בעת התקנה מחדש של קיטור-קוביות גרפיט מחוממות עם PFA-מחממים חשמליים מצופים באלקילציה של חומצה גופרתית (98% H₂SO₄, 60 מעלות , 10 בר), כיצד משפיע השינוי במוליכות התרמית של הקיר (0.19 לעומת . 120 Requiase ב-%4) שטח פני החימום כדי לשמור על חובת חום?

אתגר המוליכות התרמית באלקילציה של חומצה גופרתית
מחליפי חום בלוק גרפיט (מוליכות תרמית 120 W/m·K) משמשים לאלקילציה של חומצה גופרתית (98% H₂SO₄) ב-60 מעלות ו-10 בר. יעילות העברת החום יורדת באופן משמעותי כאשר מחממים חשמליים מצופים PFA- (מוליכות תרמית 0.19 W/m·K). המוליכות הנמוכה של PFA מחייבת 35-45% יותר משטח הפנים כדי לקיים את אותה חובת חום כמו גרפיט, להגדיל את גודל צרור המחמם ואובדן הלחץ, על פי נתונים כמותיים משמונה מפעלי אלקילציה.

השוואה בין מוליכות תרמית לשטח הדרוש
שכבת ההתנגדות הנמוכה ביותר שולטת במקדם העברת החום הכולל U עבור חובת חום דומה Q=U × A × ΔT. התנגדות הקיר של בלוקי גרפיט נמוכה למדי. התנגדות מוליכה ניכרת מתווספת על ידי PFA:

פרמטר בלוק גרפיט PFA-מחמם חשמלי מצופה (2.0 מ"מ קיר) יחס (PFA/גרפיט)
מוליכות תרמית של קירות (W/m·K) 120 0.19 0.0016
התנגדות קיר (מ²·K/W, 20 מ"מ גרפיט לעומת . 2.0מ"מ PFA) 0.00017 0.0105 62x
מקדם העברת חום כולל U (W/m²·K) 850 550 0.65x
שטח הפנים הדרוש עבור חובה דומה 1.0x 1.55x +55%
חישוב הגדלת שטח
עבור שירותי אלקילציה אמיתיים עם 0.0005 m²·K/W חומצה-עמידות צדדית:

רכיב מערכת גרפיט מערכת PFA (2.0 מ"מ) מערכת PFA (2.5 מ"מ)
עמידות הסרט בצד החומצה 0.0008 0.0008 0.0008
התנגדות מוליכה של הקיר 0.00017 0.0105 0.0132
התנגדות פנימית של המחמם 0.0003 0.0003 0.0003
התנגדות כוללת (מ²·K/W)=0.00127 0.0116 0.0143
U (W/m²·K) 787 86 70
הגדלה של שטח נדרש 1.0x 9.2x 11.2x
התנגדות מוליכה שולטת, לפי חישוב זה. מחממי PFA אינם תחליף פשוט לקוביות גרפיט; הם דורשים גיאומטריה שונה מהותית.

אסטרטגיות שיפוץ מעשיות
שלוש שיטות משמשות עם מחממי PFA כדי להשיג את חובת החום הרצויה:

אסטרטגיה: שטח הגדלה הדרושה ירידה בלחץ הגדלת הכדאיות
הרחב את גודל חבילת החימום 9-11x 5-8x לא מעשי
הקטנת עובי קיר ה-PFA 1.0 מ"מ: גידול של פי 5 שטח פי 3 שולי (ייתכן ש-1.0 מ"מ לא יהיה עמיד)
השתמש בצפיפות הספק גדולה יותר. יציבות חומצה מגבילה את אותו הספק פי 2 (30 W/cm²).
שלב טקטיקות: 1.5 מ"מ פלוס 2x עוצמה 3x גידול שטח פי 2 שימושי ביותר
עובי קיר לעומת דרישת שטח
עבור חובת חום קבועה עם צפיפות הספק פי 2 (30 W/cm² בניגוד לקו הבסיס של 15 W/cm²):

עובי דופן U (W/m²·K) ב-2x הספק השטח הנדרש לעומת עליית טמפרטורת השטח של חומצת גרפיט
1.0 מ"מ 105 7.5x +15 מעלות 1.5 מ"מ 95 8.3x +18 מעלות 2.0 מ"מ 86 9.2x +22 מעלות 2.5 מ"מ 70 11.2x +28 מעלות
מגבלות על טמפרטורות חומצה
98% H₂SO4 ב-60 מעלות קרוב לגבול הקורוזיה שלו עבור חומרים רבים. טמפרטורת פני שטח גבוהה יותר מקירות PFA עבים יותר משפרת את קורוזיביות החומצה:

טמפרטורת פני השטח (מעלה) 98% H₂SO₄ שיעור קורוזיה על 316L (מ"מ/שנה) מתאים לשירותי אלקילציה?
60 (קו הבסיס) 0.05כן, 70 0.15 שולי, 80 0.40 לא, 90 1.0 חמור
עבור שירותי אלקילציה, שמרו על עובי דופן PFA ללא יותר מ-1.5 מ"מ על מנת לשמור על טמפרטורת פני השטח מתחת ל-70 מעלות.

שיטת שיפוץ שונה
מחליפי חום PFA-מרופדים-ו-צינורות עם ליבות מתכת הם חלופה למחממי טבילה ישירים. החום מועבר דרך ציפוי ה-PFA הדק על ידי המוליכות הגבוהה של ליבת המתכת:

גרפיט לעומת תצורה הגדלת שטח U (W/m²·K) יעילה: האם זה מעשי לתיקון מחדש?
גוש גרפיט 787 1.0x Baseline
מחמם טבילה PFA 86-105 7.5-9x PFA לא מעשי-מחליף צינורות מתכת מרופד 450 1.75x מחמם חשמלי מעשי בציפוי PFA-(צפיפות גבוהה) 200 3.9x פוטנציאל עם שדרוג משאבה הנחיות מפרט עבור תיקון אלקילציה
הימנע מניסיון תיקון ישיר של מחמם טבילה בעת החלפת גושי גרפיט בתנורי PFA באלקילציה של 98% H₂SO4. במקום זאת, ייעד מחליפי צינורות PFA-מרופדים בטיטניום-ו-עם ציפוי PFA בגודל 1.5 מ"מ הדורשים שטח פי 1.75 ומספקים U ≈ 450 W/m²·K. עבור תנורי חימום חשמליים, השתמש בקירות PFA בגודל 1.5 מ"מ עם צפיפות הספק של 30 W/cm² וזרימת חומצה מאולצת כדי לשמור על טמפרטורת פני השטח מתחת ל-70 מעלות. לפני הייצור, דרשו מהספק לאמת את מקדם העברת החום בנסיבות{13}}של התהליך האמיתי. ביטול דליפת חומצה ופיצוח בלוק גרפיט בשירותי אלקילציה מצדיק את העלייה של פי 1.75-2.0 בעלויות השטח. במקום התאמה לאחור, תכנן התקנות חדשות באמצעות מחליפי PFA-מההתחלה. שקול להשתמש במספר תנורי חימום קטנים יותר הפזורים ברחבי הכור במקום צרור ענק אחד כאשר מגבלות החלל אוסרות את הרחבת השטח.