Die Größenfrage
Ein Titanätzbad enthält 10 % HF und 15 % HNO₃ bei 55 Grad Betriebstemperatur. Das Badvolumen beträgt 4.500 Liter. Das Aufheizen von 20 Grad Umgebungstemperatur muss innerhalb von 90 Minuten abgeschlossen sein. Als Heizmedium steht 3 barg Sattdampf zur Verfügung.
Die Frage für den Verfahrenstechniker lautet: Welche PTFE-Wärmetauscheroberfläche liefert diese Leistung? Unterdimensionierung bedeutet, dass das Bad die Temperatur nie innerhalb der erforderlichen Zeit erreicht. Eine Überdimensionierung verschwendet Kapital und verbraucht übermäßig viel Tankvolumen. Die richtige Antwort liefert die methodische Heizlastberechnung.
Wärme-Hochlast vs. Betriebslast
Zwei unterschiedliche Wärmebelastungen bestimmen die PTFE-Oberfläche. Die Aufheizlast bringt das Bad innerhalb der angegebenen Zeit von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur. Die Betriebslast hält die Temperatur gegen Wärmeverluste während der stationären Produktion aufrecht.
Die Wärmebelastung-wird aus Badmasse, spezifischer Wärme, Temperaturanstieg und Zeit berechnet. Für 4.500 Liter wässrige Säurelösung mit einer spezifischen Wärme von etwa 3,8 kJ/kg·K und einer Dichte von 1.100 kg/m³ beträgt die Masse 4.950 kg. Der Temperaturanstieg von 20 Grad auf 55 Grad beträgt 35 Grad. Die benötigte Gesamtenergie beträgt 4.950 × 3,8 × 35=658.350 kJ. Über einen Zeitraum von 90 Minuten beträgt die durchschnittliche Aufheizleistung 122 kW.
Die Betriebslast berücksichtigt Wärmeverluste von der Tankoberfläche, den Wänden und den Lüftungsabgasen. Ein gut isolierter 4.500-Liter-Tank bei 55 Grad und einer Umgebungstemperatur von 20 Grad verliert je nach Oberfläche und Luftbewegung typischerweise 15–25 kW. Bei einer konservativen Annahme von 25 kW muss der PTFE-Wärmetauscher beim Aufheizen 122 kW und im Dauerbetrieb 25 kW liefern.
Die Wärmebelastung dominiert die Dimensionierung. Die Spule muss am Ende der Aufheizperiode 122 kW liefern, wenn die LMTD am kleinsten ist-Bad bei etwa 55 Grad, Dampf bei 143 Grad, Delta T etwa 88 Grad.
Tabelle 1: Größenparameter des PTFE-Wärmetauschers für Titanätzbad
| Parameter | Wert | Einheit |
|---|---|---|
| Badvolumen | 4,500 | L |
| Bademasse | 4,950 | kg |
| Anfangstemperatur | 20 | Grad |
| Zieltemperatur | 55 | Grad |
| Erforderliche Aufheizzeit | 90 | min |
| Heizbetrieb- | 122 | kW |
| Betriebsdienst | 25 | kW |
| Dampfsättigungstemperatur (3 barg) | 143 | Grad |
| LMTD am Ende des Aufheizvorgangs- | 88 | Grad |
| Design-U--Wert (dünn-wandiges PTFE) | 280 | W/m²·K |
| Berechnete Oberfläche | 5.0 | m² |
| Empfohlener Bereich mit 15 % Marge | 5.8 | m² |
Die Berechnung verwendet Q=U × A × LMTD. Der U--Wert berücksichtigt die PTFE-Wandleitung und die Grenzschichtwiderstände bei mäßiger Bewegung.
Der HF-Materialkompatibilitätsfaktor
Titan-Ätzbäder enthalten HF, weshalb metallische Wärmetauschermaterialien nicht in Betracht gezogen werden. Titan löst sich in HF. Edelstahl korrodiert schnell. Die Materialbeschränkung erzwingt die Auswahl von Fluorpolymeren.
PTFE ist in HF-HNO₃-Mischungen bei allen Konzentrationen und Temperaturen bis zu 260 Grad chemisch inert. Die Größenberechnung für PTFE folgt den gleichen Wärmeübertragungsgleichungen wie für jedes andere Material. Der Unterschied ist der U--Wert, der für dünnwandige PTFE-Schläuche etwa 280 W/m²·K beträgt, verglichen mit 800–1.200 für sauberen Edelstahl.
Der niedrigere U--Wert bedeutet, dass PTFE bei gleicher Wärmebelastung proportional mehr Oberfläche benötigt. Dies ist der Materialkompromiss-: größere Spulenfläche im Austausch für dauerhafte HF-Kompatibilität. Die berechneten 5,8 Quadratmeter könnten 3,5-4,5 Quadratmeter für ein hypothetisches HF-beständiges Metall sein, aber ein solches Metall existiert nicht.
Konfiguration für die berechnete Fläche
Die 5,8 Quadratmeter große Fläche lassen sich in spezifische Rohrkonfigurationen umsetzen. Bei Verwendung von PTFE-Schläuchen mit 10 mm Außendurchmesser bietet jeder Laufmeter eine Oberfläche von 0,0314 m². Die erforderliche Gesamtrohrlänge beträgt 5,8 / 0.0314=185 Meter.
Diese Länge ist als Multi-{0}}Gitter angeordnet. Ein 10{3}}Rohr-breites und 19-Rohr-tiefes Gitter mit 1 Meter langen Rohren ergibt eine Gesamtlänge von 190 Metern und eine Fläche von 5,97 m² – das entspricht in etwa dem berechneten Bedarf. Das Gitter nimmt etwa 1,0 × 0,5 Meter Tankbodenfläche ein, was für einen 4.500-Liter-Tank akzeptabel ist.
Die Dampfverteilung auf mehrere Rohrdurchgänge erfordert ordnungsgemäß dimensionierte Sammelrohre. Die Kondensatentfernung am tiefsten Punkt jedes Durchgangs verhindert Überschwemmungen, die die effektive Fläche verringern. Diese hydraulischen Konstruktionsdetails sind ebenso wichtig wie die thermische Berechnung.
Zusammenfassung
Die Oberfläche des PTFE-Wärmetauschers für die Erwärmung des Titanätzbades wird durch die Aufheizleistung bestimmt, die typischerweise die Betriebsleistung um den Faktor 3{2}}5 übersteigt. Die Berechnung verwendet Standard-Wärmeübertragungsgleichungen mit U--Werten, die speziell für dünnwandige PTFE-Schläuche gelten.
Die resultierende Fläche lässt sich mit einem Sicherheitsspielraum von 15 % in eine praktische Rohrgitterkonfiguration umwandeln, die in den Prozesstank passt. Die chemische HF-Kompatibilität ist bei der Auswahl des PTFE-Materials inhärent und erfordert keine zusätzlichen Konstruktionstoleranzen.
Für Titanätzvorgänge, die eine Dimensionierung des PTFE-Wärmetauschers erfordern, ist eine technische Analyse nach Vorlage des Badvolumens, der Säurekonzentrationen, der Anfangs- und Zieltemperaturen, der erforderlichen Aufheizzeit, des verfügbaren Dampfdrucks und der Tankabmessungen verfügbar.
