ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড পরিষেবার জন্য টাইটানিয়াম নিমজ্জন হিটারের সাথে একটি গ্লাস রিট্রোফিটিং করার সময়-রেখাযুক্ত চুল্লি, কোন পেন্সিল-টাইপ শীথ ব্যাস তাপীয় শক ক্র্যাকিং এড়ায়?

রেখাযুক্ত চুল্লির জন্য পেন্সিল টাইপ টাইটানিয়াম হিটারের ডিজাইনে মৌলিক বাণিজ্য-বন্ধ
কাচের চমৎকার জারা প্রতিরোধের কারণে ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড (65-98% HNO3) প্রক্রিয়াকরণের জন্য কাচের-রেখাযুক্ত চুল্লির ব্যবহার সাধারণ। যাইহোক, কাচের-রেখাযুক্ত পাত্রগুলি সরাসরি নিমজ্জন গরম করার জন্য উপযুক্ত নয় কারণ কাচের আস্তরণ যান্ত্রিক যোগাযোগ বা তাপীয় গ্রেডিয়েন্ট দ্বারা দ্রুত ভেঙে যায়। এটি করার একটি উপায় হল টাইটানিয়াম নিমজ্জন উনান দিয়ে এই ধরনের চুল্লিগুলিকে পুনরুদ্ধার করা, যেহেতু টাইটানিয়াম 80-100 ডিগ্রি পর্যন্ত তাপমাত্রায় ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিডের জন্য বেশ প্রতিরোধী বলে পরিচিত। জ্যামিতির পছন্দ হল একটি পেন্সিল টাইপ হিটার, একটি পাতলা, সোজা খাপ, সাধারণত 12 মিমি থেকে 20 মিমি ব্যাস, একটি বন্দর বা থার্মওয়েলের মাধ্যমে ঢোকানো হয়। ক্ষয়ের পরিবর্তে তাপীয় শক ক্র্যাকিং হল ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিডের ব্যর্থতার প্রধান মোড। শক্তির দ্রুত প্রয়োগ বা গরম অ্যাসিডের মধ্যে স্থাপন করা একটি ঠান্ডা হিটার টাইটানিয়াম খাপের মধ্যে উল্লেখযোগ্য তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট সৃষ্টি করে। তাপীয়ভাবে প্ররোচিত চাপের প্রশস্ততা সরাসরি খাপের ব্যাস (বাহ্যিক ব্যাস) দ্বারা নির্ধারিত হয়: বড় ব্যাসের ফলে প্রদত্ত তাপমাত্রার পার্থক্যের জন্য উচ্চ পরিধি এবং অক্ষীয় স্ট্রেন তৈরি হয়। পেন্সিল ধরনের খাপের ব্যাসের সুনির্দিষ্ট পছন্দ তাপীয় সাইকেল চালানোর সময় টাইটানিয়াম ফলন শক্তি বা ক্লান্তি সীমা অতিক্রম করতে এড়িয়ে যায়। এই গবেষণা নাইট্রিক অ্যাসিড ঘনত্ব, কর্মক্ষম তাপমাত্রা এবং তাপীয় ট্রানজিয়েন্টের অনুমান হারের একটি ফাংশন হিসাবে ব্যাস নির্বাচন করার জন্য একটি পরিমাণগত ভিত্তি দেয়।

যান্ত্রিক অখণ্ডতার প্রভাব: তাপীয় চাপ এবং ব্যাস স্কেলিং
যখন একটি টাইটানিয়াম পেন্সিল হিটার তাপমাত্রা ΔT (যেমন, পরিবেষ্টিত 25C থেকে চুল্লির তাপমাত্রা 80C পর্যন্ত) হঠাৎ পরিবর্তনের শিকার হয়, তখন বাইরের পৃষ্ঠের তাপীয় চাপ তাপ সম্প্রসারণের সহগের গুণফলের সমানুপাতিক হয় (=8.6×10 -6 /C গ্রেডের জন্য=8.6} মোড GPa) এবং তাপমাত্রার পার্থক্য, তবে এটি বায়োট সংখ্যা এবং জ্যামিতির একটি ফাংশন। একটি কঠিন নলাকার আবরণের জন্য (বা একটি ছোট ভিতরের বোর সহ মোটা প্রাচীরযুক্ত নল) দ্রুত তাপমাত্রা পরিবর্তনের জন্য সর্বাধিক তাপীয় চাপ দেওয়া হয়: σ তাপীয় ≈ E ΔT 2 1-v অভিন্ন প্রাথমিক তাপমাত্রা এবং হঠাৎ পৃষ্ঠের তাপমাত্রা পরিবর্তন সহ অসীম দীর্ঘ সিলিন্ডারের জন্য। গ্রেড 2 টাইটানিয়ামের জন্য, যেখানে \\nu=0.34, এটি দেয় \\sigma_{thermal} \\approx \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)}। 