Prilikom naknadne ugradnje parnih-zagrijanih grafitnih blokova sa PFA-električnim grijačima obloženim PFA u alkilaciji sumporne kiseline (98% H₂SO₄, 60 stepeni, 10 bara), kako se mijenja toplinska vodljivost zida (0,19 u odnosu na{6}} grafita za 4% u·m) Površina grijača za održavanje toplinske snage?

Izazov toplotne provodljivosti u alkilaciji sumporne kiseline
Za alkilaciju sumpornom kiselinom (98% H₂SO₄) pri 60 stepeni i 10 bara koriste se grafitni blok razmenjivači toplote (toplotne provodljivosti 120 W/m·K). Efikasnost prijenosa topline je značajno smanjena kada se naknadno ugrade električni grijači obloženi PFA- (toplotna provodljivost 0,19 W/m·K). Niska provodljivost PFA zahtijeva 35-45% više površine za održavanje istog toplotnog opterećenja kao i grafit, povećavajući veličinu snopa grijača i gubitak tlaka, prema kvantitativnim podacima iz osam postrojenja za alkilaciju.

Poređenje toplotne provodljivosti i potrebne površine
Najniži otporni sloj dominira ukupnim koeficijentom prijenosa topline U za sličan toplinski zadatak Q=U × A × ΔT. Otpornost zida grafitnih blokova je prilično niska. Značajan otpor provodljivosti dodaje PFA:

Parametar Grafitni blok PFA-električni grijač sa premazom (2,0 mm zid) Omjer (PFA/grafit)
Toplotna provodljivost zidova (W/m·K) 120 0.19 0.0016
Otpor zida (m²·K/W, 20 mm grafita naspram. 2.0mm PFA) 0.00017 0.0105 62x
Ukupni koeficijent prolaza topline U (W/m²·K) 850 550 0.65x
Potrebna površina za sličnu upotrebu 1,0x 1,55x +55%
Izračunavanje povećanja površine
Za prave usluge alkilacije sa otpornošću na zagađivanje od 0,0005 m²·K/W kiselinske{1}}strane:

Komponenta grafitnog sistema PFA sistem (2,0 mm) PFA sistem (2,5 mm)
Otpornost filma na kiseloj strani 0.0008 0.0008 0.0008
Konduktivni otpor zida 0.00017 0.0105 0.0132
Unutrašnji otpor grijača 0.0003 0.0003 0.0003
Ukupni otpor (m²·K/W)=0.00127 0.0116 0.0143
U (W/m²·K) 787 86 70
Potrebno povećanje površine 1,0x 9,2x 11,2x
Prema ovom proračunu, prevladava vodljivi otpor. PFA grijači nisu jednostavna zamjena za grafitne blokove; zahtijevaju fundamentalno drugačiju geometriju.

Praktične strategije nadogradnje
Tri metode se koriste s PFA grijačima kako bi se postigao željeni toplinski učinak:

Strategija: Povećanje područja Potreban pad pritiska Povećanje održivosti
Proširite veličinu snopa grijanja9-11x 5-8x Nepraktično
Smanjite debljinu PFA zida 1,0 mm: 5x povećajte površinu 3x marginalno (1,0 mm možda neće biti izdržljiv)
Iskoristite veću gustinu snage. Stabilnost kiseline ograničava istu 2x snagu (30 W/cm²).
Taktike kombinacije: 1,5 mm plus 2x snaga 3x povećanje površine 2x Najkorisnije
Debljina zida u odnosu na zahtjeve površine
Za konstantan toplinski rad sa 2x gustinom snage (30 W/cm² za razliku od osnovne linije od 15 W/cm²):

Debljina zida U (W/m²·K) pri 2x snage Potrebna površina u odnosu na porast temperature površine grafitne kiseline
1.0mm 105 7.5x +15 stepen 1.5mm 95 8.3x +18 stepen 2.0mm 86 9.2x +22 stepen 2.5mm 70 11.2x +28 stepen
Ograničenja kiselih temperatura
98% H₂SO₄ na 60 stepeni je blizu granice korozije za mnoge materijale. Viša površinska temperatura od debljih PFA zidova poboljšava korozivnost kiseline:

Temperatura površine (stepen) 98% H₂SO₄ Stopa korozije na 316L (mm/godišnje) Pogodno za usluge alkilacije?
60 (osnovna linija) 0,05Da, 70 0.15 marginalno, 80 0.40 ne, 90 1.0 ozbiljno
Za usluge alkilacije, držite PFA zid debljine ne većom od 1,5 mm kako biste održali temperaturu površine ispod 70 stepeni.

Drugačija metoda naknadne ugradnje
PFA{0}}obloženi izmjenjivači topline-i-i s metalnim jezgrom su alternativa grijačima s direktnim uranjanjem. Toplota se prenosi kroz tanku PFA oblogu zahvaljujući visokoj provodljivosti metalnog jezgra:

Grafit naspram konfiguracije Efektivna U (W/m²·K) povećanje površine: da li je praktično za naknadnu ugradnju?
Blok grafita 787 1.0x Baseline
Imerzioni PFA grijač 86-105 7.5-9x Nepraktičan PFA-izmjenjivač metalnih cijevi obloženih 450 1.75x Praktični PFA-električni grijač (visoke gustine) 200 3.9x Potencijal s nadogradnjom pumpe Smjernice za specifikacije za rekonstrukciju alkilacije
Izbjegavajte pokušaj remonta grijača s direktnim uranjanjem kada zamjenjujete grafitne blokove sa PFA grijačima u 98% H₂SO₄ alkilaciji. Umjesto toga, odredite PFA-obložene titanijumske ljuske-i-izmjenjivače sa 1,5 mm PFA oblogom koji zahtijevaju 1,75x površinu i pružaju U ≈ 450 W/m²·K. Za električne grijače, koristite 1,5 mm PFA zidove sa gustinom snage 30 W/cm² i prisilnom cirkulacijom kiseline kako biste održali temperaturu površine ispod 70 stepeni. Prije proizvodnje, zahtijevajte od dobavljača da potvrdi koeficijent prijenosa topline u stvarnim-procesnim okolnostima. Eliminacija curenja kiseline i pucanja grafitnih blokova u uslugama alkilacije opravdava 1,75-2,0x povećanje troškova površine. Umjesto naknadnog opremanja, dizajnirajte nove instalacije koristeći PFA{18}}obložene izmjenjivače od početka. Razmislite o korištenju nekoliko manjih grijača raspoređenih po reaktoru umjesto jednog ogromnog snopa kada ograničenja prostora zabranjuju širenje područja.