An Timpeallacht Hidreirmeach Foircneach a Ionsaíonn Grianchloch go Ceimiceach agus go Meicniúil ag an am céanna
Teicneolaíocht cheannródaíoch is ea ocsaídiú uisce sárchriticiúil (SCWO) chun dramhaíl orgánach a scriosadh, bithmhais a phróiseáil agus chun catalaíochí caite a athghiniúint. Sa réigiún sárchriticiúil os cionn 374 céim agus 22.1 MPa, déantar uisce ina sreabhán neamhpholach, an-idirleata a bhfuil cumhacht thuaslagtha den scoth aige le haghaidh comhdhúile agus gáis orgánacha. Maidir le téitheoirí tumoideachais a úsáidtear in imoibreoirí SCWO, tá dé-ionsaí os comhair an truaill Grianchloch: tuaslagadh ceimiceach ó airíonna uathúla tuaslagóra uisce sárchriticiúil, agus strus meicniúil ón bhfíorbhrú (25-35 MPa). Murab ionann agus creimeadh uiscí subcritical áit a bhfuil Grianchloch cobhsaí, is féidir le huisce sárchriticiúil (go háirithe le ocsaigin nó aigéid bhreise) shilice comhleáite a thuaslagadh ar rátaí suntasacha. Ina theannta sin, teastaíonn - leatháin chruacha le ballaí tiubha ón soitheach brú chun an brú hidreastatach seachtrach a sheasamh gan brú, ach méadaíonn ballaí tiubha friotaíocht teirmeach agus strus teirmeach le linn díomuan teochta tapa. Déanann an anailís seo cainníochtú ar an gcaoi a mbíonn tionchar ag teocht (400-600 céim ), brú (25-35 MPa), agus comhdhéanamh sreabhán (uisce íon, ocsaiginithe nó aigéadach) ar thuaslagthacht agus cinéitic díscaoilte shilice comhleáite. Díorthaítear an tiús balla atá ag teastáil chun srianadh brú, liúntas creimthe ceimiceach agus éifeachtúlacht theirmeach a chothromú, ag soláthar creat roghnúcháin do dhearadh téitheoir SCWO.
Tuaslagthacht shilice agus Cinéitic Díscaoilte in Uisce Sárchriticiúil
Tá iompar na Grianchloch in uisce supercritical difriúil go bunúsach ó uisce leachtach agus gaile. Méadaíonn tuaslagthacht shilice in uisce le teocht suas go dtí thart ar 350 céim , ansin laghduithe go mór sa réigiún supercritical mar gheall ar an titim i dlús uisce. Ag 400 céim agus 25 MPa (dlús uisce ~0.15 g/cm³), tá tuaslagthacht cothromaíochta shilice éagruthach thart ar 50–80 ppm. Ag 500 céim agus 30 MPa, titeann tuaslagthacht go 10-20 ppm. Ag 600 céim , titeann sé faoi bhun 5 csm. Ciallaíonn an cuar intuaslagthachta seo go dtuaslagfaidh Grianchloch in uisce sárchriticiúil go dtí go mbaintear amach sáithiúchán. Mar sin féin, i gcóras sreafa ina ndéanann uisce úr teagmháil leanúnach leis an dromchla Grianchloch, téann an tuaslagadh ar aghaidh ag ráta atá teoranta ag an tuaslagthacht agus ag an gcomhéifeacht ollaistrithe.
Léiríonn sonraí turgnamhacha ó lúba sreafa ardbhrú gurb é an ráta tuaslagtha Grianchloch chomhleáite in uisce sárchriticiúil íon ag 450 céim agus 28 MPa ná 0.001–0.003 mm/uair faoi ghnáththreoluasanna sreafa (0.1–0.5 m/s). Ag 550 céim , méadaíonn an ráta go 0.005–0.010 mm/uair. Tá na rátaí seo measartha i gcomparáid le NaOH leáite nó H₂SO₄ te tiubhaithe. Mar sin féin, nuair a chuirtear ocsaigine nó sárocsaíd hidrigine isteach chun ocsaídiú a chur chun cinn (coinníollacha tipiciúla SWO), athraíonn an meicníocht creimeadh. Is féidir le ocsaigin ag teocht ard agus brú imoibriú le Grianchloch chun hiodráití ocsaíd sileacain a fhoirmiú atá níos intuaslagtha, ag méadú an ráta faoi fhachtóir 2-5. I láthair iain clóiríde nó fluairíde (ó fhothaí dramhaíola), is féidir leis an ráta a bheith 10-20 uair níos airde de bharr tuaslagtha halaigine.