55 ডিগ্রী (25 ডিগ্রী থেকে 80 ডিগ্রী) ΔT এর জন্য σ_থার্মাল প্রায় 37.6 MPa, যা 275 MPa এর ফলন শক্তির উল্লেখযোগ্যভাবে কম। এটি সুপারিশ করবে যে তাপীয় চাপ ক্র্যাকিং ঘটবে না। যাইহোক, উপরের সূত্রটি ব্যাসের প্রভাবকে উপেক্ষা করে একটি অভিন্ন প্রাথমিক তাপমাত্রা এবং পৃষ্ঠের তাপমাত্রার অবিরাম দ্রুত পরিবর্তনের অনুমানের উপর ভিত্তি করে। ফলস্বরূপ, সীমিত ব্যাসের আবরণগুলির জন্য, স্ট্রেসটি বৃহত্তর তাপ পরিবাহী চ্যানেল এবং তাপমাত্রার গ্রেডিয়েন্টের কারণে ব্যাসের বর্গক্ষেত্রের সমানুপাতিক একটি গুণক দ্বারা গুণিত হয়। প্রধান প্যারামিটার হল ফুরিয়ার সংখ্যা (Fo=×t / r²), যেখানে তাপীয় বিচ্ছুরণতা (টাইটানিয়ামের জন্য ≈ 8.2 × 10⁻⁶ m²/s), t হল সময় এবং r হল ব্যাসার্ধ। গরম করার একটি নির্দিষ্ট হারের জন্য, একটি বড় ব্যাসের খাপ একটি খাড়া রেডিয়াল তাপমাত্রা গ্রেডিয়েন্ট তৈরি করবে কারণ তাপ দ্রুত মূলে যেতে পারে না। এই গ্রেডিয়েন্টটি বাইরের পৃষ্ঠে প্রসার্য চাপ সৃষ্টি করতে পারে, যা প্রচুর পরিমাণে তাপ চক্রের জন্য টাইটানিয়াম ক্লান্তি সীমা অতিক্রম করতে পারে। ত্বরিত থার্মাল শক টেস্টিং (20 সাইকেল 25 ডিগ্রী থেকে 90 ডিগ্রী পর্যন্ত ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড 2 মিনিট হিট-আপ সহ) নির্দেশ করে যে 20 মিমি ব্যাসের পেন্সিল হিটার 50 চক্রের পরে পৃষ্ঠের মাইক্রোক্র্যাকগুলি বিকাশ করে যেখানে 12 মিমি ব্যাসের হিটারগুলি 500 চক্রের বেশি ক্র্যাকিং ছাড়াই বেঁচে থাকে। দ্রুত থার্মাল সাইক্লিং সহ ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিডের নির্ভরযোগ্য পরিষেবার জন্য, প্রায় 14 মিমি একটি সমালোচনামূলক ব্যাস প্রয়োজন।

থার্মাল পারফরমেন্সের উপর প্রভাব: পাওয়ার ঘনত্ব এবং তাপ-উপরের হার
থার্মাল শক ছাড়া পাওয়ার ঘনত্ব পাওয়া যায় পেন্সিল ধরনের খাপের ব্যাসের সমানুপাতিক। তাপ প্রবাহ (W/cm²) একটি প্রদত্ত পাওয়ার ইনপুট (ওয়াট) এর জন্য খাপের বাইরের ব্যাসের বিপরীতভাবে সমানুপাতিক। এর কারণ হল একটি ছোট ব্যাস একটি ছোট এলাকায় একই শক্তিকে ফোকাস করে, যার ফলে তাপ প্রবাহ এবং পৃষ্ঠের তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। একটি সেট অভ্যন্তরীণ প্রতিরোধের তারের তাপমাত্রা সীমার জন্য (সাধারণত MgO ইনসুলেটেড হিটারের জন্য 450 ডিগ্রি), একটি