Pertanyaan Ukuran
Bak mandi etsa titanium mengandung 10% HF dan 15% HNO₃ pada suhu pengoperasian 55 derajat. Volume bak mandi adalah 4.500 liter. Pemanasan dari suhu sekitar 20 derajat harus selesai dalam waktu 90 menit. Media pemanas yang tersedia adalah uap jenuh 3 barg.
Pertanyaan yang dihadapi insinyur proses: berapa luas permukaan penukar panas PTFE yang menghasilkan kinerja ini? Ukuran yang terlalu kecil berarti bak mandi tidak pernah mencapai suhu dalam waktu yang ditentukan. Ukuran yang terlalu besar akan membuang-buang modal dan menghabiskan volume tangki yang berlebihan. Jawaban yang benar berasal dari perhitungan beban panas yang metodis.
Pemanasan-Beban Naik vs. Beban Pengoperasian
Dua tugas panas yang berbeda menentukan luas permukaan PTFE. Beban-pemanasan membawa bak mandi dari suhu sekitar ke suhu pengoperasian dalam waktu yang ditentukan. Beban pengoperasian mempertahankan suhu terhadap kehilangan panas selama produksi-kondisi tunak.
Beban-panas dihitung dari massa rendaman, panas spesifik, kenaikan suhu, dan waktu. Untuk 4.500 liter larutan asam berair dengan panas jenis kira-kira 3,8 kJ/kg·K dan massa jenis 1.100 kg/m³, massanya adalah 4.950 kg. Kenaikan suhu dari 20 derajat ke 55 derajat adalah 35 derajat. Total energi yang dibutuhkan adalah 4,950 × 3,8 × 35=658,350 kJ. Dikirimkan selama 90 menit, daya pemanasan rata-rata adalah 122 kW.
Beban pengoperasian menyebabkan hilangnya panas dari permukaan tangki, dinding, dan pembuangan ventilasi. Tangki-terisolasi dengan baik berukuran 4.500-liter pada suhu 55 derajat di lingkungan 20 derajat biasanya kehilangan 15-25 kW bergantung pada luas permukaan dan pergerakan udara. Dengan asumsi konservatif 25 kW, penukar panas PTFE harus menghasilkan 122 kW selama pemanasan dan 25 kW selama operasi stabil.
Beban{0}}pemanasan mendominasi ukuran. Kumparan harus menghasilkan 122 kW pada akhir periode pemanasan-up ketika LMTD paling kecil-mandi mendekati 55 derajat , uap pada 143 derajat , delta T sekitar 88 derajat .
Tabel 1: Parameter Ukuran Penukar Panas PTFE untuk Titanium Etching Bath
| Parameter | Nilai | Satuan |
|---|---|---|
| Volume mandi | 4,500 | L |
| Massa mandi | 4,950 | kg |
| Suhu awal | 20 | derajat |
| Suhu sasaran | 55 | derajat |
| Diperlukan waktu-pemanasan | 90 | menit |
| Tugas-pemanasan | 122 | kW |
| Tugas operasional | 25 | kW |
| Suhu saturasi uap (3 barg) | 143 | derajat |
| LMTD di akhir pemanasan-naik | 88 | derajat |
| Desain nilai U-(PTFE dinding-tipis) | 280 | W/m²·K |
| Luas permukaan yang dihitung | 5.0 | m² |
| Area yang direkomendasikan dengan margin 15%. | 5.8 | m² |
Perhitungannya menggunakan Q=U × A × LMTD. Nilai U-menghitung konduksi dinding PTFE dan resistensi lapisan batas pada agitasi sedang.
Faktor Kompatibilitas Bahan HF
Bak mandi etsa titanium mengandung HF, yang menghilangkan bahan penukar panas logam dari pertimbangan. Titanium larut dalam HF. Baja tahan karat cepat terkorosi. Kendala material memaksa pemilihan fluoropolimer.
PTFE bersifat inert secara kimiawi dalam campuran HF-HNO₃ pada semua konsentrasi dan suhu hingga 260 derajat . Perhitungan ukuran PTFE mengikuti persamaan perpindahan panas yang sama seperti material apa pun. Perbedaannya terletak pada nilai U-yang mana untuk pipa PTFE berdinding tipis kira-kira 280 W/m²·K dibandingkan dengan 800-1.200 untuk baja tahan karat bersih.
Nilai U-yang lebih rendah berarti PTFE memerlukan luas permukaan yang lebih besar secara proporsional untuk tugas panas yang sama. Inilah pengorbanan-materialnya: jejak koil yang lebih besar sebagai imbalan atas kompatibilitas HF permanen. Perhitungan 5,8 meter persegi mungkin sama dengan 3,5-4,5 meter persegi untuk hipotetis logam tahan HF, namun tidak ada logam seperti itu.
Konfigurasi untuk Area Terhitung
Luas permukaan 5,8 meter persegi diterjemahkan ke dalam konfigurasi tabung tertentu. Menggunakan pipa PTFE OD 10mm, setiap meter linier menyediakan luas permukaan 0,0314 m². Total panjang tabung yang dibutuhkan adalah 5,8 / 0.0314=185 meter.
Panjang ini disusun sebagai petak multi-lintasan. Grid berukuran 10-tabung-lebar dan 19-tabung-dalam menggunakan tabung sepanjang 1 meter menghasilkan panjang total 190 meter dan luas permukaan 5,97 m²-mendekati persyaratan yang dihitung. Grid tersebut menempati luas lantai tangki sekitar 1,0 × 0,5 meter, dapat diterima untuk tangki 4.500 liter.
Distribusi uap ke beberapa saluran pipa memerlukan header berukuran tepat. Pembuangan kondensat dari titik terendah setiap lintasan akan mencegah banjir sehingga mengurangi area efektif. Detail desain hidrolik ini sama pentingnya dengan perhitungan termal.
Ringkasan
Luas permukaan penukar panas PTFE untuk pemanasan wadah etsa titanium ditentukan oleh tugas pemanasan, yang biasanya melebihi tugas pengoperasian sebanyak 3-5 kali. Perhitungannya menggunakan persamaan perpindahan panas standar dengan nilai U-khusus untuk pipa PTFE berdinding tipis.
Area yang dihasilkan, dengan margin keamanan 15%, diubah menjadi konfigurasi jaringan tabung praktis yang sesuai dengan tangki proses. Kompatibilitas bahan kimia HF melekat pada pemilihan bahan PTFE dan tidak memerlukan kelonggaran desain tambahan.
Untuk operasi etsa titanium yang memerlukan ukuran penukar panas PTFE, analisis teknik tersedia berdasarkan volume rendaman, konsentrasi asam, suhu awal dan target, waktu pemanasan{0}}yang diperlukan, tekanan uap yang tersedia, dan dimensi tangki.