Saincheist níos tábhachtaí ná díghlanadh. Ag teochtaí sárchriticiúla, athraíonn Grianchloch go mall go cristobalite, mar a pléadh roimhe seo. Tá an ráta díghlanúcháin ag 500 céim thart ar 0.2–0.5 µm/uair an chloig, i bhfad níos moille ná ag 1000 céim, ach is féidir ciseal criostalaithe 0.5–1.0 mm a fhoirmiú thar na mílte uair an chloig. Tá comhéifeacht leathnaithe teirmeach difriúil ag an gciseal cristobalite agus tá seans maith ann go scoiltfidh sé ar thimthriallta teirmeach, rud a fhágann go bhfuil spalling ann. Mar sin, tagann díscaoileadh ceimiceach agus díghalrú le chéile chun saol seirbhíse a theorannú.
Coimeád Brú: Tiús Balla le haghaidh Brú Hidreastatach Seachtrach
In imoibreoirí SCWO, nochtar an truaill Grianchloch do bhrú seachtrach ón sreabhán sárchriticiúil, ar féidir leis a bheith 25–35 MPa (250–350 bar). Is gnách go mbíonn an brú inmheánach taobh istigh den fheadán Grianchloch (áit a bhfuil an eilimint téimh suite) atmaisféarach nó beagán os a chionn (m.sh., 0.1–0.5 MPa). Cruthaíonn sé seo brú seachtrach glan a chuireann an Grianchloch i gcomhbhrú. Murab ionann agus brú inmheánach, nuair nach mbíonn teannas láidir Grianchloch ach suas le 30–50 MPa, tarlaíonn cliseadh brú seachtrach trí buckling nó pléascadh. Tugann an fhoirmle clasaiceach buckling: P_critical=(E / (1-ν²)) * (t/R)³ / 4 an brú seachtrach ríthábhachtach le haghaidh feadán ballaí tanaí-, áit a bhfuil E modulus Young (~72 GPa don Grianchloch), is é ν cóimheas Poisson (0.17), is é R an tiús bhalla meánach (0.17), is é R t an tiús bhalla. Le haghaidh trastomhas téitheoir tipiciúil de 20 mm (R=10 mm), tugann balla 1.5 mm P_critical ≈ 72e9 / (1-0.03) * (1.5/10)³ / 4=72e9/0.97 * (0.15)³ / 4=74.2e9. Tá sé seo os cionn an bhrú SCWO de 35 MPa, agus mar sin tá fachtóir sábháilteachta de thart ar 1.8 ag balla 1.5 mm i gcoinne buckling. Maidir le balla 2.0 mm, t/R=0.20, (0.20)³=0.008, P_critical=74.2e9 * 0.008 / {4=148 MPa, fachtóir sábháilteachta 4.2. Maidir le balla 1.0 mm, t/R=0.10, (0.10)³=0.001, P_critical=74.2e9 * 0.001 / 4=18.6 MPa, faoi bhun 25 MPa, neamhshábháilte. Mar sin, is é thart ar 1.2–1.3 mm an tiús íosta balla le haghaidh srianadh brú sábháilte i truaill Grianchloch de thrastomhas 20 mm ag brú seachtrach 35 MPa. Soláthraíonn ballaí níos tiús lamháil sábháilteachta níos mó i gcoinne buckling agus freisin i gcoinne ualaí pointe nó lochtanna.
