงกว่า 140 องศาเป็นหนึ่งในการตั้งค่าที่แย่ที่สุดสำหรับเครื่องทำความร้อนแบบจุ่มที่ใช้โพลีเมอร์- PFA (เปอร์ฟลูออโรอัลคอกซีอัลเคน) ทนต่อสารเคมีได้ดีเยี่ยมถึง 180 องศาในสื่อหลายชนิด อย่างไรก็ตาม ผลรวมของกรดซัลฟิวริกเข้มข้นที่อุณหภูมิสูงทำให้เกิดกลไกการย่อยสลายที่แตกต่างกันสองกลไก กล่าวคือ ซัลโฟเนชันของพื้นผิวที่ส่วนต่อประสานของกรดโพลีเมอร์- และการซึมผ่านของน้ำและไอกรดที่เพิ่มขึ้นผ่านเมทริกซ์ฟลูออโรโพลีเมอร์ ตัวเลขความหนาแน่นวัตต์ตามปกติสำหรับท่อ PFA ในสื่อที่เป็นกลางหรือมีฤทธิ์กัดกร่อนเล็กน้อย-8 ถึง 12 วัตต์/ซม.2 ถือเป็นแง่ดีที่ทำให้เข้าใจผิดเมื่ออุณหภูมิในกรดซัลฟิวริกเกิน 140 องศา ดังนั้นการทำงานในระดับที่ไม่ได้รับการแก้ไขจะนำไปสู่การพองตัวและการหลุดออกจากแกนทำความร้อนภายในอย่างรวดเร็วและการแตกร้าวขั้นสุดท้าย การลดความหนาแน่นของวัตต์อย่างแม่นยำจำเป็นต้องใช้ข้อมูลความต้านทานสารเคมีที่ขึ้นกับอุณหภูมิ การสร้างแบบจำลองการซึมผ่าน และความเข้าใจเกี่ยวกับอิทธิพลของความเข้มข้นของกรดต่อการบวมตัวของ PFA

ความต้านทานความร้อนและสารเคมีของ PFA ในกรดซัลฟิวริกความเข้มข้นสูง
ความเสถียรทางเคมีของ PFA เป็นผลมาจากความแข็งแรงของพันธะคาร์บอน-ฟลูออรีน และผลการป้องกันของอะตอมฟลูออรีนตามแนวแกนหลักของโพลีเมอร์ กรดซัลฟิวริกเข้มข้น (มากกว่า 90% โดยน้ำหนัก) เป็นตัวทำปฏิกิริยาขาดน้ำอย่างแรงและเป็นตัวออกซิไดซ์อย่างอ่อน ที่อุณหภูมิ 140–160 องศา กรดซัลฟิวริกจะค่อยๆ แยกส่วนเชื่อมต่ออีเทอร์ในสายด้านข้างของเพอร์ฟลูออโรอัลคอกซี ทำให้มีหมู่ปลายคาร์บอกซิเลทในปริมาณเล็กน้อย และปล่อยไฮโดรเจนฟลูออไรด์ออกมาในปริมาณเล็กน้อย การสลายพื้นผิวไม่เร็วพอที่จะทำให้เกิดความล้มเหลวในทันที แต่จะช่วยเพิ่มความสามารถในการซึมผ่านของโพลีเมอร์ทั้งน้ำและกรด ข้อมูลการทดสอบการแช่ในระยะยาว (5,000 ชั่วโมง) แสดงให้เห็นว่า PFA ที่โดน 98% H 2 SO 4 ที่ 150 องศา มีค่าสัมประสิทธิ์การซึมผ่านเพิ่มขึ้น 40-60% สำหรับความชื้นเหนือวัสดุที่ไม่ได้รับแสง ดังนั้นสำหรับการออกแบบเครื่องทำความร้อน อุณหภูมิพื้นผิวสูงสุดที่อนุญาตจะต้องลดลงเมื่อมีปริมาณกรดเพิ่มขึ้น อุณหภูมิพื้นผิวต่อเนื่องที่ปลอดภัยของเคส PFA ที่มี H2SO4 96-98% ที่ 140C อยู่ที่ประมาณ 165C ดังนั้นจึงมีความแตกต่างเพียง 25C ระหว่างพื้นผิวตัวทำความร้อนและกรดปริมาณมาก ที่อุณหภูมิรวม 150 องศา พื้นที่สามเหลี่ยมปากแม่น้ำจะหดตัวเหลือ 15 องศา ดังนั้นจึงจำกัดการไหลของความร้อนที่อาจเกิดขึ้นได้อย่างมาก

