Каква е степента на влошаване на топлопреминаването (W/m²K на месец) в сравнение между титаниев нагревател и нагревател със стъклена -стоманена облицовка в полимеризационен реактор?

За инженер-технолог, работещ върху полимеризационен реактор, да речем за производството на полиетилен, полипропилен или полистирол, скоростта на влошаване на преноса на топлина с времето диктува производствения капацитет и честотата на почистване. Две фундаментално различни повърхностни химии и тенденции за замърсяване са представени от титаниев потопяем нагревател и стоманен нагревател, облицован със стъкло. Титанът е 2 до 3 пъти по-добър от стоманата със стъклена-облицовка, със скорост на влошаване на топлопреминаването от 5-15 W/m²K на месец при операции на полимеризация (където мономерни и полимерни отлагания се натрупват върху нагрети повърхности). Тази вариация се дължи на по-гладка повърхност на Ti (по-ниска адхезия) и по-висока повърхностна енергия (която насърчава образуването на хомогенни филми, а не локализирано натрупване на отлагания). Сравнението е полезно за инженера за избор на материал за нагревател, който минимизира времето за престой на производството за почистване.

Механизъм за полимерно замърсяване на титан в сравнение със стъклени повърхности-
Полимерното замърсяване е процесът, при който мономерни или олигомерни молекули реагират или кондензират върху повърхността на нагревателя, за да генерират изолиращо покритие. Облицованата със стъкло- стоманена повърхност е аморфна и включва микроскопични пори и пукнатини, създадени по време на процеса на топене, и ниска повърхностна енергия (около 30-40 дина/см). Полимерните отлагания имат голяма адхезия към тези дефекти и растат бързо. Пасивната повърхност на TiO2 върху титан е кристална, плътна и има умерена повърхностна енергия (около 50-60dynes/cm). Първоначалната адхезия на полимерите е идентична, но титановата повърхност насърчава по-хомогенното развитие на отлагания, които се лющят като по-големи люспи, а не като дебело изолиращо покритие.

Количествено определяне на скоростите на влошаване на топлопреминаването при полимеризационна услуга
Грапавост на повърхността на материала на нагревателя (Ra, μm) Първоначална U (W/m2K) Скорост на влошаване (W/m2K/месец) U след 6 месеца (W/m2K) Честота на почистване (месеци)
Стоманена-облицовка със стъкло (нова) 1,5–3.0 800–1,200 25–40 500–700 2–3
Състарена стомана с микропукнатини със стъклена облицовка2.0-4.0 600-1,000 30-50 300-500 1-2
Титан клас 2 (финишно покритие) 1.0-1.5 900-1,300 10-20 700-900 4-6
Титан клас 2 (полиран, Ra < 0,4 µm) 0.2-0.4 1,000-1,400 5-10 850-1,100 6-12
Титан клас 2 (електрополиран) 0.1-0.2 1,000-1,400 3-8 900-1,150 8-12
Неръждаема стомана 316 (сравнение) 0.8-1.2 800-1,100 15-25 600-800 3-5
Полиран титанов нагревател (Ra < 0,4 µm) се разгражда при 5-10 W/m²K на месец – ~4-6 пъти по-бавно от стомана със стъклено покритие (25-40 W/m²K на месец). Титанът поддържа 80-90% от първоначалния си коефициент на топлопреминаване след 6 месеца при непрекъсната полимеризация, докато стоманата със стъклена облицовка запазва само 50-70%.

Полимерно-специфично ръководство за избор на нагревател Сценарий-подход
Сериозност на замърсяването и тип на полимера Препоръчителен материал за нагревател Очаквана скорост на влошаване U (W/m2K/mo) Относителна оперативна цена на честотата на почистване
Полиетилен (лепкави междинни продукти, силно замърсяване) 8-12 Месечно Долен (титан) полиран титан
Полиетилен Стъкло-облицована стомана 25-35 На две седмици По-висока (често почистване)
Полипропилен (умерено замърсяване) Титан, фрезово покритие 10-156-8 седмици Умерено
Полипропилен Стъкло-облицована стомана 20-30 3-4 седмици По-високо
Полистирен (слабо замърсяване, добавки) Или 3-5 (Ti), 8-12 (стъкло) 3-6 месеца Подобно (почистване рядко)
PVC (замърсяване от влошаване) Титан, електрополиран 5-10 2-3 месеца Предпочитан титан
Найлон (висока температура, ниско замърсяване) Стъклена -стомана (по-икономична) 5-10 3-6 месеца Титанът е леко полезен (подобно)
Инженерни фактори, влияещи върху скоростта на влошаване
За титан промените на повърхността, различни от полирането, могат допълнително да намалят степента на влошаване на топлообмена. Електрополирането, т.е. електрохимичното отстраняване на повърхностен слой от 10 до 25 µm, създава повърхност с по-малко дефекти и по-ниска повърхностна енергия и следователно намалява адхезията на полимерите. Електрополираният титан в услугата HDPE се влошава със скорост от 3-5 W/m2K на месец-половината от скоростта на механично полиран титан. Друга промяна е нанасянето на незалепващо покритие (PTFE или Ni{15}}PTFE) върху титановата повърхност. Покритият титан се влошава при 2-4 W/m 2 K всеки месец и трябва да се нанася повторно на всеки 12-24 месеца. Трети фактор е геометрията на нагревателя. Вертикалните нагреватели с гладки, непрекъснати повърхности (без заварки, без резки преходи) позволяват полимерните отлагания да изтичат под действието на гравитацията, ограничавайки натрупването.

Заключение: Титанът се разгражда 2-4 пъти по-бавно от облицованата със стъкло стомана
При работа на полимеризационен реактор степента на влошаване на топлопреминаването за титанов потопяем нагревател е 5-15 W/m²K/месец в сравнение с 20-40 W/m²K/месец за стомана със стъклено покритие, фактор от 2 до 4 пъти по-бавно. Полиран титан (Ra < 0,4 µm) се разлага в долния край на този диапазон (5-10 W/m2K на месец), което позволява 6-12 месеца между циклите на почистване. Стъклената стомана трябва да се почиства на всеки 1-3 месеца, тъй като полимерите залепват и се натрупват бързо. По-ниска степен на разграждане означава незабавно увеличен производствен капацитет (по-малко време за престой за почистване), по-малко труд по поддръжката и по-малък шанс за замърсяване на реактора. При избора на нагревател за който и да е процес на полимеризация, ограничен от замърсяване, първоначалната по-голяма цена на нагревател от полиран титан обикновено се възстановява за 6-12 месеца чрез намалена честота на почистване и увеличено време за работа.