جب ایک شیشے کی ریٹروفٹنگ-ٹائٹینیم وسرجن ہیٹر کے ساتھ لائن والے ری ایکٹر کو متمرکز نائٹرک ایسڈ سروس کے لیے، کون سی پنسل-قسم کی میان قطر تھرمل شاک کریکنگ سے بچتا ہے؟

شیشے کے-لائنڈ ری ایکٹرز کے لیے پنسل ٹائپ ٹائٹینیم ہیٹر کے ڈیزائن میں بنیادی تجارت-
شیشے کی بہترین سنکنرن مزاحمت کی وجہ سے مرتکز نائٹرک ایسڈ (65–98% HNO3) کی پروسیسنگ کے لیے شیشے کے-لائنڈ ری ایکٹرز کا استعمال عام ہے۔ تاہم، شیشے کے-لائن والے کنٹینرز براہ راست وسرجن حرارت کے لیے موزوں نہیں ہیں کیونکہ شیشے کی استر مکینیکل رابطے یا تھرمل گریڈینٹ سے جلدی ٹوٹ جاتی ہے۔ ایسا کرنے کا ایک طریقہ یہ ہے کہ ایسے ری ایکٹروں کو ٹائٹینیم وسرجن ہیٹر کے ساتھ دوبارہ تیار کیا جائے، کیونکہ ٹائٹینیم 80-100 ڈگری تک کے درجہ حرارت پر متمرکز نائٹرک ایسڈ کے لیے کافی مزاحم سمجھا جاتا ہے۔ جیومیٹری کا انتخاب ایک پنسل قسم کا ہیٹر ہے، ایک پتلی، سیدھی میان، عام طور پر 12 ملی میٹر سے 20 ملی میٹر قطر، بندرگاہ یا تھرمو ویل کے ذریعے داخل کی جاتی ہے۔ سنکنرن کے بجائے تھرمل جھٹکا کریکنگ مرکوز نائٹرک ایسڈ کی ناکامی کا ایک اہم طریقہ ہے۔ طاقت کا تیزی سے استعمال یا گرم تیزاب میں ٹھنڈا ہیٹر ڈالنے سے ٹائٹینیم میان میں درجہ حرارت کے نمایاں میلان پیدا ہوتے ہیں۔ حرارتی طور پر پیدا ہونے والے تناؤ کا طول و عرض براہ راست میان قطر (بیرونی قطر) سے طے ہوتا ہے: بڑے قطر کے نتیجے میں درجہ حرارت کے فرق کے لئے زیادہ محوری اور محوری تناؤ پیدا ہوتا ہے۔ پنسل قسم کی میان کے قطر کا درست انتخاب تھرمل سائیکلنگ کے دوران ٹائٹینیم کی پیداوار کی طاقت یا تھکاوٹ کی حد سے تجاوز کرنے سے گریز کرتا ہے۔ یہ تحقیق نائٹرک ایسڈ کے ارتکاز، آپریشنل درجہ حرارت اور تھرمل ٹرانزینٹس کی متوقع شرحوں کے کام کے طور پر قطر کو منتخب کرنے کے لیے ایک مقداری بنیاد فراہم کرتی ہے۔

مکینیکل سالمیت کا اثر: تھرمل تناؤ اور قطر کی پیمائش
جب ٹائٹینیم پنسل ہیٹر درجہ حرارت ΔT میں اچانک تبدیلی کا نشانہ بنتا ہے (مثال کے طور پر، محیطی 25C سے ری ایکٹر درجہ حرارت 80C تک)، بیرونی سطح پر تھرمل تناؤ تھرمل توسیع (= 8.6×10 -6 /C گریڈ ای الاسٹک کے لیے،=8.6×10 -6 /C گریڈ E5} کے لیے متناسب ہوتا ہے۔ GPa ) اور درجہ حرارت کا فرق، لیکن یہ بائیوٹ نمبر اور جیومیٹری کا بھی ایک فنکشن ہے۔ ایک ٹھوس بیلناکار میان (یا ایک چھوٹے اندرونی بور کے ساتھ موٹی دیوار والی ٹیوب) کے لیے درجہ حرارت میں تیزی سے تبدیلی کے لیے زیادہ سے زیادہ تھرمل تناؤ دیا جاتا ہے: σ تھرمل ≈ E ΔT 2 1-v لامحدود لمبے سلنڈر کے لیے یکساں ابتدائی درجہ حرارت اور سطح کے درجہ حرارت میں اچانک تبدیلی۔ گریڈ 2 ٹائٹینیم کے لیے، جہاں \\nu=0.34، یہ دیتا ہے \\sigma_{thermal} \\approx \\frac{8.6e-6 \\times 105e9 \\times \\Delta T}{1.32}=684 \\times \\Delta T \\text{ (Pa)}۔ 55 ڈگری (25 ڈگری سے 80 ڈگری) کے ΔT کے لئے، σ_thermal تقریبا 37.6 MPa ہے، جو 275 MPa کی پیداواری طاقت سے نمایاں طور پر کم ہے۔ یہ تجویز کرے گا کہ تھرمل سٹریس کریکنگ نہیں ہونی چاہیے۔ تاہم، مندرجہ بالا فارمولہ قطر کے اثر کو نظر انداز کرتے ہوئے، یکساں ابتدائی درجہ حرارت اور سطح کے درجہ حرارت میں لامتناہی تیزی سے تبدیلی کے مفروضے پر مبنی ہے۔ نتیجے کے طور پر، محدود قطر کی میانوں کے لیے، دباؤ کو قطر کے مربع کے متناسب عنصر سے ضرب دیا جاتا ہے، وسیع تر حرارت کی ترسیل کے چینل اور درجہ حرارت کے میلان کی وجہ سے۔ اہم پیرامیٹر فوئیر نمبر ہے (Fo=×t / r²)، جہاں تھرمل ڈفیوزیوٹی ہے (≈ 8.2 × 10⁻⁶ m²/s ٹائٹینیم کے لیے)، t وقت ہے اور r رداس ہے۔ حرارت کی دی گئی شرح کے لیے، ایک بڑے قطر کی میان ایک تیز شعاعی درجہ حرارت کا میلان تیار کرے گی کیونکہ گرمی تیزی سے مرکز تک نہیں پہنچ سکتی۔ یہ میلان بیرونی سطح پر تناؤ کا دباؤ پیدا کر سکتا ہے، جو گرمی کے چکروں کی ایک بڑی تعداد کے لیے ٹائٹینیم تھکاوٹ کی حد کو عبور کر سکتا ہے۔ تیز رفتار تھرمل شاک ٹیسٹنگ (20 سائیکل 25 ڈگری سے 90 ڈگری تک نائٹرک ایسڈ 2 منٹ کی ہیٹ اپ کے ساتھ) اس بات کی نشاندہی کرتا ہے کہ 20 ملی میٹر قطر کے پنسل ہیٹر 50 چکروں کے بعد سطحی مائیکرو کریکس تیار کرتے ہیں جبکہ 12 ملی میٹر قطر کے ہیٹر 500 سے زیادہ کریکنگ سائیکل کے بغیر زندہ رہتے ہیں۔ تیز رفتار تھرمل سائیکلنگ کے ساتھ مرتکز نائٹرک ایسڈ میں قابل اعتماد سروس کے لیے، تقریباً 14 ملی میٹر کا ایک اہم قطر درکار ہے۔

تھرمل کارکردگی پر اثر: طاقت کی کثافت اور حرارت-اپ کی شرح
تھرمل جھٹکے کے بغیر حاصل ہونے والی طاقت کی کثافت پنسل کی قسم کے میان کے قطر کے متناسب ہے۔ حرارت کا بہاؤ (W/cm²) دیے گئے پاور ان پٹ (واٹ) کے لیے میان کے بیرونی قطر کے الٹا متناسب ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ ایک چھوٹا قطر ایک چھوٹے علاقے پر ایک ہی طاقت کو مرکوز کرتا ہے، اس طرح گرمی کے بہاؤ اور سطح کے درجہ حرارت میں اضافہ ہوتا ہے۔ ایک سیٹ اندرونی مزاحمتی تار کے درجہ حرارت کی حد (عام طور پر MgO موصل ہیٹر کے لیے 450 ڈگری) کے لیے، ایک چھوٹے قطر کا ہیٹر بڑے قطر کے ہیٹر جتنی مطلق طاقت فراہم نہیں کر سکتا کیونکہ تار کی سطح پر حرارت کا بہاؤ بہت زیادہ ہو جاتا ہے۔ زیادہ سے زیادہ طاقت اور قطر کے درمیان تناسب تقریبا لکیری ہے. مثال کے طور پر، 12 ملی میٹر کے قطر کے ساتھ ایک پنسل ہیٹر محفوظ طریقے سے 500 ڈبلیو تک پیدا کر سکتا ہے، جب کہ 20 ملی میٹر کا قطر اسی اندرونی تار کے ڈیزائن کو فرض کرتے ہوئے 1,500 ڈبلیو تک فراہم کر سکتا ہے۔ حرارتی طاقت کی ضرورت شیشے کے قطار والے ری ایکٹر کی ریٹروفٹنگ میں عمل پر منحصر ہے۔ اگر زیادہ طاقت کی ضرورت ہو تو بڑے قطر کو دبایا جا سکتا ہے لیکن اس سے تھرمل جھٹکا کا خطرہ بڑھ جاتا ہے۔ حل یہ ہے کہ تھرمل بوجھ کو تقسیم کرنے اور تھرمل شاک بوجھ کو کم کرنے کے لیے کئی کم قطر والے پنسل ہیٹر (مثلاً ایک 20 ملی میٹر کے بجائے چار 12 ملی میٹر) لگائے جائیں۔ مزید برآں، درجہ حرارت میں اضافے کی شرح کو ایک مناسب ریمپ کنٹرولر (مثلاً. 5 ڈگری/منٹ) کے ذریعے کنٹرول کیا جا سکتا ہے اور کسی بھی تھرمل جھٹکے سے بچا جا سکتا ہے تاکہ زیادہ قطر کو بغیر کسی خطرے کے استعمال کیا جا سکے۔

تجارت-کی ترکیب سے: مرتکز نائٹرک ایسڈ میان قطر سلیکشن میٹرکس
نیچے دی گئی جدول مختلف آپریٹنگ درجہ حرارت اور تھرمل سائیکلنگ کی حالتوں میں متمرکز نائٹرک ایسڈ (65-98% HNO 3) کے لیے شیشے کے-لائنڈ ری ایکٹرز میں ریٹروفٹ کے لیے پنسل کی قسم کے تجویز کردہ ٹائٹینیم شیتھ قطر کو دکھاتی ہے۔ تجاویز کیمیائی سہولیات سے فیلڈ ڈیٹا کے ساتھ توثیق شدہ تھرمل دباؤ کے محدود عنصر کے تجزیہ پر مبنی ہیں۔

آپریٹنگ ٹمپریچر اور تھرمل سائیکل کی شدت پنسل کا تجویز کردہ قطر-قسم میان (گریڈ 2 Ti)زیادہ سے زیادہ محفوظ حرارت-اوپر کی شرح (ڈگری/منٹ) زیادہ سے زیادہ قابل حصول پاور فی ہیٹر (2.5 W/cm2 پر) بنیادی انجینئرنگ ریشنل
65% HNO₃، 60 ڈگری، وقفے وقفے سے تھرمل سائیکلنگ (دن میں ایک بار، ریمپ PLC کے ذریعے ریگولیٹڈ) 16 ملی میٹر – 18 ملی میٹر 8 ڈگری/منٹ 1,200 – 1,600 ڈبلیو درمیانی تیزابیت اور درجہ حرارت۔ بڑا قطر ٹھیک ہے اگر ریمپ کو کنٹرول کیا جائے۔ گلاس-لائنڈ ری ایکٹر پورٹ سائز اکثر 16 ملی میٹر فٹ ہوتا ہے۔