การซึมผ่านที่สูงกว่า 140 องศา-กลไกการชักนำให้เกิดความล้มเหลว
เมื่อใช้เครื่องทำความร้อนแบบมีกล่อง PFA- ในกรดซัลฟิวริกร้อนเข้มข้น รูปแบบความล้มเหลวหลักจะไม่เกิดการละลายหรือการละลายทางเคมีของโพลีเมอร์จำนวนมาก แต่จะสะสมแรงดันในผนังโพลีเมอร์ น้ำที่อยู่ในกรด (แม้แต่ H2SO4 ที่มีความเข้มข้นก็มีน้ำ 2-4% โดยน้ำหนัก) กระจายผ่าน PFA และไปถึงส่วนเชื่อมต่อระหว่างโพลีเมอร์กับองค์ประกอบความร้อนของโลหะภายใน โมเลกุลของน้ำเหล่านี้จะถูกเปลี่ยนเป็นไอน้ำอย่างรวดเร็วที่อุณหภูมิมากกว่า 140 องศา ในเวลาเดียวกัน กรดซัลฟิวริกจำนวนเล็กน้อยที่ผ่าน PFA สามารถกัดกร่อนไปที่แกนโลหะทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจนได้ ไอน้ำและไฮโดรเจนรวมตัวกันในช่องว่างระดับจุลภาคหรือที่จุดสัมผัสโลหะของโพลีเมอร์ ปลอก PFA เริ่มพองเมื่อแรงดันแก๊สภายในเพิ่มขึ้น ผนังโพลีเมอร์บางเฉพาะที่จะถูกเร่งเมื่อเริ่มเกิดตุ่มพอง และอุณหภูมิพื้นผิวของตุ่มพองจะเพิ่มขึ้นอีกโดยการถ่ายเทความร้อนที่ลดลงผ่านช่องที่เต็มไปด้วยก๊าซ วงจรป้อนกลับเชิงบวกนี้มักจะนำไปสู่การแตกอย่างรุนแรงใน 200-500 ชั่วโมงที่ความหนาแน่นวัตต์มากกว่า 3.5 วัตต์/ซม. 2 ที่ 150 องศาใน 96% H 2 SO 4 . ในทางตรงกันข้าม การใช้เครื่องทำความร้อนเดียวกันในกรดซัลฟิวริกเจือจางที่อุณหภูมิรวมเท่ากันสามารถทนได้ 7-8 วัตต์/ซม.2 โดยไม่เกิดรอยไหม้

การวัดการลดความหนาแน่นของวัตต์ที่ต้องการ
ผู้ผลิตเครื่องทำความร้อนฟลูออโรโพลีเมอร์ได้ทำการทดสอบอย่างเป็นระบบเพื่อสร้างเส้นโค้งการลดพิกัดเชิงประจักษ์สำหรับปลอก PFA ในกรดซัลฟิวริกเข้มข้น ความหนาแน่นวัตต์ที่ยั่งยืนสูงสุดแสดงแนวโน้มการสลายแบบเอกซ์โปเนนเชียลโดยประมาณโดยมีอุณหภูมิรวมสูงกว่า 130 องศา ความหนาแน่นของวัตต์ที่ปลอดภัยที่อุณหภูมิรวม 140 องศา โดยมี H2SO4 96% คือ 4.5–5.0 วัตต์/ซม.2 หากความหนาของผนัง PFA อยู่ที่ 1.5–2.0 มม. และพื้นผิวสะอาดและไม่มีการปนเปื้อน การเพิ่มอุณหภูมิรวมเป็น 150 องศาจะช่วยลดขีดจำกัดที่ยอมรับได้เหลือ 2.8–3.2 วัตต์/ซม.² ที่อุณหภูมิรวมสูงสุด 160 องศา ความหนาแน่นของวัตต์ลดลงเหลือ 1.5–2.0 วัตต์/ซม.² ไม่แนะนำให้ใช้งานต่อเนื่องใน 96% H2SO4 ที่อุณหภูมิรวม 170 องศาสำหรับความหนาแน่นของวัตต์ใดๆ เนื่องจากความแข็งแรงเชิงกลของ PFA ลดลงถึงระดับที่แรงกดดันการขยายตัวเนื่องจากความร้อนเพียงอย่างเดียวอาจทำให้เกิดการแตกหักได้ ข้อจำกัดเหล่านี้จะลดลงประมาณ 15 – 20 % ตลอดช่วงอุณหภูมิทั้งหมดสำหรับกรด 98 % การลดพิกัดส่วนใหญ่เกิดจากอุณหภูมิพื้นผิวของ PFA เอง ซึ่งสำหรับความหนาแน่นของวัตต์และค่าสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่กำหนดจะอยู่ที่ประมาณ 8 ถึง 12 องศาเหนืออุณหภูมิกรดเทกองในระบบที่มีบ่อ-ปั่นป่วน และสูงกว่า 20 ถึง 30 องศาในถังที่นิ่ง วิธีอนุรักษ์นิยมจะใช้เดลต้าที่สูงกว่า เว้นแต่จะมีการหมุนเวียนแบบบังคับ

