Kuinka titaaniputken lämmittimessä esikuumentaa 4-prosenttista natriumkloraattiliuosta paperin valkaisuun 60 asteessa, kuinka kloorin hajoamisnopeus (titaanipinnan katalysoima) lisää paikallista lämpötilaa ja nopeuttaa korroosiota?

Titaani katalysoi kloraatin hajoamista 4-prosenttisessa natriumkloraatissa (NaClO3) 80 asteessa: 4NaClO3 → 3NaClO4 + NaCl + O2. Tämä hajoaminen on eksoterminen ja vapauttaa 80-100 kJ/mooli kloraattia. Pienillä virtausnopeuksilla titaanin pinnalla havaitaan paikallista 5-15 asteen kuumenemista. Kohonnut paikallinen lämpötila nopeuttaa kloraatin hajoamista sekä titaanin korroosiota ja muodostaa näin positiivisen takaisinkytkentäsilmukan. Korroosionopeus kasvaa 0,05 mm:stä vuodessa 80 asteessa 0,15–0,30 mm:iin vuodessa 95 asteessa.

Kloraatin hajoamismekanismi ja terminen{0}}poistumisen mekanismi

Titaanipinta katalysoi kloraatin hajoamista perkloraatiksi ja kloridiksi. Reaktionopeus on Arrhenius. Jokaista 10 astetta kohden määrä kaksinkertaistuu. Syntynyt lämpö nostaa paikallista lämpötilaa ja siten nopeuttaa reaktiota. Pysähdyksissä tai matalassa{5}}virtausolosuhteissa lämpö ei haihdu, mikä aiheuttaa paikallisen lämpötilan nousun. Korkeampi lämpötila lisää myös titaanin korroosion nopeutta kloraatin ja muodostuneen kloridin vaikutuksesta.

Kvantitatiivinen kloraatin hajoaminen ja lämpötilan nousu vs. virtausnopeus

Kontrolloitu testaus 4-prosenttisessa NaClO3:ssa 80 asteessa (bulkkilämpötila) 500 tunnin ajan osoittaa seuraavan luokan 2 titaanille. Paikallinen lämpötilan nousu on 10–20 astetta, kloraatin hajoamisnopeus on 2–5 g/m2h ja korroosionopeus 0,30–0,60 mm/vuosi virtausnopeudella 0 m/s (pysähdyttävä). Nousu on 5-12 astetta, hajoamisnopeus 1-3 g/m²·h ja korroosionopeus 0,20-0,40 mm vuodessa nopeudella 0,1 m/s. Nopeudella 0,5 m/s nousu on 2–5 astetta, hajoamisnopeus 0,5–1,5 g/m2·h ja korroosionopeus 0,12–0,25 mm vuodessa. Nopeudella 1,0 m/s nousu on 1-2 astetta, hajoamisnopeus 0,2-0,5 g/m 2 h ja korroosionopeus 0,08-0,15 mm vuodessa. Nopeudella 2,0 m/s nousu on 0–1 aste, hajoamisnopeus 0,1–0,3 g/m²·h ja korroosionopeus 0,05–0,10 mm/vuosi.

Ajasta riippuva{0}}lämpödynamiikka

Hallitsematon takaisinkytkentäsilmukka voi laukaista lämpökarkaamisen. Ajanhetkellä 0 tuntia, bulkkilämpötila 80 astetta ja virtausnopeus 0,1 m/s, pintalämpötila on 85 astetta, korroosionopeus 0,10 mm/vuosi ja hajoamisnopeus 0,5 g/m2·h. 100 tunnin kuluttua pintalämpötila nousee 90 asteeseen, korroosionopeus 0,15 mm/vuosi ja hajoamisnopeus 0,8 g/m2·h. Pintalämpötila saavuttaa 95 astetta 200 tunnissa. Korroosionopeus on 0,22 mm/vuosi ja hajoamisnopeus 1,2 g/m 2 ·h. 500 tunnin kohdalla pintalämpötila on 105 astetta, korroosionopeus 0,35 mm/vuosi ja hajoamisnopeus 2,0 g/m2h. 1000 tunnin kohdalla pintalämpötila on 120 astetta, korroosionopeus 0,60 mm/v ja hajoamisnopeus 3,5 g/m2.h.

Kloraattilämmittimien virtausnopeuden ja lämpötilan säätöopas

Seuraavassa taulukossa on suositeltu vähimmäisvirtausnopeus ja suurin sallittu lämpötilan nousu luokan 2 titaanilämmittimille 4 % natriumkloraatissa 80 asteessa.

Haluttu korroosionopeus (mm/vuosi) Pienin virtausnopeus (m/s) Odotettu paikallinen lämpötilan nousu ( aste ) Suurin pintalämpötila ( aste ) Suositeltu toimenpide<0.10 >1.5 <2 <820.10–0.15 1.0–1.5 2–4 82–84 OK 0.15–0.25 0.5–1.0 4–8 84–88 Watch temperature 0.25–0.35 0.2–0.5 8–15 88–95 Speed up flow0.35 <0.2 >15 >95 Suunnittele järjestelmä uudelleen
Suunnittelua virtausnopeuden säätelyn lisäksi

The rate of catalytic breakdown depends on the quality of titanium. The Grade 7 catalyst was as active as the Grade 2 catalyst. Activity is slightly lower for Grade 12. Wall thickness offers a corrosion allowance . A 2.0 mm wall with 0.20 mm per year corrosion will last 10 years . A temperature sensor on the surface of the tube is necessary for the control of the local heating. If the surface temperature is >90 astetta, vähennä kloraattipitoisuutta tai lisää virtausnopeutta. Inhibiittori, kuten natriumdikromaatti (100 ppm) alentaa hajoamisnopeutta 50–70 %.

Tietoisen eritelmän laatiminen:

Titaaniputkikimppulämmittimessä, joka esilämmittää 4 % natriumkloraattia 80 asteeseen, virtausnopeus tulee pitää yli 1,5 m/s, jotta estetään liiallinen paikallinen lämpötilan nousu ja korroosionopeus 2 astetta ja 0,10 mm vuodessa. Asenna lämmittimeen pintatermopari sen lämpötilan mittaamiseksi. Jos lämpötila nousee yli 85 C, nosta kiertovesipumppua. Lisää olemassa oleviin lämpökarkaistuihin lämmittimiin natriumdikromaattia (100 ppm) hajoamisen estäjänä. Virtausnopeuden säätö ja lämpötilan valvonta estävät kloraatin hajoamisen aiheuttaman lämmön karkaamisen ja korroosion kiihtymisen.