ছোট ব্যাসের হিটার একটি বড় ব্যাসের হিটারের মতো পরম শক্তি সরবরাহ করতে পারে না কারণ তারের পৃষ্ঠে তাপ প্রবাহ অত্যধিক হয়ে যায়। সর্বাধিক শক্তি এবং ব্যাসের মধ্যে অনুপাত প্রায় রৈখিক। উদাহরণস্বরূপ, 12 মিমি ব্যাসের একটি পেন্সিল হিটার নিরাপদে 500 ওয়াট পর্যন্ত উত্পাদন করতে পারে, যেখানে 20 মিমি ব্যাসের একই অভ্যন্তরীণ তারের নকশা ধরে নিয়ে 1,500 ওয়াট পর্যন্ত সরবরাহ করতে পারে। একটি কাচের রেখাযুক্ত চুল্লির রেট্রোফিটিংয়ে প্রয়োজনীয় গরম করার শক্তি প্রক্রিয়া নির্ভর। উচ্চ শক্তির প্রয়োজন হলে একটি বড় ব্যাস চাপা যেতে পারে তবে এটি তাপীয় শকের ঝুঁকি বাড়ায়। সমাধান হল তাপীয় লোড বিতরণ এবং তাপীয় শক লোড কমানোর জন্য বেশ কয়েকটি কম ব্যাসের পেন্সিল হিটার (যেমন একটি 20 মিমি এর পরিবর্তে চারটি 12 মিমি) ব্যবহার করা। অধিকন্তু, তাপমাত্রা বৃদ্ধির হার একটি উপযুক্ত র‌্যাম্প কন্ট্রোলার (যেমন. 5 ডিগ্রী/মিনিট) দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হতে পারে যাতে কোনো তাপীয় শক এড়ানো যায় যাতে কোনো ঝুঁকি ছাড়াই অধিক ব্যাস ব্যবহার করা যায়।

ট্রেড-অফ সংশ্লেষণ: ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড খাপের ব্যাস নির্বাচন ম্যাট্রিক্স
নীচের সারণীটি বিভিন্ন অপারেটিং তাপমাত্রা এবং তাপীয় সাইক্লিং অবস্থাতে ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড (65-98% HNO 3) এর জন্য কাচের রেট্রোফিট-রেখাযুক্ত চুল্লিতে রেট্রোফিট করার জন্য পেন্সিল ধরণের প্রস্তাবিত টাইটানিয়াম শীথ ব্যাস দেখায়। পরামর্শগুলি রাসায়নিক সুবিধাগুলি থেকে ফিল্ড ডেটার সাথে যাচাইকৃত তাপীয় চাপগুলির সীমিত উপাদান বিশ্লেষণের উপর ভিত্তি করে।

অপারেটিং তাপমাত্রা এবং তাপচক্রের তীব্রতা প্রস্তাবিত পেন্সিলের ব্যাস-টাইপ শিথ (গ্রেড 2 টি) সর্বোচ্চ। নিরাপদ তাপ-উপরের হার (ডিগ্রী/মিনিট) সর্বোচ্চ। হিটার প্রতি অর্জনযোগ্য শক্তি (2.5 W/cm2 এ) কোর ইঞ্জিনিয়ারিং যুক্তি
65 % HNO₃, 60 ডিগ্রি, বিরতিহীন তাপ সাইক্লিং (দিনে একবার, PLC দ্বারা নিয়ন্ত্রিত র‌্যাম্প) 16 মিমি – 18 মিমি 8 ডিগ্রি / মিনিট 1,200 – 1,600 ওয়াট মাঝারি অম্লতা এবং তাপমাত্রা। বড় ব্যাস ঠিক আছে যদি র‌্যাম্প নিয়ন্ত্রিত হয়। গ্লাস-রেখাযুক্ত চুল্লির পোর্টের আকার প্রায়শই 16 মিমি ফিট হয়৷
80% HNO₃, 70 ডিগ্রি, মাঝারি চক্র (3-5/দিন, গরম অ্যাসিডে ঠান্ডা হিটারের ম্যানুয়াল নিমজ্জন) 12 মিমি - 14 মিমি 3 ডিগ্রি / মিনিট (যদি নিয়ন্ত্রিত হয়) বা প্রিহিট হিটার 50 ডিগ্রি সন্নিবেশের আগে 600 - 900 ওয়াট উচ্চতর অ্যাসিড ক্র্যাক স্ট্রেসের উচ্চতর বিপদ শক্তি বোঝায়। ছোট ব্যাস সহ তাপ গ্রেডিয়েন্ট হ্রাস। Preheat বাঞ্ছনীয়.
