La questione delle taglie
Un bagno di mordenzatura del titanio contiene il 10% di HF e il 15% di HNO₃ a una temperatura operativa di 55 gradi. Il volume del bagno è di 4.500 litri. Il riscaldamento dalla temperatura ambiente di 20 gradi deve essere completato entro 90 minuti. Il mezzo di riscaldamento disponibile è vapore saturo a 3 barg.
La domanda che deve affrontare l’ingegnere di processo: quale superficie dello scambiatore di calore in PTFE offre queste prestazioni? Sottodimensionato fa sì che il bagno non raggiunga mai la temperatura nel tempo richiesto. Il sovradimensionamento spreca capitale e consuma un volume eccessivo del serbatoio. La risposta corretta viene dal calcolo metodico del carico termico.
Carico di riscaldamento-rispetto al carico operativo
Due distinti compiti termici determinano l'area superficiale del PTFE. Il carico di riscaldamento-porta il bagno dalla temperatura ambiente a quella operativa entro il tempo specificato. Il carico operativo mantiene la temperatura evitando le perdite di calore durante la produzione-a stato stazionario.
Il carico di riscaldamento- viene calcolato dalla massa del bagno, dal calore specifico, dall'aumento della temperatura e dal tempo. Per 4.500 litri di soluzione acquosa acida con calore specifico di circa 3,8 kJ/kg·K e densità 1.100 kg/m³, la massa è di 4.950 kg. L'aumento della temperatura da 20 gradi a 55 gradi è di 35 gradi. L'energia totale richiesta è 4.950 × 3,8 × 35=658,350 kJ. Erogata in 90 minuti, la potenza media di riscaldamento-è di 122 kW.
Il carico operativo tiene conto delle perdite di calore dalla superficie del serbatoio, dalle pareti e dallo scarico della ventilazione. Un serbatoio da 4.500-ben isolato a 55 gradi in una temperatura ambiente di 20 gradi perde in genere 15-25 kW a seconda della superficie e del movimento dell'aria. Ipotizzando prudenzialmente 25 kW, lo scambiatore di calore in PTFE deve fornire 122 kW durante il riscaldamento e 25 kW durante il funzionamento a regime.
Il carico di riscaldamento-domina il dimensionamento. La bobina deve fornire 122 kW alla fine del periodo di riscaldamento-quando LMTD è il più piccolo-bagno vicino a 55 gradi, vapore a 143 gradi, delta T circa 88 gradi.
Tabella 1: Parametri di dimensionamento dello scambiatore di calore in PTFE per il bagno di attacco al titanio
| Parametro | Valore | Unità |
|---|---|---|
| Volume del bagno | 4,500 | L |
| Messa del bagno | 4,950 | kg |
| Temperatura iniziale | 20 | grado |
| Temperatura target | 55 | grado |
| Tempo di riscaldamento-richiesto | 90 | min |
| Servizio di riscaldamento- | 122 | kW |
| Dovere operativo | 25 | kW |
| Temp. saturazione vapore (3 barg) | 143 | grado |
| LMTD alla fine del riscaldamento- | 88 | grado |
| Valore U-di progettazione (PTFE a parete-sottile) | 280 | W/m²·K |
| Superficie calcolata | 5.0 | m² |
| Area consigliata con margine del 15%. | 5.8 | m² |
Il calcolo utilizza Q=U × A × LMTD. Il valore U- tiene conto della conduzione delle pareti in PTFE e delle resistenze dello strato limite in condizioni di agitazione moderata.
Il fattore di compatibilità dei materiali HF
I bagni di attacco del titanio contengono HF, che elimina dalla considerazione i materiali metallici degli scambiatori di calore. Il titanio si dissolve in HF. L'acciaio inossidabile si corrode rapidamente. Il vincolo del materiale impone la selezione del fluoropolimero.
Il PTFE è chimicamente inerte nelle miscele HF-HNO₃ a tutte le concentrazioni e temperature fino a 260 gradi. Il calcolo del dimensionamento del PTFE segue le stesse equazioni di trasferimento del calore di qualsiasi materiale. La differenza è il valore U-, che per i tubi in PTFE a parete sottile- è di circa 280 W/m²·K rispetto a 800-1.200 per l'acciaio inossidabile pulito.
Il valore U- inferiore significa che il PTFE richiede proporzionalmente una superficie maggiore per lo stesso carico termico. Questo è il compromesso del materiale-: ingombro maggiore della bobina in cambio di compatibilità HF permanente. I 5,8 metri quadrati calcolati potrebbero essere 3,5-4,5 metri quadrati per un ipotetico metallo resistente all'HF, ma tale metallo non esiste.
Configurazione per l'area calcolata
I 5,8 metri quadrati di superficie si traducono in specifiche configurazioni di tubi. Utilizzando un tubo in PTFE con diametro esterno di 10 mm, ogni metro lineare fornisce 0,0314 m² di superficie. La lunghezza totale del tubo richiesta è 5,8/0.0314=185 metri.
Questa lunghezza è organizzata come una griglia a più passaggi-. Una griglia di 10-tubi-di larghezza per 19-tubi-di profondità utilizzando tubi lunghi 1 metro fornisce 190 metri di lunghezza totale e 5,97 m² di superficie, vicino al requisito calcolato. La griglia occupa circa 1,0 x 0,5 metri di superficie del fondo del serbatoio, accettabile per un serbatoio da 4.500 litri.
La distribuzione del vapore su più passaggi del tubo richiede collettori di dimensioni adeguate. La rimozione della condensa dal punto più basso di ciascun passaggio impedisce allagamenti che riducono l'area effettiva. Questi dettagli di progettazione idraulica sono altrettanto critici quanto il calcolo termico.
Riepilogo
La superficie dello scambiatore di calore in PTFE per il riscaldamento del bagno di attacco al titanio è determinata dal-servizio di riscaldamento, che in genere supera il servizio operativo di un fattore 3-5. Il calcolo utilizza equazioni standard di trasferimento del calore con valori U- specifici per tubi in PTFE a parete sottile.
L'area risultante, con un margine di sicurezza del 15%, si converte in una pratica configurazione a griglia di tubi che si inserisce all'interno del serbatoio di processo. La compatibilità chimica dell'HF è inerente alla scelta del materiale PTFE e non richiede ulteriori tolleranze di progettazione.
Per le operazioni di incisione del titanio che richiedono il dimensionamento dello scambiatore di calore in PTFE, l'analisi tecnica è disponibile previa presentazione del volume del bagno, delle concentrazioni di acido, delle temperature iniziali e target, del tempo di riscaldamento- richiesto, della pressione del vapore disponibile e delle dimensioni del serbatoio.