Mar a Chomhardú Tiús Balla Sábháilteacht Brú, Liúntas Creimthe, agus Feidhmíocht Theirmeach
Maidir le seirbhís SCWO, caithfidh tiús an bhalla trí chritéar a shásamh. Gcéad dul síos, srianadh brú: t_min_pressure ≈ 1.3 mm ar feadh trastomhas 20 mm ag 35 MPa. Sa dara háit, liúntas creimthe: ag 500 céim in uisce sárchriticiúil ocsaiginithe le ráta tuaslagtha 0.008 mm/uair, tá 40 mm breise de thiús balla ag teastáil le saol seirbhíse 5,000 uair an chloig - is léir go bhfuil sé dodhéanta. Léiríonn sé seo an príomhtheorannú: ní féidir le grianchloch maireachtáil na mílte uair an chloig in SCWO mar gheall ar thuaslagadh ceimiceach, beag beann ar thiús an bhalla. Déantar saol seirbhíse praiticiúil a thomhas sna céadta uair an chloig. Le saolré sprice de 500 uair an chloig, liúntas creimeadh=500 × 0.008=4.0 mm, mar sin tiús balla iomlán=brú íosta + liúntas creimeadh=1.3 + 4.0=5.3 mm. Tá a leithéid de bhalla tiubh indéanta go geoiméadrach (trastomhas seachtrach 10.6 mm ar mheántrastomhas 20 mm) ach bíonn tionchar mór aige ar fheidhmíocht theirmeach agus ar fhriotaíocht turrainge teirmeach.
Tríú, feidhmíocht theirmeach: Tá an comhéifeacht aistrithe teasa foriomlán in uisce supercritical an-athraitheach toisc go n-athraíonn na hairíonna sreabhach go mór in aice leis an bpointe criticiúil. Ag 450 céim agus 25 MPa, níl seoltacht theirmeach uisce sárchriticiúil ach 0.1–0.15 W/(m·K)-i bhfad níos ísle ná uisce leachta. Is í an chomhéifeacht chomhiompair h go hiondúil ná 500–1,500 W/(m²·K) ag brath ar an sreabhadh. Tá friotaíocht seoltaí=0.0053 / 1.38=0.00384 m²·K/W ag balla grianchloch 5.3 mm. Le h=1,000 W/(m²·K), friotaíocht ciseal teorann=0.00100, iomlán=0.00484, U=207 W/(m²·K). Thabharfadh balla 1.5 mm U=1 / (0.00109 + 0.00100)=478 W/(m²·K). Laghdaíonn an balla tiubh U faoi 57%, a éilíonn cumhacht níos airde (a ardaíonn teocht na sreinge agus a luathaíonn creimeadh) nó timthriallta teasa níos faide. Ina theannta sin, bíonn grádáin theirmeacha níos mó ar an mballa tiubh le linn teasa{-suas agus fuarú{-), rud a mhéadaíonn strus teirmeach. Léiríonn anailís eiliminte críochta ar bhalla 5.3 mm atá faoi rampa 10 gcéim/nóiméad ó 25 céim go 500 céim buaic-strus teanntachta de 65 MPa ag an dromchla seachtrach le linn teasa a sháraíonn neart briste na Grianchloch. Mar sin, ní hamháin go bhfuil ballaí tiubha i seirbhís SCWO neamhéifeachtúil ó thaobh teirmeach de ach go mbíonn teip turrainge teirmeach orthu freisin.
Is í an chonclúid phraiticiúil ná nach bhfuil Grianchloch oiriúnach do sheirbhís leanúnach fadtéarmach SCWO. Ina áit sin, úsáidtear téitheoirí Grianchloch le haghaidh baiscphróisis atá ar feadh tréimhse gearr nó mar ábhair inchaite. Le haghaidh SCWO leanúnach, tá gá le hábhair sheath malartacha cosúil le tíotáiniam, cóimhiotail nicil, nó chomhdhúile sileacain.