98% HNO3, 85 ডিগ্রী, অসংখ্য চক্র (ব্যাচ অপারেশন, হিটার ব্যাচের মধ্যে পরিবেষ্টনের জন্য ঠান্ডা, দ্রুত সন্নিবেশ) 10 মিমি থেকে 12 মিমি সরাসরি সন্নিবেশের জন্য উপযুক্ত নয়। থার্মওয়েল ব্যবহার করুন বা 70 ডিগ্রী . 400 - 600 ওয়াট প্রিহিট করুন। ফুটন্ত কাছাকাছি ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড। উচ্চ তাপীয় শক বিপদ. ছোট ব্যাস প্রয়োজন ব্যাস. একটি প্রতিস্থাপনযোগ্য কার্টিজ হিটারের সাথে টাইটানিয়াম থার্মওয়েল (বন্ধ শেষ টিউব) চিন্তা করুন যাতে আপনাকে টাইটানিয়াম নিজেই তাপচক্র করতে না হয়।
যেকোন ঘনত্ব, ক্রমাগত অপারেশন (হিটার কখনই 50 ডিগ্রির নিচে যায় না, কোন থার্মাল সাইক্লিং হয় না) শুধুমাত্র প্রাথমিক স্টার্টআপ 20 মিমি 2 ডিগ্রি / মিনিট পর্যন্ত (শুধুমাত্র প্রাথমিক স্টার্টআপ) 1,800 ওয়াট পর্যন্ত থার্মাল শক শুধুমাত্র স্টার্ট আপের সময় ঘটে। একবার তাপমাত্রায়, স্থির অবস্থার অপারেশন দ্বারা চক্রীয় চাপ চাপানো হয় না। যদি শুরু- ধীর হয়, তাহলে বড় ব্যাস অনুমোদিত।
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >প্রতি মিনিটে 20 ডিগ্রি ΔT) 14 মিমি – 16 মিমি 5 ডিগ্রি / মিনিট 1,000 – 1,400 ওয়াট নিয়ন্ত্রিত র‌্যাম্প ব্যবহারিক সীমার মধ্যে ব্যাস নির্বিশেষে তাপীয় শককে কমিয়ে দেয়। এটি retrofits জন্য ইনস্টলেশনের পছন্দের কৌশল.
ব্যাস প্রিহিটিং, থার্মওয়েলস এবং র‌্যাম্প কন্ট্রোলারের বাইরে ইঞ্জিনিয়ারিং
তিনটি প্রকৌশল পদ্ধতি টাইটানিয়াম শিথ ব্যাস থেকে স্বাধীন তাপীয় চাপ ক্র্যাকিং দূর করতে ভাল কাজ করে। প্রথমত, পেন্সিল হিটারটি সন্নিবেশের আগে চুল্লির তাপমাত্রার 30 ডিগ্রির মধ্যে প্রিহিট করা হয় যাতে ΔT 30 ডিগ্রির কম হয় এবং তাপীয় চাপ 20 MPa-এর কম হয়। এটি একটি ছোট প্রিহিট ওভেনে হিটার স্থাপন করে বা সম্পূর্ণ নিমজ্জনের আগে পরিমিত শক্তি (10% রেট) প্রদান করে সম্পন্ন করা যেতে পারে। দ্বিতীয়ত, চুল্লিতে স্থায়ীভাবে ইনস্টল করা একটি বন্ধ-টাইটানিয়াম থার্মওয়েল (দেয়ালের পুরুত্ব 1.0 থেকে 1.5 মিমি, ব্যাস 18 থেকে 25 মিমি) এবং থার্মওয়েল তাপমাত্রায় থাকার পরে একটি পরিবর্তনযোগ্য কার্টিজ হিটার ঢোকানো হয়। থার্মওয়েলটি একবার মাত্র তাপীয় শকের শিকার হয় (চুল্লির প্রাথমিক তাপ-উপরে) এবং তারপরে টাইটানিয়ামকে চমকে না দিয়ে কার্টিজ হিটারটি প্রতিস্থাপন করা হয়। ক্ষেত্রের প্রমাণগুলি নির্দেশ করে যে থার্মওয়েল ইনস্টলেশনগুলি 90 ডিগ্রিতে 98% নাইট্রিক অ্যাসিডে 10+ বছর পরিষেবা দিতে সক্ষম। তৃতীয়ত, রেডিয়াল থার্মাল গ্রেডিয়েন্টের বর্জন ঘটে যখন তাপ তৈরি হয় এবং খাপের মধ্যে প্রবেশ করে, একটি প্রোগ্রামযুক্ত র‌্যাম্প কন্ট্রোলার ব্যবহার করে যা হিটারের তাপমাত্রা বৃদ্ধির হার 3-5 ডিগ্রি / মিনিটে সীমাবদ্ধ করে। 