Kakšna je stopnja poslabšanja prenosa toplote (W/m²K na mesec) v primerjavi med grelnikom iz titana in grelnikom iz jekla s steklom-obloženim v polimerizacijskem reaktorju?

Za procesnega inženirja, ki dela na polimerizacijskem reaktorju, recimo za proizvodnjo polietilena, polipropilena ali polistirena, stopnja razgradnje prenosa toplote s časom narekuje proizvodno zmogljivost in pogostost čiščenja. Dve bistveno različni površinski kemiji in nagnjenosti k obraščanju predstavljata potopni grelnik iz titana in jekleni grelnik, obložen s steklom. Titan je 2- do 3-krat boljši od jekla, obloženega s steklom, s stopnjo poslabšanja prenosa toplote 5–15 W/m²K na mesec pri postopkih polimerizacije (kjer se na segretih površinah nabirajo usedline monomerov in polimerov). Ta sprememba je posledica bolj gladke površine Ti (nižja adhezija) in višje površinske energije (ki spodbuja tvorbo homogenih filmov namesto lokaliziranega kopičenja usedlin). Primerjava je koristna za inženirja pri izbiri grelnega materiala, ki zmanjša čas izpada proizvodnje zaradi čiščenja.

Mehanizem polimernega obraščanja titana v primerjavi s-steklenimi površinami
Polimerno obraščanje je proces, pri katerem molekule monomera ali oligomera reagirajo ali kondenzirajo na površini grelnika, da ustvarijo izolacijski premaz. Steklo{1}}obložena jeklena površina je amorfna in ima mikroskopske pore in razpoke, ustvarjene med postopkom taljenja, ter nizko površinsko energijo (okoli 30–40 dynov/cm). Polimerne usedline imajo dober oprijem na te napake in hitro rastejo. Pasivna površina TiO2 na titanu je kristalna, gosta in ima zmerno površinsko energijo (približno 50-60dynes/cm). Začetna adhezija polimerov je enaka, vendar titanova površina spodbuja bolj homogen razvoj usedlin, ki se luščijo kot večji kosmiči in ne kot debela izolacijska prevleka.

Kvantificirajte stopnje poslabšanja prenosa toplote v storitvi polimerizacije
Material grelnika Hrapavost površine (Ra, μm) Začetna U (W/m2K) Stopnja poslabšanja (W/m2K/mesec) U po 6 mesecih (W/m2K) Pogostost čiščenja (meseci)
Steklo{0}}jeklo (novo) 1,5–3.0 800–1,200 25–40 500–700 2–3
Starano jeklo z mikrorazpokami s stekleno oblogo2.0-4.0 600-1,000 30-50 300-500 1-2
Titan Grade 2 (predelava) 1.0-1.5 900-1,300 10-20 700-900 4-6
Titan stopnje 2 (poliran, Ra < 0,4 µm) 0.2-0.4 1,000-1,400 5-10 850-1,100 6-12
Titan stopnje 2 (elektropoliran) 0.1-0.2 1,000-1,400 3-8 900-1,150 8-12
Nerjaveče jeklo 316 (primerjava) 0.8-1.2 800-1,100 15-25 600-800 3-5
Grelec iz poliranega titana (Ra < 0,4 µm) se razgradi pri 5-10 W/m²K na mesec – ~4-6-krat počasneje od jekla, prevlečenega s steklom (25-40 W/m²K na mesec). Titan ohrani 80-90 % svojega začetnega koeficienta toplotnega prehoda po 6 mesecih neprekinjene polimerizacijske uporabe, medtem ko jeklo s stekleno oblogo ohrani le 50-70 %.

Polimer-Poseben vodnik za izbiro grelnika Scenarij-pristop
Resnost umazanije in vrsta polimera Priporočen material za grelnik Pričakovana stopnja poslabšanja U (W/m2K/mo) Relativni operativni stroški pogostosti čiščenja
Polietilen (lepljivi vmesni produkti, visoko obraščanje) 8-12 mesečno Spodnji (titan) polirani titan
Polietilen Steklo-obloženo jeklo 25-35 Dvakrat na teden Višje (pogosto čiščenje)
Polipropilen (zmerno obraščanje) Titan, rezkanje 10-156-8 tednov Zmerno
Polipropilen, steklo-obloženo jeklo 20-30 3-4 tednov Višje
Polistiren (nizka stopnja umazanije, dodatki) 3-5 (Ti), 8-12 (steklo) 3-6 mesecev Podobno (redko čiščenje)
PVC (obraščanje zaradi propadanja)Titan, elektropoliran 5-10 2-3 mesecev Prednostni titan
Najlon (visoke temperature, nizko obraščanje) Jeklo, obloženo s steklom (bolj ekonomično) 5-10 3-6 mesecev Titan je nekoliko koristen (podobno)
Inženirski dejavniki, ki vplivajo na stopnjo poslabšanja
Pri titanu lahko površinske spremembe, razen poliranja, dodatno zmanjšajo stopnjo poslabšanja prenosa toplote. Z elektropoliranjem, to je z elektrokemičnim odstranjevanjem površinskega sloja od 10 do 25 µm, ustvarimo površino z manj napakami in nižjo površinsko energijo ter s tem zmanjšamo oprijem polimerov. Elektropolirani titan pri uporabi HDPE se kvari s hitrostjo 3-5 W/m2K na mesec-polovico manj kot mehansko poliran titan. Druga sprememba je nanos -prevleke proti prijemanju (PTFE ali Ni-PTFE) na površino titana. Prevlečeni titan se vsak mesec pokvari pri 2-4 W/m 2 K in ga je treba ponovno nanesti vsakih 12–24 mesecev. Tretji dejavnik je geometrija grelnika. Navpični grelniki z gladkimi, neprekinjenimi površinami (brez zvarov, brez ostrih prehodov) omogočajo, da polimerne usedline odtečejo pod gravitacijo, kar omejuje kopičenje.

Zaključek: Titan se razgrajuje 2-4× počasneje kot jeklo, obloženo s steklom
Pri delovanju polimerizacijskega reaktorja je stopnja poslabšanja prenosa toplote za potopni grelnik iz titana 5-15 W/m²K/mesec v primerjavi z 20–40 W/m²K/mesec za jeklo, prevlečeno s steklom, faktor 2- do 4-krat počasnejši. Polirani titan (Ra < 0,4 µm) razpade na spodnji meji tega razpona (5-10 W/m2K na mesec), kar omogoča 6-12 mesecev med cikli čiščenja. Jeklo, prevlečeno s steklom, je treba očistiti vsake 1-3 mesece, saj se polimeri hitro lepijo in kopičijo. Nižja stopnja razgradnje pomeni takojšnje povečane proizvodne zmogljivosti (manj časa izpada zaradi čiščenja), manj vzdrževalnih del in manjšo možnost onesnaženja reaktorja. Pri izbiri grelnika za kateri koli postopek polimerizacije, ki je omejen z umazanijo, se začetni višji strošek grelnika iz poliranega titana običajno povrne v 6-12 mesecih z zmanjšano pogostostjo čiščenja in podaljšanim časom delovanja.