80% HNO₃، 70 ڈگری، اعتدال پسند سائیکل (3–5/دن، گرم تیزاب میں کولڈ ہیٹر کو دستی طور پر ڈبونا) 12 ملی میٹر – 14 ملی میٹر 3 ڈگری/منٹ (اگر ریگولیٹ ہو) یا پہلے سے گرم ہیٹر 50 ڈگری داخل کرنے سے پہلے 600 – 900 W زیادہ خطرے کی تیزابیت کی طاقت کا اشارہ کرتا ہے۔ چھوٹے قطر کے ساتھ کم گرمی کا میلان۔ پہلے سے گرم کرنے کی سفارش کی جاتی ہے۔
98% HNO3، 85 ڈگری، متعدد سائیکل (بیچ آپریشن، بیچوں کے درمیان محیط میں ہیٹر ٹھنڈا، فوری اندراج) 10 ملی میٹر سے 12 ملی میٹر براہ راست داخل کرنے کے لیے موزوں نہیں ہے۔ تھرموول کا استعمال کریں یا 70 ڈگری . 400 - 600 ڈبلیو پر پہلے سے گرم کریں۔ ابلتے ہوئے قریب نائٹرک ایسڈ۔ ہائی تھرمل جھٹکا خطرہ. چھوٹے قطر کی ضرورت قطر. ٹائٹینیم تھرمو ویل (بند سرے والی ٹیوب) کو بدلنے کے قابل کارٹریج ہیٹر کے ساتھ سوچیں تاکہ آپ کو ٹائٹینیم کو ہی تھرمل سائیکل کرنے کی ضرورت نہ پڑے۔
کوئی بھی ارتکاز، مسلسل آپریشن (ہیٹر کبھی بھی 50 ڈگری سے نیچے نہیں جاتا، کوئی تھرمل سائیکلنگ نہیں) صرف ابتدائی آغاز 20 ملی میٹر 2 ڈگری / منٹ تک (صرف ابتدائی آغاز) 1,800 ڈبلیو تک تھرمل جھٹکا صرف اسٹارٹ اپ کے دوران ہوتا ہے۔ ایک بار درجہ حرارت پر، چکراتی تناؤ مستحکم حالت کے عمل سے مسلط نہیں ہوتا ہے۔ اگر سٹارٹ اپ سست ہے، تو بڑے قطر کی اجازت ہے۔
Any concentration, many thermal cycles but with active temperature management (ramp controller, heater never exposed to >20 ڈگری ΔT فی منٹ) 14 ملی میٹر - 16 ملی میٹر 5 ڈگری / منٹ 1,000 - 1,400 ڈبلیو کنٹرول شدہ ریمپ عملی حدود میں قطر سے قطع نظر تھرمل جھٹکا کو کم کرتا ہے۔ یہ retrofits کے لئے تنصیب کی ترجیحی تکنیک ہے.
انجینئرنگ بیونڈ دی میٹر پری ہیٹنگ، تھرمو ویلز اور ریمپ کنٹرولرز
تین انجینئرنگ طریقے ٹائٹینیم میان قطر سے آزاد تھرمل اسٹریس کریکنگ کو ختم کرنے میں اچھی طرح کام کرتے ہیں۔ سب سے پہلے، پنسل ہیٹر کو داخل کرنے سے پہلے ری ایکٹر کے درجہ حرارت کے 30 ڈگری کے اندر پہلے سے گرم کیا جاتا ہے تاکہ ΔT 30 ڈگری سے کم ہو اور تھرمل دباؤ 20 MPa سے کم ہو۔ یہ ہیٹر کو ایک چھوٹے سے پہلے سے گرم تندور میں رکھ کر یا مکمل وسرجن سے پہلے معمولی طاقت (10% شرح شدہ) فراہم کر کے پورا کیا جا سکتا ہے۔ دوسرا، ری ایکٹر میں مستقل طور پر نصب ٹائٹینیم تھرمو ویل (دیوار کی موٹائی 1.0 سے 1.5 ملی میٹر، قطر 18 سے 25 ملی میٹر) کے ساتھ، اور تھرمو ویل کے درجہ حرارت پر ہونے کے بعد تبدیل کرنے کے قابل کارتوس ہیٹر کے ساتھ۔ تھرمو ویل کو صرف ایک بار تھرمل جھٹکا لگا ہے (ری ایکٹر کی ابتدائی حرارت-اوپر) اور اس کے بعد ٹائٹینیم کو چونکاے بغیر کارٹریج ہیٹر کو تبدیل کر دیا جاتا ہے۔ فیلڈ شواہد سے پتہ چلتا ہے کہ تھرموول کی تنصیبات 90 ڈگری پر 98% نائٹرک ایسڈ میں 10+ سال کی سروس کے قابل ہیں۔ تیسرا، ریڈیل تھرمل گریڈینٹ کا خاتمہ اس وقت ہوتا ہے جب حرارت پیدا ہوتی ہے اور میان میں داخل ہوتی ہے، پروگرام شدہ ریمپ کنٹرولر کو استعمال کرتے ہوئے جو ہیٹر کے درجہ حرارت میں اضافے کی شرح کو 3-5 ڈگری فی منٹ تک محدود کرتا ہے۔ 20 ملی میٹر قطر کے پنسل ہیٹر کے لیے 3 ڈگری سینٹی گریڈ فی منٹ کی ریمپ ریٹ کے نتیجے میں بیرونی اور اندرونی سطح کے درمیان درجہ حرارت کا فرق 15 ڈگری سینٹی گریڈ سے کم ہوتا ہے اور تھرمل تناؤ تقریباً 10 ایم پی اے ہے، جو تھکاوٹ کی حد سے کافی نیچے ہے۔

نتیجہ: قطر کے ساتھ تھرمل شاک سے گریز کیا جاتا ہے۔<14 mm and Controlled Ramp
14 ملی میٹر یا اس سے کم کی پنسل-قسم کی میان قطر کا استعمال تھرمل شاک کریکنگ سے بچنے کا ایک قابل اعتماد ذریعہ ثابت ہوا ہے جب شیشے کے-لائنڈ ری ایکٹر کو ٹائٹینیم وسرجن ہیٹر کے ساتھ مرتکز نائٹرک ایسڈ سروس کے لیے ریٹروفٹ کیا جائے، بشرطیکہ حرارت-فی ڈگری یا 5 ڈگری فی منٹ تک محدود ہو اندراج بڑے قطر (16–20 ملی میٹر) کو صرف انتہائی سست ریمپ ریٹ پر (3 ڈگری/منٹ سے کم یا اس کے برابر) یا تھرمل سائیکلنگ کے بغیر مسلسل آپریشن میں استعمال کیا جا سکتا ہے۔ بنیادی تعلق یہ ہے کہ عارضی حرارت کے لیے تھرمل تناؤ قطر کے مربع کے متناسب ہے۔ ایک 20 ملی میٹر کے ہیٹر میں 12 ملی میٹر کے ہیٹر کے مقابلے میں تقریباً 2.8 گنا زیادہ سطح کا تناؤ ہوتا ہے۔ زیادہ تر ریٹروفٹس میں، ریمپ کنٹرولر کے ساتھ 14 ملی میٹر قطر کا پنسل ہیٹر تھرمل جھٹکا، بجلی کی ترسیل (تقریباً 1,000 ڈبلیو)، اور عام شیشے کے ساتھ مطابقت کا بہترین مجموعہ فراہم کرتا ہے اگر مطلوبہ پاور 1,500 W سے زیادہ ہے، تو ایک بڑے قطر کے ہیٹر کو استعمال کرنے کے بجائے 12-14 ملی میٹر کے کئی ہیٹر استعمال کرنا بہتر ہے۔ اگر مرتکز نائٹرک ایسڈ کے لیے ٹائٹینیم وسرجن ہیٹر کی وضاحت کر رہے ہیں، تو تخمینہ شدہ تھرمل سائیکل فریکوئنسی، زیادہ سے زیادہ ہیٹ اپ کی اجازت کی شرح (یا یہ بتائیں کہ ریمپ کنٹرولر استعمال کیا جائے گا)، اور ری ایکٹر پورٹ کا سائز فراہم کریں۔ اس ڈیٹا کے ساتھ، مینوفیکچرر بہترین میان کے قطر کا تعین کر سکتا ہے اور زیادہ سے زیادہ بھروسے کے لیے براہ راست ڈوبنے یا تھرمو ویل لے آؤٹ کی سفارش کر سکتا ہے۔