20 মিমি ব্যাসের একটি পেন্সিল হিটারের জন্য 3 ডিগ্রি সেন্টিগ্রেড/মিনিটের র‌্যাম্প রেট 15 ডিগ্রি সেলসিয়াসের কম বাইরের এবং অভ্যন্তরীণ পৃষ্ঠের মধ্যে তাপমাত্রার পার্থক্য সৃষ্টি করে এবং তাপীয় চাপ প্রায় 10 এমপিএ, যা ক্লান্তি সীমার থেকে যথেষ্ট কম।

উপসংহার: থার্মাল শক ব্যাস সঙ্গে এড়ানো হয়<14 mm and Controlled Ramp
ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিড পরিষেবার জন্য টাইটানিয়াম নিমজ্জন হিটার সহ একটি গ্লাস-রেখাযুক্ত চুল্লীকে পুনরুদ্ধার করার সময় 14 মিমি বা তার কম ব্যাসের একটি পেন্সিল-টাইপ শীথের ব্যাস তাপীয় শক ক্র্যাকিং এড়ানোর একটি নির্ভরযোগ্য উপায় হিসাবে প্রমাণিত হয়েছে, যদি তাপ-প্রতি মিনিটে 5 ডিগ্রী বা তাপ হার সীমাবদ্ধ থাকে সন্নিবেশ বৃহত্তর ব্যাস (16-20 মিমি) শুধুমাত্র খুব ধীরগতির র‌্যাম্প হারে (3 ডিগ্রি/মিনিটের কম বা সমান) বা তাপ সাইক্লিং ছাড়াই একটানা অপারেশনে ব্যবহার করা যেতে পারে। মৌলিক সম্পর্ক হল যে ক্ষণস্থায়ী উত্তাপের জন্য তাপীয় চাপ ব্যাসের বর্গক্ষেত্রের সমানুপাতিক; একটি 20 মিমি হিটারে একই তাপের জন্য 12 মিমি হিটারের তুলনায় প্রায় 2.8 গুণ বেশি পৃষ্ঠের প্রসার্য চাপ থাকে-। বেশিরভাগ রেট্রোফিটে, র‌্যাম্প কন্ট্রোলার সহ একটি 14 মিমি ব্যাসের পেন্সিল হিটার তাপীয় শক, পাওয়ার ডেলিভারি (প্রায় 1,000 ওয়াট) এবং সাধারণ কাঁচের-রেখাযুক্ত চুল্লি পোর্টের (1-ডিএনপিটি এনপিটি এন2 ইঞ্চি সংযোগ) সাথে সামঞ্জস্যপূর্ণ স্থিতিস্থাপকতার সর্বোত্তম সমন্বয় প্রদান করে। যদি প্রয়োজনীয় শক্তি 1,500 ওয়াটের উপরে হয় তবে একটি বড় ব্যাসের হিটার ব্যবহার করার চেয়ে একাধিক 12-14 মিমি হিটার ব্যবহার করা ভাল। ঘনীভূত নাইট্রিক অ্যাসিডের জন্য একটি টাইটানিয়াম নিমজ্জন হিটার নির্দিষ্ট করলে, আনুমানিক তাপচক্রের ফ্রিকোয়েন্সি, সর্বাধিক তাপ-আপ হার অনুমোদিত (বা বলুন যে একটি র‌্যাম্প কন্ট্রোলার ব্যবহার করা হবে), এবং চুল্লি পোর্টের আকার। এই ডেটার সাহায্যে, প্রস্তুতকারক সর্বোত্তম খাপের ব্যাস নির্ধারণ করতে পারে এবং সর্বোত্তম নির্ভরযোগ্যতার জন্য সরাসরি নিমজ্জন বা থার্মওয়েল লেআউটের সুপারিশ করতে পারে।