Cás-Maitrís Roghnúcháin Bhunaithe do Thiús Balla Drain Grianchloch sa tSeirbhís Uisce Sárchriticiúil
| Cás Feidhmchláir & Paraiméadair Oibriúcháin | Tiús Balla Molta | Bunréasúnaíocht le Trádáil Chainníochtaithe-Múchta |
|---|---|---|
| Baisc gairid SCWO (500 céim , 30 MPa, nochtadh carnach iomlán 50 uair, uisce íon) | 2.5 – 3.0 mm, grianchloch ard-íonachta | Corrosion rate ~0.005 mm/hour, 50 hours = 0.25 mm loss. Pressure safety requires >Soláthraíonn 1.3 mm. 2.5 mm corrlach. U ≈ 350 W/(m²·K). Inghlactha le haghaidh ritheann gearr. |
| Continuous SCWO reactor (550°C, 28 MPa, oxygenated, >Sprioc 500 uair) | Ní Grianchloch – úsáid Inconel 625 nó SiC | Quartz corrosion >0.01 mm/hour requires >balla 5 mm, is cúis le teip strus teirmeach. Eile éigeantach. |
| SCWO Saotharlainne le clóiríd-ina bhfuil beatha (450 céim , 25 MPa,<20 hours total) | 2.0 mm, grád caighdeánach | Luathaíonn ionsaí hailíde creimeadh (0.03 mm/uair) Soláthraíonn. 2.0 mm saolré 65 uair an chloig. Leor le haghaidh turgnaimh saotharlainne. |
| Uisce sárchriticiúil a réamhthéamh (400 céim , 25 MPa, timthriallta glan, breac, 10 n-uaire) | 1.5 - 2.0 mm, annealaithe | Faoi bhun 450 céim , ráta creimthe<0.002 mm/hour. Pressure safety >1.3 mm. Soláthraíonn balla tanaí U ≈ 450 W/(m²·K). Laghdaíonn annealing strus teirmeach. |
| SCWO le rianta aigéad hidreafluarach (aon tiúchan) | Ní Grianchloch – úsáid PTFE-línéadaigh nó ór | HF attacks quartz catastrophically (>0.5 mm/uair). Níl tiús balla leordhóthanach. |
Modhnuithe Deartha Comhlántacha do Théitheoirí SCWO
Is féidir le trí straitéis saol grianchloch a leathnú in uisce supercritical gan tiús bhalla iomarcach. Gcéad dul síos, laghdú teochta: ag feidhmiú ag 450 céim in ionad 550 céim laghdaítear an ráta díscaoilte shilice faoi fhachtóir 5-10, rud a ligeann do bhallaí níos tanaí agus saolré níos faide. Sa dara háit, leas iomlán a bhaint as sreabhadh: laghdaíonn an treoluas sreafa a mhéadú tiús na sraithe teorann, feabhas a chur ar aistriú teasa (a ligeann do bhallaí níos tanaí) ach freisin méadú ar aistriú mais shilice tuaslagtha ar shiúl ón dromchla, rud a d'fhéadfadh an ráta díscaoilte a mhéadú. Ní mór cothromaíocht a bhaint amach. Sa tríú háit, pasivation dromchla: cruthaítear ciseal criostalach criostalach atá beagán níos lú intuaslagtha in uisce sárchriticiúil ná grianchloch éagruthach sula n-ocsaídítear an Grianchloch ag 600 céim san aer ar feadh 100 uair an chloig. Is féidir leis an gcóireáil seo an ráta díscaoilte a laghdú 30-50%. Mar sin féin, d'fhéadfadh an ciseal cristobalite scoilteadh le linn timthriallta teirmeach, mar sin tá a leas ag brath ar fheidhmiú.
Conclúid: Tiús Balla Grianchloch a shonrú le haghaidh Uisce Sárchriticiúil le hIonchais Réadúla
Ní féidir tum-théitheoirí Grianchloch a úsáid in uisce sárchriticiúil ag 400–500 céim agus 25–35 MPa ach amháin le haghaidh{-seirbhís ghearr nó eatramhach. Is é an tiús íosta balla le haghaidh srianadh brú ná thart ar 1.3 mm le haghaidh feadán trastomhas 20 mm ag 35 MPa. Cuireann creimeadh ó thuaslagadh shilice 0.001–0.010 mm/uair an chloig, rud a chuireann teorainn le saol seirbhíse praiticiúla go dtí na céadta uaireanta fiú le ballaí 2.5–3.0 mm. Le haghaidh oibriú leanúnach os cionn 500 céim nó le fothaí ocsaiginithe nó hailíde, ní mholtar grianchloch; ábhair sheath malartacha (Inconel, tíotáiniam, chomhdhúile sileacain) ag teastáil. Nuair a iarrtar luachan ar théitheoirí SCWO, sonraigh an teocht agus an brú uasta, comhdhéanamh sreabhach (lena n-áirítear ábhar halide agus ocsaigine), an t-am nochta carnach a bhfuiltear ag súil leis, agus cibé an bhfuil an próiseas baisce nó leanúnach. Ligeann sé seo don mhonaróir an tiús balla is fearr a mholadh-go hiondúil 2.0–3.0 mm le haghaidh feidhmchláir teorann, le treoir shoiléir gurb í an ghrianchloch is fearr a oireann do phróisis saotharlainne nó do phróisis thionsclaíocha a ritheann go gairid, agus ní le haghaidh ocsaídiúcháin uisce sárchriticiúil leanúnach fadtéarmach.