ผลกระทบจากความเข้มข้น: ทำไมกรด 90% จึงไม่ทำหน้าที่เหมือนกรด 96%
ปัจจัยหนึ่งที่ไม่ค่อยพิจารณาคือความเข้มข้นที่แน่นอนของกรดซัลฟิวริกในช่วง 90-100% ด้วย H2SO4 90-93% ศักยภาพในการออกซิไดซ์ของกรดจะลดลงและปริมาณน้ำที่สมดุลจะสูงขึ้น ในช่วงความเข้มข้นนี้ PFA แสดงอัตราการดูดซึมน้ำต่ำกว่ากรด 96% ประมาณ 50% และการบวมของโพลีเมอร์จะลดลงที่ 140 องศา ดังนั้น ความหนาแน่นของวัตต์ที่ปลอดภัยที่ 140 องศาในกรด 93% จะเพิ่มขึ้นเป็น 6.0–7.0 วัตต์/ซม.² ที่ 98.5% ขึ้นไป (การฟูของกรดซัลฟิวริกหรือโอเลี่ยมที่มี SO₃ ที่ละลายอยู่) กลไกการย่อยสลายจะเปลี่ยนเป็นการโจมตีด้วยอิเล็กโทรฟิลิกโดยตรงบนแกนหลักของ PFA ไม่มีเกรด PFA ที่เหมาะสมสำหรับการแช่ในโอเลียมที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 100 องศาที่ความหนาแน่นของวัตต์ใดๆ เส้นแบ่งระหว่าง "ยอมรับได้" และ "ไม่ยอมรับ" ค่อนข้างชัดเจน และพบว่าอยู่ระหว่าง 98.0% ถึง 98.5% ที่อุณหภูมิสูง ดังนั้น วิศวกรควรต้องมีการตรวจสอบความเข้มข้นของกรดที่ได้รับการตรวจสอบก่อนสร้างเครื่องทำความร้อน PFA สำหรับการทำงานของกรดซัลฟิวริกที่มีความเข้มข้นใกล้เคียงกัน

การใช้งาน-คู่มือการลดพิกัดเฉพาะสำหรับปลอก PFA ในกรดซัลฟิวริกร้อน
ความหนาแน่นวัตต์สูงสุดที่ยอมรับได้เป็นฟังก์ชันของอุณหภูมิกรดปริมาณมาก ช่วงความเข้มข้น และความเข้มของการกวน สรุปไว้ในตารางต่อไปนี้ ค่าทั้งหมดอิงตามความหนาขั้นต่ำของผนัง PFA 1.5 มม. และพื้นผิวเครื่องทำความร้อนปราศจากคราบสะสมหรือตะกรัน

