Која је дугорочна{0}}разлика у перформансама између 1,5 мм и 2,5 мм дебљине омотача за 316 грејача од нерђајућег челика у 10% сировој суспензији фосфорне киселине на 80 степени са абразивним кристалима

Фундаментална размена-услуга за производњу фосфорне киселине

Мокрим{0}}процесом производње фосфорне киселине добија се сирова суспензија која садржи 10% фосфорне киселине помешане са кристалима калцијум сулфата хемихидрата или дихидрата, неизреагованим честицама фосфатне стене и разним металним нечистоћама. Ово окружење је јединствено агресивно јер комбинује умерено кисели медијум (пХ 1-2) са чврстим честицама које еродирају пасивни филм на нерђајућем челику 316. Електрични урањајући грејачи који се користе у концентраторима фосфорне киселине или нападним резервоарима суочавају се са истовременом хемијском корозијом и механичком абразијом. Одлука о дебљини омотача између 1,5 мм и 2,5 мм представља дугорочан-прорачун учинка где се додатни метал у дебљем зиду мора одмерити у односу на термичке и механичке последице рада са већим попречним пресеком-. За разлику од чисте течне услуге где је корозија једина брига, ова апликација захтева праћење два механизма деградације у интеракцији током вишегодишњих кампања.

Ерозија-Синергија корозије и њена зависност од дебљине

У чистој фосфорној киселини на 80 степени, нерђајући челик 316 показује уједначену стопу корозије од приближно 0,1-0,3 мм годишње, у зависности од концентрације нечистоћа флуорида и хлорида присутних у сировој киселини. Додатак абразивних кристала-кристали калцијум сулфата хемихидрата су типично величине 10-100 микрона и имају Мохсову тврдоћу од 2,5-3,0-мењају механизам деградације од чисте корозије до ерозије{23}}корозије. Ударне честице непрекидно уклањају заштитни пасивни филм, излажући свеж метал киселини. Стопа ерозије{29}}корозије није само збир стопе чисте ерозије и чисте стопе корозије. Уместо тога, долази до синергијског ефекта где је брзина корозије континуирано де-пасивираног метала много већа од брзине корозије стабилне пасивне површине. Објављени подаци за нерђајући челик 316 у 10% фосфорне киселине са 5-10% чврстих материја на 80 степени и брзином суспензије од 1,5 м/с показују стопе ерозије-корозије од 0,6-1,2 мм годишње, три до шест пута веће од стопе чисте корозије. За дебљину зида од 1,5 мм, израчунато време до перфорације под континуираном ерозијском корозијом је 1,3-2,5 године. За зид од 2,5 мм, израчунато време се протеже на 2,1-4,2 године. Међутим, ови прорачуни претпостављају константну стопу ерозије-корозије. У стварности, како се зид тањи, локална дистрибуција напона на површини се мења, а брзина ерозије може да се убрза јер се тањи зид више скреће под утицајем честица, стварајући већа локална напрезања која лакше ломе површину. Дугорочни подаци о перформансама из постројења за производњу фосфорне киселине показују да се стопа ерозије-корозије често повећава за 20-40% када дебљина зида падне испод 1,0 мм. То значи да зид од 2,5 мм не само да почиње са више метала, већ и ради дужи период пре него што уђе у овај режим убрзања.

Енергија кристалног удара и механичка улога дебљине зида

Абразивни кристали у сировој суспензији фосфорне киселине не клизе само по површини; они утичу под различитим угловима у зависности од обрасца струјања око грејача. За цилиндричну цев за грејач у попречном-току, честице у каши ударају на предњу ивицу под угловима близу-(велика енергија удара, максимална ерозија) и на стране под угловима гледања (мања ерозија). Енергија удара кристала калцијум сулфата који путује брзином од 1,5 м/с је приближно 0,5-2 микроџула у зависности од величине честица. Ова енергија је довољна да изазове микропластичну деформацију на површини нерђајућег челика 316. Дубина пластично деформисаног слоја од сваког удара је типично 1-5 микрона. Током милиона удараца, кумулативно уклањање материјала одвија се механизмом замора: поновљени удари доводе до очвршћавања, затим настанак пукотина, затим одвајање малих металних фрагмената. Брзина уклањања материјала је обрнуто пропорционална тврдоћи метала и такође зависи од способности основног материјала да апсорбује енергију удара без пуцања. Дебљи зид обезбеђује већу еластичну подлогу испод погођене површине. Модул еластичности нерђајућег челика 316 је 193 ГПа, а крутост зида цеви при савијању је пропорционална коцки дебљине за дати спољни пречник. Зид од 2,5 мм има приближно 4,6 пута већу крутост на савијање од зида од 1,5 мм (2,5³ подељено са 1,5³ је 4,6). Ова већа крутост смањује динамичко скретање при удару честица, смањујући вршни контактни напон и смањујући стопу ерозије. Мерења на терену са фосфорних грејача показују да су стопе ерозије на предњој ивици зидних цеви од 2,5 мм обично 20-30% ниже него на цевима са зидом од 1,5 мм у идентичним условима суспензије, искључиво због ефекта крутости.

