Kako je stopa pogoršanja prijenosa topline (W/m²K mjesečno) u poređenju između grijača od titanijuma i grijača od stakla{0}}obloženog čelika u reaktoru za polimerizaciju?

Za procesnog inženjera koji radi na reaktoru za polimerizaciju, recimo za proizvodnju polietilena, polipropilena ili polistirena, brzina degradacije prijenosa topline s vremenom diktira proizvodni kapacitet i učestalost čišćenja. Dvije fundamentalno različite kemije površine i tendencije zarastanja predstavljaju grijač za uranjanje titanijuma i grijač od čelika obloženog staklom-. Titan je 2 do 3 puta bolji od čelika obloženog staklom-, sa stopom pogoršanja prijenosa topline od 5-15 W/m²K mjesečno u operacijama polimerizacije (gdje se naslage monomera i polimera nakupljaju na zagrijanim površinama). Ova varijacija je uzrokovana glatkijom površinom Ti (manja adhezija) i većom površinskom energijom (što podstiče stvaranje homogenih filmova, a ne lokaliziranu akumulaciju naslaga). Poređenje je korisno za inženjera za odabir materijala grijača koji minimizira vrijeme zastoja u proizvodnji radi čišćenja.

Zaprljavanje titanijuma polimerom u poređenju sa mehanizmom za staklene{0}}obložene površine
Zagađivanje polimera je proces u kojem molekule monomera ili oligomera reagiraju ili se kondenziraju na površini grijača kako bi se stvorio izolacijski premaz. Staklo{1}}obložena čelična površina je amorfna i ima mikroskopske pore i pukotine nastale tokom procesa spajanja i nisku površinsku energiju (oko 30-40 dina/cm). Polimerne naslage imaju veliku adheziju na ove nedostatke i brzo rastu. Pasivna površina TiO2 na titanijumu je kristalna, gusta i ima umerenu površinsku energiju (oko 50-60 dina/cm). Početna adhezija polimera je identična, ali površina titanijuma potiče homogeniji razvoj naslaga koji se ljušti kao veće ljuspice, a ne kao debeli izolacioni premaz.

Kvantifikovati stope pogoršanja prenosa toplote u službi polimerizacije
Hrapavost površine materijala grijača (Ra, μm) Početno U (W/m2K)Stopa propadanja (W/m2K/mjesec) U nakon 6 mjeseci (W/m2K) Učestalost čišćenja (mjeseci)
Stakleni -čelik (novo) 1.5–3.0 800–1,200 25–40 500–700 2–3
Stari, mikronapukli čelik sa staklenom oblogom2.0-4.0 600-1,000 30-50 300-500 1-2
Titanijum 2 (završna obrada) 1.0-1.5 900-1,300 10-20 700-900 4-6
Titanijum Grade 2 (polirano, Ra < 0,4 µm) 0.2-0.4 1,000-1,400 5-10 850-1,100 6-12
Titanijum Grade 2 (elektropolirani) 0.1-0.2 1,000-1,400 3-8 900-1,150 8-12
Nerđajući čelik 316 (poređenje) 0.8-1.2 800-1,100 15-25 600-800 3-5
Grijač od poliranog titanijuma (Ra < 0,4 µm) degradira pri 5-10 W/m²K mjesečno – ~4-6 puta sporije od čelika obloženog staklom (25-40 W/m²K mjesečno). Titanijum održava 80-90% svog početnog koeficijenta prenosa toplote nakon 6 meseci kontinuirane polimerizacije, dok stakleni čelik zadržava samo 50-70%.

Polimer-Specifičan vodič za odabir grijača A Scenario-Pristup zasnovan
Ozbiljnost onečišćenja i vrsta polimera Preporučeni materijal za grijač Očekivana stopa pogoršanja U (W/m2K/mo) Relativni operativni troškovi učestalosti čišćenja
Polietilen (ljepljivi međuprodukti, visoko zagađivanje)8-12 mjesečno Niže (titan) polirani titan
Polietilensko staklo-čelik obložen 25-35 dvonedeljno više (često čišćenje)
Polipropilen (umjereno onečišćenje)Titanijum, mljevena završna obrada 10-156-8 sedmica Umjereno
Polipropilensko staklo-čelik obloženo 20-30 3-4 sedmicama Više
Polistiren (niska zaprljanost, aditivi) Ili 3-5 (Ti), 8-12 (staklo) 3-6 mjeseci Slično (čišćenje rijetko)
PVC (prljanje od propadanja)Titan, elektropolirani 5-10 2-3 mjeseci Preferirani titanijum
Najlon (visoka temperatura, nisko onečišćenje)Čelik obložen staklom-(ekonomičniji) 5-10 3-6 mjeseci Titan je malo koristan (slično)
Inženjerski faktori koji utiču na stopu propadanja
Za titanijum, površinske promene osim poliranja mogu dodatno smanjiti stopu oštećenja prenosa toplote. Elektropoliranjem, odnosno elektrohemijskim uklanjanjem površinskog sloja od 10 do 25 µm, stvara se površina sa manje nedostataka i nižom površinskom energijom i samim tim smanjuje prionjivost polimera. Elektropolirani titanijum u HDPE servisu opada brzinom od 3-5 W/m2K mjesečno-upola u odnosu na mehanički polirani titanijum. Druga izmjena je nanošenje neljepljivog premaza (PTFE ili Ni{15}}PTFE) na površinu titanijuma. Obloženi titanijum se pogoršava pri 2-4 W/m 2 K svakog mjeseca i treba ga ponovo premazati svakih 12-24 mjeseca. Treći faktor je geometrija grijača. Vertikalni grijači sa glatkim, neprekinutim površinama (bez zavara, bez oštrih prijelaza) omogućavaju da se polimerne naslage otiču pod gravitacijom, ograničavajući nakupljanje.

Zaključak: Titanijum degradira 2-4× sporije od čelika obloženog staklom
U radu reaktora za polimerizaciju, stopa pogoršanja prijenosa topline za grijač za uranjanje titanijuma je 5-15 W/m²K/mjesečno u poređenju sa 20-40 W/m²K/mjesečno za čelik obložen staklom, što je faktor 2 do 4 puta sporije. Polirani titan (Ra < 0,4 µm) se raspada na donjem kraju ovog opsega (5-10 W/m2K mjesečno) omogućavajući 6-12 mjeseci između ciklusa čišćenja. Čelik obložen staklom treba čistiti svaka 1-3 mjeseca jer se polimeri lijepe i brzo se akumuliraju. Niža stopa degradacije znači odmah povećan proizvodni kapacitet (manje vremena zastoja za čišćenje), manje rada na održavanju i manju mogućnost zaprljanja reaktora. Prilikom odabira grijača za bilo koji proces polimerizacije ograničen zaprljanjem, početni veći trošak grijača od poliranog titana obično se nadoknađuje za 6-12 mjeseci kroz smanjenu učestalost čišćenja i produženo vrijeme rada.