อุณหภูมิของกรดปริมาณมาก H₂SO₄ ความเข้มข้น เงื่อนไขการกวน ความหนาแน่นวัตต์ต่อเนื่องสูงสุด ปัจจัยจำกัดวิกฤต
130–140 องศา 90–93% ปานกลางถึงสูง (Re > 10,000) 6.5–7.5 W/cm2 อัตราการซึมผ่านยังคงปานกลาง; ซัลโฟเนชันที่พื้นผิวต่ำ 130–140 องศา 96–98% ระดับการกวน 4.0–5.0 วัตต์/ซม.² การซึมผ่านของน้ำเพิ่มขึ้น; ลดเรตติ้ง 20% สำหรับรถถังที่นิ่งสงบ
90-93% 141-150 องศา การบังคับหมุนเวียนเพียง 4.5–5.5 วัตต์/ซม.² ควรหลีกเลี่ยงการพาความร้อนตามธรรมชาติ ต้องใช้แผ่นกั้นเพื่อให้แน่ใจว่ามีการไหลผ่านพื้นผิว. 141–150 องศา 96–98%สภาวะใดๆ 2.8–3.2 วัตต์/ซม.^2 มีความเสี่ยงต่อการเกิดฟองอากาศมากกว่า ต้องตรวจสอบความหนาทุกเดือน 151–160 องศา 90–93% การไหลเวียนแบบบังคับ ความปั่นป่วนเล็กน้อย 2.0–2.5 วัตต์/ซม.² ตรวจพบซัลโฟเนตที่พื้นผิวได้หลังจาก 2,000 ชั่วโมง
96-98% 151-160°CNot advised, < 1.5 W/cm 2Reliable life less than 500 hour Consider alternate materials (quartz or SiC) >160°C Any >90%ห้ามใช้ PFA ไม่สามารถใช้ได้ การแตกเนื่องจากการขยายตัวทางความร้อนกับแกนโลหะไม่ตรงกัน การสูญเสียความสมบูรณ์ทางกล
การปฏิบัติจริง: การวัดและการตรวจสอบการลดค่าที่เพียงพอ
การประมาณค่าความหนาแน่นของวัตต์ที่ลดลงโดยไม่มีมาตรการยืนยันนั้นไม่เพียงพอ สำหรับการติดตั้งแบบเก่า เทอร์โมมิเตอร์อินฟราเรดหรือเทอร์โมคัปเปิลที่ติดตั้งกับผนังถังไม่สามารถตรวจสอบอุณหภูมิพื้นผิว PFA ได้โดยตรง แต่ควรติดตั้งเทอร์โมคัปเปิลเกจบางในระหว่างการผลิตเครื่องทำความร้อนใน-ระหว่างปลอก PFA และแกนทำความร้อนของโลหะ เซ็นเซอร์ในตัว-นี้จะระบุอุณหภูมิผนังภายใน-ที่แน่นอน ความแตกต่างของอุณหภูมิผนังด้านในจากอุณหภูมิกรดเทกองไม่ควรเกินค่าที่ระบุโดยสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความร้อนที่ความหนาแน่นของวัตต์ที่ใช้ สำหรับการออกแบบใหม่ ให้เลือกเครื่องทำความร้อนที่มีการกระจายความหนาแน่นของวัตต์ต่ำกว่า ซึ่งสามารถทำได้โดยการเพิ่มพื้นที่ผิวทำความร้อนทั้งหมด ไม่ใช่เพียงการลดพลังงานลงเท่านั้น ตัวอย่างเช่น เครื่องทำความร้อนขนาด 6 kW ที่ 3 W/cm2 ต้องการพื้นที่ผิว 2000 cm2 การเพิ่มพื้นที่ผิวช่วยรักษาความร้อนเข้าที่จำเป็น โดยไม่เกินข้อจำกัดทางความร้อนของวัสดุ

สรุป: การลดพิกัดเป็นการคำนวณด้านความปลอดภัย ไม่ใช่คำแนะนำ
การใช้เครื่องทำความร้อนแบบแช่กล่อง PFA- ที่อุณหภูมิมากกว่า 140 องศาในกรดซัลฟิวริกเข้มข้นโดยไม่ลดความหนาแน่นของวัตต์ลงอย่างเหมาะสมอาจเสี่ยงต่อความล้มเหลวกะทันหันและไม่คาดคิด กลไกการควบคุมต่างๆ เช่น ความสามารถในการซึมผ่านของน้ำ การพองตัวของไอน้ำ และซัลโฟเนชันที่พื้นผิว เป็นที่เข้าใจและระบุปริมาณเป็นอย่างดี วิศวกรต้องการข้อมูลสามจุดก่อนที่จะสามารถกำหนดเครื่องทำความร้อนดังกล่าวได้: ปริมาณกรดจริง (โดยการไทเทรต ไม่ใช่ตามแผ่นป้าย) อุณหภูมิรวมสูงสุดที่คาดการณ์ไว้ (รวมถึงการพลิกผันของกระบวนการ) และความเร็วของของไหลที่คาดหวังต่ำสุดบนพื้นผิวเครื่องทำความร้อน จากอินพุตเหล่านี้ สามารถเลือกปัจจัยการลดพิกัดที่เหมาะสมได้จากตารางที่เผยแพร่หรือตรวจสอบกับผู้ผลิตเครื่องทำความร้อน สำหรับความหนาแน่นของวัตต์น้อยกว่า 2.5 วัตต์/ซม.^2 ทางเลือกที่สมจริงสำหรับองค์ประกอบเครื่องทำความร้อนขนาดใหญ่เพียงตัวเดียวคือการใช้องค์ประกอบเครื่องทำความร้อนหลายตัวที่แบ่งภาระความร้อนและมีระบบสำรอง