Казна за термичке перформансе дебљег зида у сервису за обрађивање

Сирова суспензија фосфорне киселине је позната по прљању. Кристали калцијум сулфата имају тенденцију да се таложе на загрејаним површинама, формирајући каменац који изолује цев и смањује пренос топлоте. Брзина формирања каменца зависи од температуре површине у односу на криву растворљивости калцијум сулфата. На температурама омотача изнад 90-95 степени, растворљивост хемихидрата калцијум сулфата се смањује, а таложење се убрзава. За зидни грејач од 1,5 мм који ради у киселини од 80 степени са густином вати од 6 В/цм², температура површине омотача је приближно 95-100 степени, тачно на прагу за убрзано скалирање. За зид од 2,5 мм при истој густини вати, температура омотача се повећава на 110-120 степени, добро у режиму скалирања. Накупљање каменца на зидној цеви од 2,5 мм биће знатно брже и дебље него на цеви од 1,5 мм. Када се формира слој каменца, он додаје сопствену топлотну отпорност, приморавајући температуру омотача још више у самоојачавајућој петљи. Зид од 2,5 мм са скалом калцијум сулфата од 0,5 мм има ефективну топлотну отпорност која је једнака зиду од 4,0 мм. Ова скала не само да смањује пренос топлоте, већ и ствара пукотине испод где се хемијска маса киселине локално концентрише, убрзавајући корозију. Дугорочна{30}}разлика у перформансама између ове две дебљине стога у великој мери зависи од тога да ли се скала може контролисати. У постројењима која користе механичко чишћење (спинери или стругачи) или хемијско уклањање каменца, зид од 2,5 мм може да постигне дужи век трајања од ерозије и корозије. У постројењима у којима је дозвољено да се накупља каменац, зид од 1,5 мм заправо може да ради боље јер његова нижа површинска температура одлаже формирање каменца, а када се каменац формира, тањи основни зид одржава већи топлотни ток кроз комбиновани слој зида и скале.

Термички циклус и диференцијална напрезања експанзије

Концентратори фосфорне киселине раде у серијским циклусима или са повременим доводом, узрокујући да грејач доживљава термичке циклусе од амбијенталног до 80 степени и назад. Сваки термички циклус генерише диференцијална напрезања експанзије између отпорне жице, изолације од магнезијум оксида и омотача од нерђајућег челика. Величина ових напона је пропорционална дебљини омотача јер дебљи пресек пружа већу отпорност на термичко ширење и контракцију. За промену температуре од 80 степени, слободно ширење нерђајућег челика 316 је приближно 0,1% (коефицијент 16 к 10⁻⁶ / степен пута 80 степени је 0,00128). За цев спољашњег пречника 12 мм, ово проширење је 0,015 мм. Зид од 1,5 мм може лакше да прихвати ово проширење кроз еластичну деформацију него зид од 2,5 мм. Током хиљада циклуса, дебљи зид доживљава веће цикличне напоне на граници између омотача и изолације од магнезијум оксида. То може довести до пуцања изолације, што смањује диелектричну чврстоћу и на крају узрокује електрични квар. Дугорочни-подаци о перформансама из фосфорних постројења показују да зидни грејачи од 2,5 мм имају већу стопу електричног квара (квара изолације) од зидних грејача од 1,5 мм после 3-5 година рада, чак и када зид од 2,5 мм још увек има одговарајућу преосталу дебљину метала. Дебљи зид мења век трајања од корозије и ерозије за век топлотног замора.

Дугорочно{0}}Резиме поређења учинка

Практичне стратегије продужења животног века изван избора дебљине

Ниједна дебљина омотача сама по себи не решава проблем каше фосфорне киселине. Три комплементарне стратегије су се показале ефикасним у продужавању века грејача изван предвиђања само на основу дебљине. Прво, управљање протоком: оријентација цеви грејача паралелно са протоком суспензије, а не окомито, смањује углове удара и смањује стопе ерозије за 40-60%. Друго, површинско очвршћавање: нитрирање или боронизација површине од нерђајућег челика 316 повећава површинску тврдоћу са 200 ХВ на 800-1000 ХВ, драматично смањујући стопе ерозије без повећања термичке отпорности. Површински очврснута цев од 1,5 мм може да наџиви необрађену цев од 2,5 мм за фактор два. Треће, контрола каменца: одржавање температуре масе киселине испод 75 степени или додавање инхибитора каменца као што су полиакрилати одржава површину омотача испод прага таложења калцијум сулфата, омогућавајући употребу тањих, термички ефикаснијих зидова. Нека постројења су успешно користила зидне грејаче од 1,2 мм са површинским очвршћавањем и инхибицијом каменца пет година или више, надмашујући необрађене грејаче од 2,5 мм који нису успели због прегревања изазваног каменцем.

Закључак: Разлика у перформансама оправдана условима рада

Дугорочна{0}}разлика у перформансама између 1,5 мм и 2,5 мм дебљине омотача за 316 грејача од нерђајућег челика у сировој суспензији од 10% фосфорне киселине на 80 степени није једноставна предност за дебљи зид. Зид од 2,5 мм обезбеђује 1,5-2,0 пута дужи век трајања ерозије-корозије у непрекидној, ниској-служби, али пати од виших површинских температура које убрзавају стварање каменца и нижег топлотног замора. Зид од 1,5 мм нуди боље термичке перформансе, мању тенденцију стварања каменца и дужи век топлотног замора, али има мање резерве метала за ерозиону{18}}корозију. За већину постројења за производњу фосфорне киселине, оптимална дебљина лежи између ових екстрема на приближно 1,8-2,0 мм, упарена са површинским очвршћавањем и мерама контроле каменца. Када је принуђен да бира између ова два, постројење са добром контролом скале и континуираним радом треба да изабере зид од 2,5 мм како би се максимизирао век трајања ерозије и корозије. Постројење са серијским радом, честим термичким циклусима или ограниченом способношћу уклањања каменца треба да изабере зид од 1,5 мм како би се избегли кварови на стварању каменца и термичком замору. Спецификација увек треба да укључује захтеве за површинску обраду и детаље о оријентацији протока, претварајући једноставан избор дебљине у свеобухватан дизајн грејача за руковање суспензијом.