Предизвикателството при проектиране при високо{0}}налягане
Хидрометалургичен автоклав работи при 20 бара вътрешно налягане и 180 градуса, обработвайки никелова латеритна руда в сярна киселина. PTFE топлообменникът вътре в автоклава изпитва едновременно две условия на налягане: вътрешно налягане на парата от 12-16 barg за постигане на необходимото нагряване при температура на банята от 180 градуса и външно налягане на автоклава от 20 bar, действащо върху външната страна на тръбите.
Стандартните PTFE потопяеми нагреватели са проектирани за атмосферно външно налягане-процесорният резервоар е отворен към атмосферата и стената на тръбата вижда само вътрешното налягане на парата. В автоклава външното налягане надвишава вътрешното налягане на парата. Стената на тръбата е под чиста външна компресия. Режимът на повреда се измества от обръч напрежение (спукване) към изкълчване (срутване) под външно налягане.
Средата с високо{0}}налягане също налага по-строги изисквания за проследимост на материала, изпитване под налягане и документация в сравнение със стандартната услуга за потапяне в атмосфера. Информацията, необходима за персонализиране на обменника за тази услуга, е по-обширна.
Анализ на границата на налягането
Стената на PTFE тръбата в автоклава изпитва чисто външно налягане от 20 бара (автоклав) минус вътрешното налягане на парата (12-16 бара), което води до 4-8 бара чисто външно налягане върху стената на тръбата. Това външно налягане поставя тръбата в компресия и режимът на повреда е еластично изкълчване - напречното сечение на тръбата се свива от кръгло до овално, ограничавайки потока и в крайна сметка се затваря напълно.
Критичното налягане на изкълчване за дълга цилиндрична тръба под външно налягане се изчислява по формулата: P_crit=(E / 4(1-ν²)) × (t/r)³, където E е еластичният модул на PTFE при работна температура, ν е коефициентът на Поасон, t е дебелината на стената и r е средният радиус на тръбата.
При 180 градуса модулът на еластичност на модифицирания PTFE е приблизително 80-100 MPa. За тръба с OD 10 mm и дебелина на стената 1,5 mm, критичното налягане на изкълчване е приблизително 12-15 бара, което осигурява коефициент на безопасност от 1,5-3 срещу нетното външно налягане от 4-8 бара. За стандартна дебелина на стената от 1,0 мм, критичното налягане пада до приблизително 4-5 бара - недостатъчна граница. Стената на тръбата трябва да бъде удебелена за обслужване в автоклав.
Таблица 1: Изисквания за проектни данни за автоклав с високо{1}}налягане PTFE топлообменник
| Категория данни | Изисква се конкретна информация | Въздействие върху дизайна |
|---|---|---|
| Условия на работа на автоклава | Вътрешно налягане (bar), температура (градуси), диапазон на промяна на налягането | Определя нетното външно налягане върху тръбите; анализ на умората |
| Условия на парата | Максимално и нормално налягане на парата (barg), температура, прегряване | Определя вътрешното налягане в тръбата; анализ на пълзене |
| Химия на процеса | Пълен химичен състав, включително следи от замърсители | Потвърждава PTFE съвместимост при 180 градуса |
| Геометрия на тръбата | Необходим OD, налични дебелини на стените | Изчисляване на изкълчване; анализ на топлообмена |
| Спецификация на материала | Модифициран PTFE клас, кристалност, празно съдържание | Прогнозиране на живота при пълзене при повишена температура и налягане |
| Изисквания за изпитване под налягане | Изпитвателно налягане (обикновено 1,25 × проектна разлика), време на задържане, критерии за приемане | Проверка на сглобената граница на налягането |
| Съответствие с код/стандарт | ASME B31.3, PED 2014/68/EU или друг приложим код | Проследимост на материала, квалификация на заварчик (ако е приложимо), изисквания за NDE |
| Документация | Сертификати за материали, протоколи от изпитвания, декларации за съответствие | Регулаторни и застрахователни изисквания |
Живот при пълзене при комбинирана температура и налягане
При 180 градуса PTFE пълзи при продължителен стрес. Обръчното напрежение от вътрешното налягане на парата и напрежението на натиск от външното налягане в автоклава допринасят за деформацията при пълзене. Скоростта на пълзене при тази температура е значителна и дебелината на стената на тръбата трябва да бъде избрана така, че да осигури адекватен живот на пълзене.
Модифицираният PTFE с дебелина на стената 1,5 mm при 180 градуса и 8 бара нетно външно налягане има прогнозиран живот на пълзене над 5 години, преди изтъняването на стените да намали границата на изкълчване под приемливите нива. Интервалът за смяна на тръбата се планира въз основа на тази прогноза, като всяка година се извършват ултразвукови измервания на дебелината, за да се провери действителната скорост на пълзене.
Налягането на парата трябва да се контролира така, че вътрешното налягане в тръбата никога да не се доближава до налягането в автоклава. Вентил за-регулиране на налягането с блокираща блокировка за високо{2}}налягане не позволява налягането на парата да превиши проектната граница. Ако контролът на налягането на парата се повреди и налягането на парата се изравни с налягането в автоклава, нетното външно налягане става нула и рискът от изкълчване се елиминира-, но тръбата може да изпита прекомерно обръчно напрежение. Системата за управление предотвратява и двата сценария.
Пакетът документация
Обслужването на автоклав с високо{0}}налягане обикновено изисква документация извън стандартните доставки на промишлен топлообменник. Сертификатите за материали проследяват PTFE смолата до производителя и партидата. Докладите за изпитване на налягане документират процедурата за изпитване, налягането, времето на задържане и резултатите за всяка тръбна верига. Издава се декларация за съответствие с приложимата директива или кодекс за оборудване под налягане.
Пакетът от документи се преглежда от инженерните и застрахователните представители на оператора на автоклава, преди топлообменникът да бъде пуснат в експлоатация. Разходите за допълнителна документация са скромни спрямо безопасността и регулаторните гаранции, които предоставя.
Резюме
Персонализирането на PTFE топлообменник за обслужване в автоклав с високо{0}}налягане изисква удебелени стени на тръбите, за да издържат на изкривяване под нетно външно налягане, модифициран PTFE материал за адекватен живот при пълзене при 180 градуса и цялостен анализ на границите на налягането. Контролът на налягането на парата с предпазни блокировки предотвратява условия, които биха могли да надхвърлят проектните граници на тръбата.
Необходимата информация включва условия на автоклав и пара, спецификации на материалите, процедури за изпитване под налягане и документация за съответствие с кода. Допълнителните инженерни и документационни усилия гарантират безопасна и надеждна работа в среда, в която стандартните конструкции на потопяем нагревател са неадекватни.
Инженерна поддръжка за спецификация на PTFE топлообменник с високо{0}}налягане е достъпна при подаване на работни условия на автоклав, параметри на подаване на пара, химия на процеса и приложими кодове за оборудване под налягане.
